Bootloader

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Bootloader是在操作系统运行之前执行的一段小程序。通过这段小程序,我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射表,从而建立适当的系统软硬件环境,为最终调用操作系统内核做好准备。

Bootloader概述

  对于嵌入式系统,Bootloader是基于特定硬件平台来实现的。因此,几乎不可能为所有的嵌入式系统建立一个通用的Bootloader,不同的处理器架构都有不同的Bootloader。Bootloader不但依赖于CPU的体系结构,而且依赖于嵌入式系统板级设备的配置。对于2块不同的嵌入式板而言,即使它们使用同一种处理器,要想让运行在一块板子上的Bootloader程序也能运行在另一块板子上,一般也都需要修改Bootloader的源程序。

  反过来,大部分Bootloader仍然具有很多共性,某些Bootloader也能够支持多种体系结构的嵌入式系统。例如,U-Boot就同时支持PowerPC、ARM、MIPS和X86等体系结构,支持的板子有上百种。通常,它们都能够自动从存储介质上启动,都能够引导操作系统启动,并且大部分都可以支持串口和以太网接口。

Bootloader的种类

  嵌入式系统世界已经有各种各样的Bootloader,种类划分也有多种方式。除了按照处理器体系结构不同划分以外,还有功能复杂程度的不同。

  首先区分一下“Bootloader”和“Monitor”的概念。严格来说,“Bootloader”只是引导设备并且执行主程序的固件;而“Monitor”还提供了更多的命令行接口,可以进行调试、读写内存、烧写Flash、配置环境变量等。“Monitor”在嵌入式系统开发过程中可以提供很好的调试功能,开发完成以后,就完全设置成了一个“Bootloader”。所以,习惯上大家把它们统称为Bootloader。

  表列出了Linux的开放源码引导程序及其支持的体系结构。表中给出了X86 ARM PowerPC体系结构的常用引导程序,并且注明了每一种引导程序是不是“Monitor”。

开放源码的Linux 引导程序

  表 开放源码的Linux 引导程序

  对于每种体系结构,都有一系列开放源码Bootloader可以选用。

  (1)X86

  X86的工作站和服务器上一般使用LILO和GRUB。LILO是Linux发行版主流的Bootloader。不过Redhat Linux发行版已经使用了GRUB,GRUB比LILO有更有好的显示界面,使用配置也更加灵活方便。

  在某些X86嵌入式单板机或者特殊设备上,会采用其他Bootloader,例如:ROLO。这些Bootloader可以取代BIOS的功能,能够从FLASH中直接引导Linux启动。现在ROLO支持的开发板已经并入U-Boot,所以U-Boot也可以支持X86平台。

  (2)ARM

  ARM处理器的芯片商很多,所以每种芯片的开发板都有自己的Bootloader。结果ARM bootloader也变得多种多样。最早有为ARM720处理器的开发板的固件,又有了armboot,StrongARM平台的blob,还有S3C2410处理器开发板上的vivi等。现在armboot已经并入了U-Boot,所以U-Boot也支持ARM/XSCALE平台。U-Boot已经成为ARM平台事实上的标准Bootloader。

  (3)PowerPC

  PowerPC平台的处理器有标准的Bootloader,就是ppcboot。PPCBOOT在合并armboot等之后,创建了U-Boot,成为各种体系结构开发板的通用引导程序。U-Boot仍然是PowerPC平台的主要Bootloader。

  (4)MIPS

  MIPS公司开发的YAMON是标准的Bootloader,也有许多MIPS芯片商为自己的开发板写了Bootloader。现在,U-Boot也已经支持MIPS平台。

  (5)SH

  SH平台的标准Bootloader是sh-boot。Redboot在这种平台上也很好用。

  (6)M68K

  M68K平台没有标准的Bootloader。Redboot能够支持m68k系列的系统。

  值得说明的是Redboot,它几乎能够支持所有的体系结构,包括MIPS、SH、M68K等体系结构。Redboot是以eCos为基础,采用GPL许可的开源软件工程。

Bootloader的启动

  Linux系统是通过Bootloader引导启动的。一上电,就要执行Bootloader来初始化系统。可以通过第4章的Linux启动过程框图回顾一下。

  系统加电或复位后,所有CPU都会从某个地址开始执行,这是由处理器设计决定的。比如,X86的复位向量在高地址端,ARM处理器在复位时从地址0x00000000取第一条指令。嵌入式系统的开发板都要把板上ROM或Flash映射到这个地址。因此,必须把Bootloader程序存储在相应的Flash位置。系统加电后,CPU将首先执行它。

