BootLoader——嵌入式系统的引导加载程序

一、BootLoader的简介
- 1.1 BootLoader在固态存储设备中的位置
- 1.2 BootLoader的启动过程
- 1.3 BootLoader的操作模式
二、BootLoader的启动过程
- 2.1 BootLoader启动简介
- 2.2 BootLoader启动的stage1
- 2.3 BootLoader启动的stage2

引导加载程序（BootLoader）是系统上电后运行的第一段代码，在嵌入式系统中，通常没有像PC体系结构的BIOS固态启动程序，因此嵌入式系统的加载启动任务是由BootLoader来完成的。例如，基于ARM core的嵌入式系统中，系统在启动时通常从地址0x00000000处开始执行，在这个地址存放的通常是系统的BootLoader程序。

一、BootLoader的简介

BootLoader是操作系统内核系统运行之前，需要首先运行的一段小程序，通过BootLoader程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，为调用操作系统内核做好环境准备。
由于嵌入式系统硬件的多样性，且BootLoader与系统硬件具有密不可分的关系，因此，设计一个通用的Bootloader几乎是不可能的。然而，我们却可以归纳出一个通用的BootLoader概念，用以指导用户设计特定的BootLoader。

1.1 BootLoader在固态存储设备中的位置

系统上电或复位后，所有的CPU通常从CPU预先指定的起始地址上读取指令，嵌入式系统通常将某种类型的固态存储设备（例如ROM、EEPROM、FLASH等）安排在这个起始位置。下图就是一个同时安装了BootLoader、内核启动参数、内核映射和跟文件系统映像的固态存储设备的典型空间分配结构。

1.2 BootLoader的启动过程

BootLoader的启动过程分为单阶段（Single Stage）和多阶段（Multi-Stage）两种。通常多阶段的BootLoader能够提供更为复杂的功能与更好的移植性。从固态存储设备上启动BootLoader通常经过两个阶段启动（分为stage1和stage2）。由于启动过程比较复杂，因此这两个步骤的启动过程放到下面进一步展开讨论。

1.3 BootLoader的操作模式

BootLoader通常包括两种操作模式：启动加载（Boot Loading）模式和下载模式（Down Loading）模式。
1、启动加载模式
启动加载模式也成为自主（Autonomous）模式，即BootLoader从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行。这种模式是BootLoader的正常工作模式，因此嵌入式产品发布时，BootLoader应该工作该模式下。
2、下载模式
在该模式下，目标机上的BootLoader将通过串口连接或网络连接从主机（Host）上下载文件（通常包括内核映像与跟文件系统映像等）。从主机下载的文件通常首先被BootLoader保存到目标机（Target）的RAM中，最终被BootLoader载入到目标机的FLASH类固态存储设备中。在第一次安装内核、根文件系统时以及更新系统时两种情况下，BootLoader采用下载模式。

二、BootLoader的启动过程

2.1 BootLoader启动简介

嵌入式系统的内核映像、根文件系统映像可以运行于RAM、ROM以及FLASH设备上，本文以加载到RAM上为例讨论BootLoader的启动过程。
由于BootLoader的实现依赖于CPU的体系结构，并且通常分为两个阶段。其中，stage1通常对设备的代码进行初始化，并且通常是采用汇编语言实现的；而stage2通常采用C语言实现，以实现复杂功能，并可以使得代码具有很好的可读性与可移植性。BootLoader的stage1通常包括如下步骤：

