4-嵌入式系统的BootLoader技术1531.pptx

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1、嵌入式系统开发原理与实践陈文智 等 编著清华大学出版社清华大学出版社重点大学计算机专业系列教材重点大学计算机专业系列教材第四章 嵌入式系统的Boot Loader技术1.Boot Loader程序的基本概念程序的基本概念 2.Boot Loader的典型结构框架的典型结构框架 3.Boot Loader实验实验 实验一实验一 Boot Loader应用实验应用实验实验二实验二 U-BOOT的分析和移植的分析和移植1.Boot Loader程序的基本概念一个嵌入式一个嵌入式 Linux 系统从软件的角度看通常可以系统从软件的角度看通常可以分为四个层次：分为四个层次：1.引导加载程序。引导加载程序

2、。包括固化在固件包括固化在固件(firmware)中的中的 boot代码代码(可选可选)，和，和 Boot Loader 两大部分。两大部分。2.Linux 内核。内核。特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。3.文件系统。文件系统。包括根文件系统和建立于包括根文件系统和建立于 Flash 内存设备之上文件系统。内存设备之上文件系统。通常用通常用 ram disk 来作为来作为 root fs。4.用户应用程序。特定于用户的应用程序。用户应用程序。特定于用户的应用程序。有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图有时在用户应用程序和

3、内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。常用的嵌入式形用户界面。常用的嵌入式 GUI 有：有：MicroWindows 和和 MiniGUI 懂。懂。1.Boot Loader程序的基本概念Boot Loader就是在操作系统内核运行之前就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序运行的一段小程序 初始化硬件设备和建立内存空间的映射图初始化硬件设备和建立内存空间的映射图 将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以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便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境 Boot Loader所支持的硬件环境所支持的硬件环境 Bo

4、ot Loader 是严重地依赖于硬件而实现的是严重地依赖于硬件而实现的每种不同的每种不同的CPU体系结构都有不同的体系结构都有不同的Boot Loader Boot Loader的安装地址的安装地址系统加电或复位后，所有的系统加电或复位后，所有的 CPU 通常都从某通常都从某个由个由 CPU 制造商预先安排的地址上取指令。制造商预先安排的地址上取指令。系统的系统的Boot Loader程序通常安排在地址程序通常安排在地址0 x00000000 处处 Boot Loader相关的设备和机制相关的设备和机制 主机和目标机之间一般通过串口建立连接主机和目标机之间一般通过串口建立连接 Boot Lo

5、ader 软件在执行时通常会通过串口来软件在执行时通常会通过串口来进行进行 I/O 超级终端超级终端Boot Loader的启动过程的启动过程 通常多阶段的通常多阶段的 Boot Loader 能提供更为复杂的能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性功能，以及更好的可移植性 分为 stage 1 和 stage 2 两部分 Boot Loader的操作模式的操作模式 启动加载模式启动加载模式 下载模式下载模式 Boot Loader与主机之间的通信设备及协议与主机之间的通信设备及协议 最常见的是串口，协议最常见的是串口，协议xmodem/ymodem/zmodem以太网，协议以太网，协议tft

6、p常用嵌入式常用嵌入式BootloaderU-boot:通用引导程序通用引导程序,ARM/XSCALE 平台平台 Blob:LART 等硬件平台的引导程序等硬件平台的引导程序,StrongARM RedBoot:基于基于 eCos 的引导程序的引导程序 2.Boot Loader的典型结构框架操作系统的角度看，操作系统的角度看，Boot Loader的总目标的总目标就是正确地调用内核来执行就是正确地调用内核来执行 大多数大多数Boot Loader都分为阶段都分为阶段1和阶段和阶段2两大部分两大部分 阶段阶段1实现依赖于实现依赖于CPU体系结构的代码体系结构的代码(汇编汇编)阶段阶段2实现一些

