分类： LINUX
2010-05-24 18:47:08
Bootloader一词在嵌入式系统中应用广泛，中文意思可以解释为“启动加载器”。顾名思义，Bootloader是一个在系统启动时工作的软件。由于启动时候涉及硬件和软件的启动，所以Bootloader是一个涉及硬件和软件衔接的重要系统软件。本章从Bootloader的原理出发，分析Bootloader的基本功能，同时介绍了常见的Bootloader系统软件，并且给出了U-Boot这款Bootloader在mini2440开发板的移植过程。本章的主要内容如下：
● Bootloader的基本知识和工作原理；
● 常见的几种Bootloader介绍和对比；
● U-Boot的工程结构和工作流程；
● 移植U-Boot到mini2440开发板。
对于没有接触过嵌入式系统的人来说，Bootloader的功能虽然可以理解，但是缺乏一个直观的认识。本节以大家熟知的PC为例，介绍PC的启动工作流程，然后引入嵌入式Bootloader的概念，给读者一个感性的认识，帮助初学者揭开嵌入式系统Bootloader的 面纱。
不少初学者都会对标题有或多或少的疑惑，觉得PC从哪里来的Bootloader。很少有人会说PC有Bootloader。实际上PC的BIOS（主板上固化的一段程序，常说的“基本输入输出系统”）和硬盘或其他磁盘设备的引导记录在扮演着和嵌入式系统中Bootloader类似的作用，读者可以把这两部分的系统程序理解为PC的Bootloader。
Bootloader是系统加电后运行的第一段程序，一般来说，Bootloader为了保证整个系统的启动速度，要在很短的时间内运行。PC的Bootloader由BIOS和MBR组成。其中，BIOS固化在PC主板的一块内存内；MBR是PC内硬盘主引导扇区（Master Boot Recorder）的缩写。
PC上电后，首先执行BIOS的启动程序。然后根据用户配置，由BIOS加载硬盘MBR的启动数据。BIOS把硬盘MBR的数据读取到内存，然后把系统的控制权交给保存在MBR的操作系统加载程序（OS Loader）。操作系统加载程序继续工作，直到加载操作系统内核，再把控制权交给操作系统内核。
PC的体系结构相对固定，多数厂商采用相同的架构，甚至外部设备的连接方式都完全相同。并且，PC有统一的设计规范，操作系统和开发人员不用为系统启动发愁，启动的工作都是由BIOS来完成的。不仅如此，PC的BIOS还为操作系统提供了访问底层硬件的中断调用。
嵌入式系统就没有这么幸运了，在绝大多数的嵌入式系统上是没有类似PC的BIOS的系统程序的。由于嵌入式系统需求复杂多变，需要根据用户需求来设计硬件系统甚至软件系统，很难有一个统一的标准。嵌入式系统每个系统的启动代码都是不完全相同的，这就增加了开发设计的工作。
嵌入式系统虽然硬件差异大，但是仍然有相同的规律可循。在同一体系结构上，外部设备的连接方式、工作方式可能不同，但是CPU的指令、编程模型是相同的。由于和PC系统的差异，在嵌入式系统中，需要开发人员自己设计Bootloader。所幸的是，开发人员不用从零开始为每个系统编写代码，一些开源软件组织以及其他公司已经设计出了适合多种系统的Bootloader。这些Bootloader软件实际上是为嵌入式系统设计的一个相对通用的框架。开发人员只需要根据需求，按照不同体系结构的编程模型，以及硬件连接结构，设计与硬件相关的代码，省去了从头开发的繁琐流程。
Bootloader是嵌入式软件开发的第一个环节，它把嵌入式系统的软件和硬件紧密衔接在一起，对于一个嵌入式设备的后续开发至关重要。Bootloader初始化目标硬件，给嵌入式操作系统提供硬件资源信息，并且装载嵌入式操作系统。在嵌入式开发过程中Bootloader往往是难点，开源的Bootloader在设计思想上往往有一些相同之处。本节将介绍两款常见的Bootloader供读者参考。
U-Boot是一个规模庞大的开源Bootloader软件，最初是由denx（）发起。U-Boot的前身是PPCBoot，目前是SourceForge（）的一个项目。
最初的U-Boot仅支持PowerPC架构的系统，称做PPCBoot。从0.3.2官方版本之后开始逐步支持多种架构的处理器，目前可以支持PowerPC（MPC5xx、MPC8xx、MPC82xx、MPC7xx、MPC74xx）、ARM（ARM7、ARM9、StrongARM、Xscale）、MIPS（4kc、5kc）、X86等处理器，支持的嵌入式操作系统有Linux、Vx-Works、NetBSD、QNX、RTEMS、ARTOS、LynxOS等，是PowerPC、ARM9、Xscale、X86等系统通用的Boot方案。
U-Boot支持的处理器和操作系统很多，但是它对PowerPC系列处理器和Linux操作系统支持最好。U-Boot支持的功能也较多，对于嵌入式开发常用的查看、修改内存，从网络下载操作系统镜像等功能都提供了很好的支持。U-Boot的项目更新较快，支持的目标板众多，是学习底层开发很好的示例。
ViVi是韩国的mizi公司专门针对ARM9处理器设计的一款Bootloader。它的特点是操作简便，同时提供了完备的命令体系，目前在三星系列的ARM9处理器上ViVi也比较流行。
与U-Boot相比，由于ViVi支持的处理器单一，ViVi的代码也要小很多。同时，ViVi的软件架构和配置方法采用和Linux内核类似的风格，对于有过配置编译Linux内核经验的读者，ViVi更容易上手。
与其他的Bootloader一样，ViVi有两种工作模式：启动加载模式和下载模式。使用启动加载模式，在目标板上电后，ViVi会从预先配置好的Flash分区读取Linux或者其他系统的镜像并且启动系统；使用下载模式，ViVi向用户提供了一个命令行接口，通过该接口用户可以使用ViVi提供的命令。ViVi主要提供了5个命令如下：
● Load：把二进制文件载入Flash或RAM。
● Part：操作MTD分区信息。显示、增加、删除、复位、保存MTD分区。
● Param：设置参数。
● Boot：启动系统。
● Flash：管理Flash，如删除Flash的数据。
与Linux内核的组织类似，ViVi的源代码主要包括arch、init、lib、drivers和include等几个目录，共200多个代码文件。各目录的具体功能请参考ViVi相关的信息。