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硬件初始化

为加载BootLoader的stage2准备RAM空间

拷贝BootLoader的stage2到RAM空间中

设置好堆栈

跳到stage2的C语言入口点

stage2通常包括以下步骤：

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初始化本阶段需要使用的硬件设备

检测系统内存映射

将内核映像与根间映像从FLASH载入到RAM中

为内核设置启动参数

调用内核

2.2 BootLoader启动的stage1

1、基本硬件初始化

BootLoader一开始就执行基本硬件初始化，其目的是为stage2执行以及kernel的执行的执行准备好基本的硬件环境。基本硬件初始化包括以下步骤：
（1）屏蔽所有中断：BootLoader的执行过程不必响应任何中断，为中断提供服务通常是操作系统驱动程序的责任。中断的屏蔽可以通过写CPU的中断屏蔽寄存器活状态寄存器来完成。
（2）设置CPU的速度和时钟频率。
（3）RAM初始化：正确地设置系统内存控制器的功能寄存器。
（4）初始化LED系统指示灯：通过GPIO来驱动LED系统指示灯，以表明系统的状态是正常的。
（5）关闭CPU内部指令/数据cache。
2、为加载stage2准备RAM空间
为了获得更快的执行速度，通常把stage2加载到RAM空间中执行，因此必须为加载BootLoader的stage2准备一段可用的RAM空间范围。为了便于表述，这里将RAM空间范围大小标记为：是stage2_size（字节），并把起始地址与终止地址分别标记为：stage2_start与stage2_end（这两个地址均以4字节边界对齐）：

stage2_end=stage2_start+stage2_end

另外，必须确保所安排的地址范围确定是可读写的RAM空间，并且需要对所安排的地址范围进行测试。具体测试方法为：以memory page（4K的倍数）作为测试单位，测试每个memory page开始的两个字是否可读写，为了便于后续的描述，将这种测试算法叫做test_mempage，其具体步骤如下：
（1）首先保存memory page开始的两个字的内容。
（2）向这两个字中写入任意的数字（比如0x12，0x13）。
（3）立刻将这两个字的内容读回，如果读回的内容为0x12，0x13，则说明这个memory page所占据的地址范围是一段有效的RAM空间，否则不是。
（4）恢复这两个字的原始内容，测试完毕。
3、拷贝stage2到RAM中
拷贝时需要确定两点：第一，stage2的可执行映像在固态存储设备的起始地址与终止地址；第二，RAM空间的起始地址。
4、设置堆栈指针sp
堆栈指针的设置是为执行C语言代码做好准备。
执行完以上四个步骤后，系统的物理内存布局如下图所示：
5、跳转到stage2的C语言入口点
至此，就可以跳转到BootLoader的stage2去执行了，在ARM系统中，通过修改PC寄存器指向合适的地址来实现跳转。

2.3 BootLoader启动的stage2

在该阶段，与普通C语言应用程序不同，在编译与连接BootLoader程序时，不能使用glibc库的任何支持函数。BootLoader启动过程中的stage2打流程如下所示：
1、初始化本阶段需要使用的硬件设备
首先许需要点亮系统指示LED等，这表明系统已经进入main()函数，并进而初始化至少一个串口，以便和终端用户进行I/O输出信息；还需要初始化计时器等硬件设备。初始化阶段完成后，系统就可以输出一些打印信息、程序名称字符串、版本号等。
2、检测系统的内存映射（memory map）
内存映射就是指在整个4GB物理地址空间中那些地址范围被分配以用作寻址系统的RAM单元。在具体的嵌入式系统中，CPU通常会预留处足够大的地址空间给RAM，而不一定预留全部的RAM地址空间。因此，BootLoader的stage2需要检测整个系统内存映射情况，划分清楚CPU预留的全部RAM地址空间中那些被真正映射到RAM地址单元，那些处于“unused”状态。
3、加载内核映像与根文件系统映像
内存映像与根文件系统映像的加载包括规划内存占用的布局与从FLASH上拷贝两个步骤：
（1）规划内存占用的布局
结合系统物理内存分布，规划内存布局的主要内容包括两个方面：第一，内核映像所占用的内存范围；第二，根文件系统所占用的内存范围。在规划内存占用的布局时，主要考虑基地址与映像大小两个方面。
对于内核映像，一般将其拷贝到从MEM_START+0x8000这个基地址开始的1MB的内存范围内（嵌入式Linux的内核一般都小于1MB）。这样就空出了从MEM_START到MEM_START+0x8000这段32KB大小的内存空间，在Linux内核中，这32KB的内存空间通常防止一些全局数据结构，如启动参数与内核页表等。
对于根文件系统映像，通常将其拷贝到MEM_START+0x00100000开始的地方，如果采用的是Ramdisk作为根文件系统映像，解压后的大小通常是1MB。
（2）从FLASH上拷贝
对于ARM嵌入式系统，CPU通常在统一的内存地址空间中寻址FLASH固态存储设备，并从FLASH上读取数据。通常，用一个简单的循环就可以完成从FLASH设备上拷贝映像的工作：