7、复杂的功能实现一些复杂的功能（C语言）语言）2.1 Boot Loader阶段1介绍Boot Loader 的阶段的阶段1通常包括以下步骤：通常包括以下步骤：1）硬件设备初始化。）硬件设备初始化。屏蔽所有的中断屏蔽所有的中断 设置设置CPU的速度和时钟频率的速度和时钟频率 RAM初始化初始化 初始化初始化LED 关闭关闭CPU内部指令数据内部指令数据Cache 2）为加载阶段为加载阶段2准备准备RAM空间空间 除了阶段除了阶段2可执行映象的大小外，还必须把堆可执行映象的大小外，还必须把堆栈空间也考虑进来栈空间也考虑进来 一般一般1M就够了就够了Blob是是0 xc0200000开始的开始的1M

8、B空间空间推荐：推荐：(RamEnd 1MB,RamEnd)标记标记Stage2_end=stage2_start+stage2_size2）为加载阶段）为加载阶段2准备准备RAM空间空间 必须确保所安排的地址范围的的确确是可读写的必须确保所安排的地址范围的的确确是可读写的RAM空间空间1.先保存先保存memory page一开始两个字的内容一开始两个字的内容2.向这两个字中写入任意的数字向这两个字中写入任意的数字3.立即将这两个字读回，若不是，则说明不是一段有效立即将这两个字读回，若不是，则说明不是一段有效的的RAM空间空间4.再向这两个字写入任意数字再向这两个字写入任意数字5.立即将这两个

9、字读回。若不是，则说明不是有效的立即将这两个字读回。若不是，则说明不是有效的RAM空间空间6.恢复这两个字的原始内容，测试完毕。恢复这两个字的原始内容，测试完毕。3）拷贝阶段）拷贝阶段2到到RAM中中 复制时要确定两点：复制时要确定两点：阶段阶段2的可执行映像在固态存储设备的存放其的可执行映像在固态存储设备的存放其实地址和终止地址实地址和终止地址RAM空间的起始地址空间的起始地址4）设置堆栈指针）设置堆栈指针sp 设置堆栈指针是为了执行设置堆栈指针是为了执行C语言代码做好准备语言代码做好准备通常可以设置为通常可以设置为sp=stage2_end 4此时，此时，Boot Loader 的的 阶段

10、阶段2 可执行映象刚可执行映象刚被拷贝到被拷贝到 RAM 空间时的系统内存布局，如下空间时的系统内存布局，如下图：图：5）跳转到阶段）跳转到阶段2的的C入口点入口点 修改修改PC寄存器为合适地址来实现寄存器为合适地址来实现2.2 Boot Loader阶段2介绍trampoline(弹簧床)的概念进入main()函数 用汇编语言写一段trampoline 小程序在 trampoline 汇编小程序中用 CPU 跳转指令跳入 main()函数中去执行；而当 main()函数返回时，CPU 执行路径显然再次回到 trampoline 程序 .text.globl _trampoline_tramp

11、oline:blmain/*if main ever returns we just call it again*/b _trampoline2.2 Boot Loader阶段2介绍1）初始化本阶段要使用到的硬件设备）初始化本阶段要使用到的硬件设备初始化至少一个串口，以便和终端用户进行初始化至少一个串口，以便和终端用户进行I/O输出信息输出信息 初始化计时器等初始化计时器等2）检测系统的内存映射）检测系统的内存映射 所谓内存映射就是指在整个所谓内存映射就是指在整个4GB物理地址空间物理地址空间中有哪些地址范围被分配用来寻址系统的中有哪些地址范围被分配用来寻址系统的RAM单元单元例如，例如，SA

12、1100CPU中，从中，从0 xC0000000开始开始的的512M但是，具体嵌入式系统并不实现全部预留地址，但是，具体嵌入式系统并不实现全部预留地址，可能仅用可能仅用64M因此，必须检测整个系统的内存映射情况因此，必须检测整个系统的内存映射情况2）检测系统的内存映射）检测系统的内存映射 可以用如下数据结构来描述可以用如下数据结构来描述RAM地址空间中的地址空间中的一段连续的地址范围：一段连续的地址范围：typedef struct memory_area_struct typedef struct memory_area_struct u32 start;/*u32 start;/*内存空内