  主机和目标机之间一般有串口可以连接,Bootloader软件通常会通过串口来输入输出。例如:输出出错或者执行结果信息到串口终端,从串口终端读取用户控制命令等。

  Bootloader启动过程通常是多阶段的,这样既能提供复杂的功能,又有很好的可移植性。例如:从Flash启动的Bootloader多数是两阶段的启动过程。从后面U-Boot的内容可以详细分析这个特性。

  大多数Bootloader都包含2种不同的操作模式:本地加载模式和远程下载模式。这2种操作模式的区别仅对于开发人员才有意义,也就是不同启动方式的使用。从最终用户的角度看,Bootloader的作用就是用来加载操作系统,而并不存在所谓的本地加载模式与远程下载模式的区别。

  因为Bootloader的主要功能是引导操作系统启动,所以我们详细讨论一下各种启动方式的特点。

  1.网络启动方式

  这种方式开发板不需要配置较大的存储介质,跟无盘工作站有点类似。但是使用这种启动方式之前,需要把Bootloader安装到板上的EPROM或者Flash中。Bootloader通过以太网接口远程下载Linux内核映像或者文件系统。第4章介绍的交叉开发环境就是以网络启动方式建立的。这种方式对于嵌入式系统开发来说非常重要。

  使用这种方式也有前提条件,就是目标板有串口、以太网接口或者其他连接方式。串口一般可以作为控制台,同时可以用来下载内核影像和RAMDISK文件系统。串口通信传输速率过低,不适合用来挂接NFS文件系统。所以以太网接口成为通用的互连设备,一般的开发板都可以配置10M以太网接口。

  对于PDA等手持设备来说,以太网的RJ-45接口显得大了些,而USB接口,特别是USB的迷你接口,尺寸非常小。对于开发的嵌入式系统,可以把USB接口虚拟成以太网接口来通讯。这种方式在开发主机和开发板两端都需要驱动程序。

  另外,还要在服务器上配置启动相关网络服务。Bootloader下载文件一般都使用TFTP网络协议,还可以通过DHCP的方式动态配置IP地址。

  DHCP/BOOTP服务为Bootloader分配IP地址,配置网络参数,然后才能够支持网络传输功能。如果Bootloader可以直接设置网络参数,就可以不使用DHCP。

  TFTP服务为Bootloader客户端提供文件下载功能,把内核映像和其他文件放在/tftpboot目录下。这样Bootloader可以通过简单的TFTP协议远程下载内核映像到内存。如图1所示。

网络启动示意图

  图1 网络启动示意图

  大部分引导程序都能够支持网络启动方式。例如:BIOS的PXE(Preboot Execution Environment)功能就是网络启动方式;U-Boot也支持网络启动功能。

  2.磁盘启动方式

  传统的Linux系统运行在台式机或者服务器上,这些计算机一般都使用BIOS引导,并且使用磁盘作为存储介质。如果进入BIOS设置菜单,可以探测处理器、内存、硬盘等设备,可以设置BIOS从软盘、光盘或者某块硬盘启动。也就是说,BIOS并不直接引导操作系统。那么在硬盘的主引导区,还需要一个Bootloader。这个Bootloader可以从磁盘文件系统中把操作系统引导起来。

  Linux传统上是通过LILO(LInux LOader)引导的,后来又出现了GNU的软件GRUB(GRand Unified Bootloader)。这2种Bootloader广泛应用在X86的Linux系统上。你的开发主机可能就使用了其中一种,熟悉它们有助于配置多种系统引导功能。

  LILO软件工程是由Werner Almesberger创建,专门为引导Linux开发的。现在LILO的维护者是John Coffman,最新版本下载站点:<http://lilo.go.dyndns.org/>。LILO有详细的文档,例如LILO套件中附带使用手册和参考手册。此外,还可以在LDP的“LILO mini-HOWTO”中找到LILO的使用指南。

