BootLoader原理

BootLoader

1．BootLoader 的介绍

引导加载程序BootLoader 是系统加电后运行的第一段代码。我们熟悉的PC 中的引导程序一般由BIOS 和位于硬盘MBR中的OS bootloader（例如LILO 或者GRUB）一起组成。然而在嵌入式系统中通常没有像BIOS 那样的固件程序（有的嵌入式CPU 有），因此整个系统的加载启动任务就完全由bootloader 来完成。比如在一个基于ARM920T core 的嵌入式系统中，系统在上电或复位时都从地址0x00000000 开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader 程序。

简单地说，BootLoader 就是在操作系统内核或用户应用程序运行之前运行的一段小程序。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或用户应用程序准备好正确的环境。

bootloader 是依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式系统中。不同的体系结构需求的bootloader 是不同的；除了体系结构，bootloader 还依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。也就是说，对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们基于相同的CPU 构建，运行在其中一块电路板上的bootloader，未必能够运行在另一块电路开发板上。

Bootloader 的启动过程可以是单阶段的，也可以是多阶段的。通常多阶段的bootloader能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性。从固态存储设备上启动的bootloader 大多数是二阶段的启动过程，也即启动过程可以分为stage 1 和stage 2 两部分。

2．BootLoader 操作模式

大多数bootloader 都包含两种不同的操作模式：“启动加载”模式和“下载”模式，这种区别对于开发人员才有意义。但从最终用户的角度看，bootloader 的作用永远就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的启动加载模式与下载工作模式的区别。

启动加载模式：这种模式也称为“自主”模式，即bootloader 从目标机上的某个固体存储设备上将操作系统加载到RAM 中运行，整个过程没有用户的介入。这种模式是bootloader的正常工作模式，因此当以嵌入式产品发布的时候，bootloader 必须工作在这种模式下。

下载模式：在这种模式下，目标机上的bootloader 将通过串口或者网络连接或者其它通信手段从主机下载文件，比如：下载内核镜像和根文件系统镜像等。从主机下载的文件通常首先被bootloader 保存到目标机的RAM 中，然后被bootloader 写到目标机上的FLASH 类固态存储设备中。Bootloader 的这种模式通常在第一次安装内核与根文件系统时使用；此外，以后的系统更新也会使用bootloader 的这种工作模式。工作于这种模式下的bootloader 通常都会向它的中断用户提供一个简单的命令行接口。

 

3．bootloader 的功能说明和结构框架

1）结构框架

在设计时，我们将booloader 分为两个阶段：阶段1 (stage 1) 和阶段2 (stage 2)：

阶段1：用主要用汇编语言，它主要进行与CPU 核以及存储设备密切相关的处理工作，进行一些必要的初始化工作，是一些依赖于CPU 体系结构的代码，为了增加效率以及因为涉及到协处理器的设置，只能用汇编编写，这部分直接在FLASH 中执行；

阶段2：一般用C 语言来实现一般的流程以及对板级的一些驱动支持，这部分会被拷贝到RAM 中执行。这样设计的话，代码具有更好的可读性与移植性：若对于相同的CPU 以及存储设备，要增加外设支持，阶段1 的代码可以维护不变，只对阶段2 的代码进行修改；若要支持不同的CPU，则基础代码只需在阶段1 中修改。

bootloader 的阶段一(stage1)通常包括下面的步骤（以执行的先后顺序）：

（1） 一些基本硬件的初始化工作

（2） 为加载镜像2 准备RAM 空间（RAM 足够的情况下可以省略）

（3） 把镜像2 拷贝到RAM 空间

（4） 跳转到镜像2 的入口点（一般是C 入口点）

bootloader 的阶段二（stage2）通常包括下面的步骤（以执行的先后顺序）：

（1） 继续初始化相关硬件和相关功能性函数

（2） 进入命令行模式，等待功能性命令的输入来执行相应的功能，比如网络下载，启动操作系统内核。