13、存空间间的基址的基址*/*/u32 size;/*u32 size;/*内存空内存空间间的大小的大小*/*/int used;/*1int used;/*1已已实现实现0 0未未实现实现*/*/memory_area_t;memory_area_t;2）检测系统的内存映射）检测系统的内存映射 整个整个CPU预留的预留的RAM地址可用数组表示地址可用数组表示 memory_area_t memory_mapNUM_MEM_AREAS=memory_area_t memory_mapNUM_MEM_AREAS=0 (NUM_MEM_AREAS-1)=0 (NUM_MEM_AREAS-1)=.sta

14、rt=0,.start=0,.size=0;.size=0;.used=0 .used=0 ,;2）检测系统的内存映射）检测系统的内存映射 内存映射的检测内存映射的检测 memory_area_t memory_mapNUM_MEM_AREAS=memory_area_t memory_mapNUM_MEM_AREAS=0 (NUM_MEM_AREAS-1)=0 (NUM_MEM_AREAS-1)=.start=0,.start=0,.size=0;.size=0;.used=0 .used=0 ,;3）加载内核映像和根文件系统映像）加载内核映像和根文件系统映像 规划内存占用的布局规划内存占用

15、的布局 内核映像所占用的内存范围内核映像所占用的内存范围 一般是一般是MEM_START+0X8000到约到约1MB的空间的空间根文件系统所占用的内存范围根文件系统所占用的内存范围 一般是一般是MEM_START0 x100000开始的地方开始的地方3）加载内核映像和根文件系统映像）加载内核映像和根文件系统映像 从从Flash上拷贝上拷贝 由于像由于像ARM这样的嵌入式这样的嵌入式CPU通常都是在统一内存地址空间中寻通常都是在统一内存地址空间中寻址址FLASH等固态存储设备，因此从闪存上读取数据与从等固态存储设备，因此从闪存上读取数据与从RAM内存内存单元中读取数据并没有什么不同单元中读取数据

16、并没有什么不同 while(count)while(count)*dest+=*src+;*dest+=*src+;count-=4;count-=4;4）设置内核的启动参数 标记列表(tagged list)的形式来传递启动参数，启动参数标记列表以标记ATAG_CORE开始，以标记ATAG_NONE结束 嵌入式Linux系统中，通常需要由Boot Loader设置的常见启动参数有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD 例：设置ATAG_CORE的代码如下：params=(struct tag*)BOOT_PARAMS

17、;params=(struct tag*)BOOT_PARAMS;params-hdr.tag=ATAG_CORE;params-hdr.tag=ATAG_CORE;params-hdr.size=tag_size(tag_core);params-hdr.size=tag_size(tag_core);params-u.core.flags=0;params-u.core.flags=0;params-u.core.pagesize=0;params-u.core.pagesize=0;params-u.core.rootdev=0;params-u.core.rootdev=0;param

18、s=tag_next(params);params=tag_next(params);BOOT_PARAMS 表示内核启动参数在内存中的起始基地址，表示内核启动参数在内存中的起始基地址，指针指针params是一个是一个struct tag类型的指针。宏类型的指针。宏tag_next()将以将以指向当前标记的指针为参数，计算出当前标记的下一个标记的指向当前标记的指针为参数，计算出当前标记的下一个标记的起始地址起始地址 initrdinitrd 的英文含义是的英文含义是 boot loader initialized RAM disk，就是由，就是由 boot loader 初始化的内存盘。初始化