  GRUB是GNU计划的主要bootloader。GRUB最初是由Erich Boleyn为GNU Mach操作系统撰写的引导程序。后来有Gordon Matzigkeit和Okuji Yoshinori接替Erich的工作,继续维护和开发GRUB。GRUB的网站http://www.gnu.org/software/grub/上有对套件使用的说明文件,叫作《GRUB manual》。GRUB能够使用TFTP和BOOTP或者DHCP通过网络启动,这种功能对于系统开发过程很有用。

  除了传统的Linux系统上的引导程序以外,还有其他一些引导程序,也可以支持磁盘引导启动。例如:LoadLin可以从DOS下启动Linux;还有ROLO、LinuxBIOS,U-Boot也支持这种功能。

  3.Flash启动方式

  大多数嵌入式系统上都使用Flash存储介质。Flash有很多类型,包括NOR Flash、NAND Flash和其他半导体盘。其中,NOR Flash(也就是线性Flash)使用最为普遍。

  NOR Flash可以支持随机访问,所以代码是可以直接在Flash上执行的。Bootloader一般是存储在Flash芯片上的。另外,Linux内核映像和RAMDISK也可以存储在Flash上。通常需要把Flash分区使用,每个区的大小应该是Flash擦除块大小的整数倍。图2是Bootloader和内核映像以及文件系统的分区表。

Flash存储示意图

  图2 Flash存储示意图

  Bootloader一般放在Flash的底端或者顶端,这要根据处理器的复位向量设置。要使Bootloader的入口位于处理器上电执行第一条指令的位置。

  接下来分配参数区,这里可以作为Bootloader的参数保存区域。

  再下来内核映像区。Bootloader引导Linux内核,就是要从这个地方把内核映像解压到RAM中去,然后跳转到内核映像入口执行。

  然后是文件系统区。如果使用Ramdisk文件系统,则需要Bootloader把它解压到RAM中。如果使用JFFS2文件系统,将直接挂接为根文件系统。这两种文件系统将在第12章详细讲解。

  最后还可以分出一些数据区,这要根据实际需要和Flash大小来考虑了。

  这些分区是开发者定义的,Bootloader一般直接读写对应的偏移地址。到了Linux内核空间,可以配置成MTD设备来访问Flash分区。但是,有的Bootloader也支持分区的功能,例如:Redboot可以创建Flash分区表,并且内核MTD驱动可以解析出redboot的分区表。

  除了NOR Flash,还有NAND Flash、Compact Flash、DiskOnChip等。这些Flash具有芯片价格低,存储容量大的特点。但是这些芯片一般通过专用控制器的I/O方式来访问,不能随机访问,因此引导方式跟NOR Flash也不同。在这些芯片上,需要配置专用的引导程序。通常,这种引导程序起始的一段代码就把整个引导程序复制到RAM中运行,从而实现自举启动,这跟从磁盘上启动有些相似.

BootLoader 的移植和修改

  BootLoader除了依赖于 CPU 的体系结构外,BootLoader 实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置,比如板卡的硬件地址分配,RAM芯片的类型,其他外设的类型等。

  对于两块不同的嵌入式板而言,即使它们是基于同一种 CPU而构建的,如果他们的硬件资源和配置不一致的话,要想让运行在一块板子上的BootLoader程序也能运行在另一块板子上,也还是需要作一些必要的修改。

BootLoader 的安装

  系统加电或复位后,所有的CPU通常都从CPU制造商预先安排的地址上取指令。比如,S3C44B0在复位时都从地址 0x00000000 取它的第一条指令。

  嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备(比如:ROM、EEPROM或FLASH等)被安排这个起始地址上,因此在系统加电后,CPU将首先执行BootLoader程序。

  也就是说对于基于S3C44B0的这套系统,我们的BootLoader是从0地址开始存放的,而这块起始地址需要采用可引导的固态存储设备如FLASH。

BootLoader安装位置

  Boot loader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序,可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图,从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态,以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

  系统加电或复位后,所有的CPU 通常都从某个预先安排的地址上取指令。例如,基于ARM7TDMI core 的CPU 在复位时通常都从地址0x00000000取它的第一条指令。而基于CPU 构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备(比如:ROM、EEPROM、或 Flash 等)被映射到这个预先安排的地址上。因此在系统加电后,CPU 将首先执行 Bootloader 程序。通常总是将Boot Loader 安装在嵌入式系统的存储设备的最前端。

  固态存储设备的空间划分(地址从低到高顺序):Bootloader,Bootloader参数,内核映像,根文件系统映像。

 
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