while(count){*dest++ = *src++; /* they are all aligned with word boundary */count -= 4; /*byte number 8/
};

4、设置内核的启动参数

在将内核映像与根文件系统映像拷贝到RAM空间后，就可以准备启动Linux内核了。但是在启动内核之前，通常需要根据需求，设置Linux内核的启动参数。
在Linux 2.4x版本以后，通常以标记列表（tagged list）形式来传递内核启动参数。启动参数标记列表以标记ATAG_CORE开始，以标记ATAG_NONE结束，每个标识包括内核启动参数的tag_header结构与参数结构，数据结构tag与tag_header定义在Linux内核源码的“include/asm/setup.h”头文件中。其中，BootLoader设置的常用启动参数包括ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。
5、调用内核
BootLoader调用Linux内核的方法是直接跳转到内核的第一条处，即直接跳转到MEM_START+0x8000地址处。在跳转时，应该满足以下条件：
（1）CPU寄存器的设置：R0=0；R1=机器类型ID；R2=启动参数标记列表在RAM中的起始基地址。
（2）CPU模式：必须禁止中断IRQs与FIQs；CPU必须处于SVC模式。
（3）cache与MMU的设置：MMU必须关闭；指令cache可以打开也可以关闭；数据cache必须关闭。

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翻译:胖胖秦预估稿费:120RMB 投稿方式:发送邮件至linwei#360.cn,或登陆网页版在线投稿前言在这篇博文中,我公开了OnePlus 3/3T引导加载程序中的两个漏洞.第一个CVE- ...
引导加载程序之争： LILO 和 GRUB
在不考虑他们的工作或专业情况下,所有 Linux 用户都会使用的是哪个工具?引导加载程序.通过本文了解引导加载程序的工作原理,认识两个流行的引导加载程序 LILO(LInux LOader)和 GNU ...
Linux加载Linux的引导程序,Linux的引导－引导加载程序：LILO和GRUB
打开计算机时,计算机执行存储在ROM中的引导代码,这些代码接下来尝试确定如何加载并启动内核.内核检测系统的硬件,然后产生系统的init进程,这个进程总是PID 1. 在出现登录提示符以前,要完成几项工 ...
备份linux分区到usb,将Linux引导加载程序备份到USB的方法
本文介绍如何将Linux引导加载程序备份到USB以应对紧急情况.大多数Linux操作系统使用的引导加载程序称为Grub,这是一个简单的工具,可以配置为在PC启动时从菜单启动Linux发行版以及其他操作 ...
Z-Wave 700应用程序框架第七章 - 固件更新和引导加载程序
本节的目的是描述如何生成和管理固件更新映像. ZW700 SDK附带三个引导加载程序映像. 一个是FG14模块的OTW图像. 这个引导加载程序只适用于运行SerialAPI的FG14设备. 另外两个引 ...

BootLoader——嵌入式系统的引导加载程序

BootLoader——嵌入式系统的引导加载程序

一、BootLoader的简介

1.1 BootLoader在固态存储设备中的位置

1.2 BootLoader的启动过程

1.3 BootLoader的操作模式

二、BootLoader的启动过程

2.1 BootLoader启动简介

2.2 BootLoader启动的stage1

2.3 BootLoader启动的stage2

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