19、的内存盘。在在 linux内核启动前，内核启动前，boot loader 会将存储介质会将存储介质中的中的 initrd 文件加载到内存，内核启动时会在访文件加载到内存，内核启动时会在访问真正的根文件系统前先访问该内存中的问真正的根文件系统前先访问该内存中的 initrd 文件系统。文件系统。在在 boot loader 配置了配置了 initrd 的情况下，内核启的情况下，内核启动被分成了两个阶段，第一阶段先执行动被分成了两个阶段，第一阶段先执行 initrd 文文件系统中的件系统中的某个文件某个文件，完成加载驱动模块等任，完成加载驱动模块等任务，第二阶段才会执行真正的根文件系统中的务，第二

20、阶段才会执行真正的根文件系统中的/sbin/init 进程。进程。5）调用内核）调用内核 CPU寄存器的设置：寄存器的设置：R00；R1机器类型机器类型ID；关于机器类型号，可以参见：；关于机器类型号，可以参见：linux/arch/arm/tools/mach-types。R2启动参数标记列表在启动参数标记列表在RAM中起始基地址；中起始基地址；CPU 模式：模式：必须禁止中断（必须禁止中断（IRQs和和FIQs）；）；CPU必须必须SVC模式；模式；Cache和和MMU的设置：的设置：MMU必须关闭；必须关闭；指令指令Cache可以打开也可以关闭；可以打开也可以关闭；数据数据Cache必须

21、关闭；必须关闭；5）调用内核）调用内核C语言调用方式语言调用方式 void(*theKernel)(int zero,int arch,u32 void(*theKernel)(int zero,int arch,u32 params_addr)=(void(*)(int,int,u32)params_addr)=(void(*)(int,int,u32)KERNEL_RAM_BASE;KERNEL_RAM_BASE;theKernel(0,ARCH_NUMBER,theKernel(0,ARCH_NUMBER,(u32)kernel_params_start);(u32)kernel_par

22、ams_start);2.3 关于串口终端 向串口终端打印信息也是一个非常重要而向串口终端打印信息也是一个非常重要而又有效的调试手段又有效的调试手段如果碰到串口终端显示乱码或根本没有显如果碰到串口终端显示乱码或根本没有显示的问题，可能是因为：示的问题，可能是因为：Boot Loader 对串口的初始化设置不正确对串口的初始化设置不正确 运行在运行在host 端的终端仿真程序对串口的设置不正确端的终端仿真程序对串口的设置不正确 Boot Loader 启动内核后却无法看到内核启动内核后却无法看到内核的启动输出信息：的启动输出信息：确认内核在编译时是否配置了对串口终端的支持，并确认内核在编译时是否

23、配置了对串口终端的支持，并配置了正确的串口驱动程序配置了正确的串口驱动程序 Boot Loader 对串口的初始化设置是否和内核对串口对串口的初始化设置是否和内核对串口的初始化设置一致的初始化设置一致 还要确认还要确认 Boot Loader 所用的内核基地址必须和内核所用的内核基地址必须和内核映像在编译时所用的运行基地址一致映像在编译时所用的运行基地址一致 3.Boot Loader实验实验 实验一 Boot Loader应用实验实验二 U-BOOT的分析和移植实验一 Boot Loader应用实验（1）烧写XsBase255的BootLoader 编译生成XsBase255专用的JTAG程

24、序 Jflash-XSBase255编译生成XSBase的Boot Loader x-boot255 正确连线利用JTAG烧写BootLoader rootXSBase JTAG#./Jflash-XSBase255 x-boot255实验一 Boot Loader应用实验（2）熟悉使用 Bootloader 指令，执行各个指令后将其结果与下表的 description进行比较 UsageHelpDescription对各个指令的简单的说明。ArgumentsNoneExampleX-HYPER255 HelpUsageReload kernel/ramdiskDescription将Flas

25、h中纪录的image复制到SDRAM为了复制 kernel image到 SDRAM，Autoboot时自动执行Arguments将Kernel flash的 kernel image复制到 SDRAM 0 xa0008000将Ramdisk flash的 ramdisk复制到 SDRAM 0 xa0800000ExampleX-HYPER255 reload kernelUsageTftp file loader/kernel/root/ramdiskTftp file addrDescription通过Ethernet将 Host的映像文件下载到SDRAM中ArgumentsLoader将

26、接收到的文件储存到loader的SDRAM 0 xa0000000Kernel将接收到的文件储存到kernel的 SDRAM 0 xa0008000Root 将接收到的文件储存到 0 xa0000000Ramdisk 将接收到的文件储存到 0 xA0800000。Addr SDRAM上纪录接收到的文件的地址ExampleX-HYPER255 tftp zImage kernelX-HYPER255 tftp zImage 0 xa0000000UsageFlash loader/kernel/root/ramdiskFlash dest src lenDescription将SDRAM上的数据

27、储存到flash的相应地址ArgumentsLoader-将SDRAM的loader 0 xa00000000储存到flash的0 x0地址Kernel-将SDRAM的Kernel 0 xa00080000储存到flash的0 xc0000 地址Root-将SDRAM的root 0 xa0000000储存到flash的0 x1c0000地址Ramdisk-将SDRAM的ramdisk 0 xA0800000储存到Flash的0 x1c00 00地址Dest-储存到flash上的地址Src-原来的数据所在地址Len-复制的长度ExampleXSBASE255 flash kernelXSBASE

28、255 flash 0 xc0000 0 xa0000000 0 x100000UsageBootBoot opt1 opt2Boot addr opt1 opt2Description驱动SDRAM上的 kernel通过相应 arguments 驱动 或者驱动相应地指的kernel。ArgumentsOpt1 kernel option(Only 0)Opt2 machine type(X-Hyer255:200)Addr kernel image addressExampleXSBASE255 bootXSBASE255 boot 0 200XSBASE255 boot 0 xa00080

29、00 0 200实验二 U-BOOT的分析和移植（1）U-BOOT的特点 在线读写Flash、DOC、IDE、IIC、EEROM、RTC 支持串行口kermit和S-record下载代码识别二进制、ELF32、uImage格式的Image，对Linux引导有特别的支持单任务软件运行环境 脚本语言支持(类似BASH脚本)支持WatchDog、LCD logo和状态指示功能等 支持MTD和文件系统 支持中断 详细的开发文档 实验二 U-BOOT的分析和移植（2）U-BOOT源代码结构board：和一些已有开发板相关的文件 common：与体系结构无关的文件，实现各种命令的C文件 cpu：CPU相关

30、文件 disk：disk驱动的分区处理代码doc：文档 drivers：通用设备驱动程序 fs:支持文件系统的文件 net：与网络有关的代码 lib_arm：与ARM体系结构相关的代码tools：创建S-Record格式文件 和U-BOOT images的工具 实验二 U-BOOT的分析和移植（3）对U-BOOT的移植建立自己开发板的目录和相关文件 在include/configs目录中添加头文件xsbase.h 在board/目录下新建xsbase目录，创建如下文件：flash.c、memsetup.S、xsbase.c、Makefile和u-boot.lds添加网口设备控制程序，cs890

31、0网口设备的控制程序cs8900.c 和cs8900.h 实验二 U-BOOT的分析和移植（4）修改Makefile 在u-boot-1.1.2/Makefile中加入：xsbase_config:unconfig./mkconfig$(:_config=)arm pxa xsbase实验二 U-BOOT的分析和移植（5）生成目标文件先运行make clean 然后运行make xsbase_config 再运行make all生成三个文件：u-bootELF格式的文件，可以被大多数Debug程序识别。u-boot.bin二进制bin文件，这个文件一般用于烧录到用户开发板中。u-boot.srecMotorola S-Record格式，可以通过串行口下载到开发板中 实验二 U-BOOT的分析和移植（6）通过JTAG口将u-boot.bin烧写到Flash的零地址，复位后执行u-boot 输入help得到所有命令列表