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分类： C/C++
2013-11-14 15:19:24
Bootloader 即引导加载程序，是系统加电后运行的第一段软件代码。简单的说它们都是bootloader，所完成的任务也大同小异。
熟悉x86体系结构的朋友肯定知道，x86平台上bootloader 是由 BIOS和位于硬盘MBR中的OS Bootloader(比如Lilo 和 Grub)组成的。BIOS完成硬件的检测和资源的分配后，将硬盘MBR中的bootloader读到系统RAM中，之后此bootloader 就会开始进行主导，将内核搬到内存中以及进行一些必要的初始化工作，之后跳到内核的入口地址来执行，这样内核就开始启动，也就是系统就启动起来了。
这里不得不插入一个话题，通过上面的介绍，细心的朋友就会产生一个疑问：为什么要有bootloader？既然bootloader只是作硬件的初始化并将内核引导起来，那为什么不直接将这段代码加到内核中，直接启动内核就完成所有的工作？实际上要将bootloader与内核整合在一起是完全可以做到的，但是如果这样作的話，内核就会失去他的通用性和灵活性，并且将bootloader与内核分开会更有利于开发和管理，将启动过程中与平台硬件相关的代码集合成bootloader，内核就可以集中处理那些平台通用的部分了（当然实际上并没有这么严格的划分，内核中还是会有一些平台相关的代码，不过已经算是比较通用的了）。
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一个ARM程序包含3部分：RO，RW和ZI
RO是程序中的指令和常量；RO就是readonly，
RW是程序中的已初始化变量； RW就是read/write，
(2) ARM映像文件的组成
所谓ARM映像文件就是指烧录到ROM中的bin文件，也成为image文件。以下用Image文件来称呼它。Image文件包含了RO和RW数据。之所以Image文件不包含ZI数据，是因为ZI数据都是0，没必要包含，只要程序运行之前将ZI数据所在的区域一律清零即可。包含进去反而浪费存储空间。
Q：为什么Image中必须包含RO和RW？
A：因为RO中的指令和常量以及RW中初始化过的变量是不能像ZI那样“无中生有”的。
实际上，ROM中的指令至少应该有这样的功能：
1. 将RW从ROM中搬到RAM中，因为RW是变量，变量不能存在ROM中。
2. 将ZI所在的RAM区域全部清零，因为ZI区域并不在Image中，所以需要程序根据编译器给出的ZI地址及大小来将相应得RAM区域清零。ZI中也是变量，同理：变量不能存在ROM中.在程序运行的最初阶段，RO中的指令完成了这两项工作后C程序才能正常访问变量。否则只能运行不含变量的代码。
下面我将给出几个例子，最直观的来说明RO，RW，ZI在C中是什么意思。
1; RO
看下面两段程序，他们之间差了一条语句，这条语句就是声明一个字符常量。因此按照我们之前说的，他们之间应该只会在RO数据中相差一个字节（字符常量为1字节）。
Prog1：
＃include
void main(void)
{
;
}
Prog2：
＃include
const char a = 5；
void main(void)
{
;
}
Prog1编译出来后的信息如下：
================================================================================
Code RO Data RW Data ZI Data Debug
948 60 0 96 0 Grand Totals
================================================================================
Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)
Total RW Size(RW Data + ZI Data) 96 ( 0.09kB)
Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)
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Prog2编译出来后的信息如下：
================================================================================
Code RO Data RW Data ZI Data Debug
948 61 0 96 0 Grand Totals
================================================================================
Total RO Size(Code + RO Data) 1009 ( 0.99kB)
Total RW Size(RW Data + ZI Data) 96 ( 0.09kB)
Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1009 ( 0.99kB)
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以上两个程序编译出来后的信息可以看出：
Prog1和Prog2的RO包含了Code和RO Data两类数据。他们的唯一区别就是Prog2的RO Data比Prog1多了1个字节。这正和之前的推测一致。如果增加的是一条指令而不是一个常量，则结果应该是Code数据大小有差别。
2; RW
同样再看两个程序，他们之间只相差一个“已初始化的变量”，按照之前所讲的，已初始化的变量应该是算在RW中的，所以两个程序之间应该是RW大小有区别。
Prog3：
＃include
void main(void)
{
;
}
Prog4：
＃include
char a = 5；
void main(void)
{
;
}
Prog3编译出来后的信息如下：
================================================================================
Code RO Data RW Data ZI Data Debug
948 60 0 96 0 Grand Totals
================================================================================
Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)
Total RW Size(RW Data + ZI Data) 96 ( 0.09kB)
Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)
================================================================================
Prog4编译出来后的信息如下：
================================================================================
Code RO Data RW Data ZI Data Debug
948 60 1 96 0 Grand Totals
================================================================================
Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)
Total RW Size(RW Data + ZI Data) 97 ( 0.09kB)
Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1009 ( 0.99kB)
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可以看出Prog3和Prog4之间确实只有RW Data之间相差了1个字节，这个字节正是被初始化过的一个字符型变量“a”所引起的。
再看两个程序，他们之间的差别是一个未初始化的变量“a”，从之前的了解中，应该可以推测，这两个程序之间应该只有ZI大小有差别。
Prog3：
＃include
void main(void)
{
;
}
Prog4：
＃include
char a；
void main(void)
{
;
}
Prog3编译出来后的信息如下：
================================================================================
Code RO Data RW Data ZI Data Debug
948 60 0 96 0 Grand Totals
================================================================================
Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)
Total RW Size(RW Data + ZI Data) 96 ( 0.09kB)
Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)
================================================================================
Prog4编译出来后的信息如下：
================================================================================
Code RO Data RW Data ZI Data Debug
948 60 0 97 0 Grand Totals
================================================================================
Total RO Size(Code + RO Data) 1008 ( 0.98kB)
Total RW Size(RW Data + ZI Data) 97 ( 0.09kB)
Total ROM Size(Code + RO Data + RW Data) 1008 ( 0.98kB)
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编译的结果完全符合推测，只有ZI数据相差了1个字节。这个字节正是未初始化的一个字符型变量“a”所引起的。
注意：如果一个变量被初始化为0，则该变量的处理方法与未初始化华变量一样放在ZI区域。
即：ARM C程序中，所有的未初始化变量都会被自动初始化为0。
总结： 1; C中的指令以及常量被编译后是RO类型数据。
2; C中的未被初始化或初始化为0的变量编译后是ZI类型数据。
3; C中的已被初始化成非0值的变量编译后市RW类型数据。
RAM主要指：PSRAM，SDRAM，SRAM，DDRAM
(5) Image$$??$$Limit 的含义
=0x0c100000+Tatal RO size+1
= 0x0c200000+0x37（4的倍数,0到55，共56个单元）
vivi是mizi开发的用于s3c241x/s3c244x 的linux bootloader，友善之臂移植了USB 下载功能后就成了现在看到的supervivi；u-boot是一个广泛用于ARM平台的bootloader, 目前也支持s3c241x/s3c244x，可以用来启动Linux；Eboot是WinCE平台下的bootloader。uboot就是通过usb来下载os image文件的bootloader; eboot就是通过ethernet下载os image的bootloader。
而嵌入式平台上就跟x86不一样了，但是很类似，而且因为不同的平台架构本身的特点，每种平台对应的bootloader做得事情会有所不同，相对x86平台，一般不会有bios(但是这些都不是绝对的，有一些平台也会有内嵌类似bios的启动程序)，整个系统的引导加载都由存放在flash,rom等存储设备特定位置的bootloader来完成。如arm平台中的2410，2440，bootloader存在在flash中的0x0的地方，板子加电后，系统会将bootloader的最前面的4k代码通过硬件逻辑自动的装载到SRAM中，之后从SRAM中的0开始执行，在这4k的程序中会完成基本的硬件的初始化，将完整的bootloader搬到内存中，并跳转到ram中的bootloader来进行继续执行。
回到之前所说的，bootloader启动起来之后，通常会有两种操作模式：
启动加载模式就是一上电，bootloader进行相关的初始化之后就马上把内核启动起来，注意关键的地方在整个过程中没有用户的参与，这种其实也就是bootloader的默认处理，一般的产品设计ok进行最后的发布时，就会处于此种状态。
下载模这种模式，大家肯定非常熟悉，就是大家在进行开发的时候所处的环境，我们经常使用的tftp, erase, cp.b 等命令将相关的bin,img文件烧到板子上，这种情况下其实就是处于bootloader的执行环境下，所以一定意义来说，大多的bootloader其实就是一个嵌入式操作系统，只是它的功能不强，不像linux的结构那么复杂，而且也不会支持多进程多线程处理。
bootloader 种类和分类
这里的分类实际上是依据上面的bootloader的操作模式来进行划分的，根据一个系统是否支持上面的下载模式我们这里将bootloader划分为bootloader和monitor（这不是我划分的，恩，是从别人的文章中引述过来的，不过我觉得他说的很有道理）， 这里”bootloader”是指只是引导设备与执行主程序的固件，而”monitor”是指不仅拥有bootloader功能的，还能够进入下载模式的固件。
(1)、ARM程序的组成
此处所说的“ARM程序”是指在ARM系统中正在执行的程序，而非保存在ROM中的bin映像（image）文件，这一点清注意区别。
ZI是程序中的未初始化的变量；ZI就是zero；
(3)ARM程序的执行过程
从以上两点可以知道，烧录到ROM中的image文件与实际运行时的ARM程序之间并不是完全一样的。因此就有必要了解ARM程序是如何从ROM中的image到达实际运行状态的。
3; ZI
(4) ROM主要指：NAND Flash，Nor Flash
对于刚学习ARM的人来说，如果分析它的启动代码，往往不明白下面几个变量的含义：|Image$$RO$$Limit|、|Image$$RW$$Base|、|Image$$ZI$$Base|。
当把程序编写好以后，就要进行编译和链接了，在ADS1.2中选择MAKE按钮，会出现一个Errors and Warnings的对话框，在该栏中显示编译和链接的结果，如果没有错误，在文件的最后应该能看到Image component sizes，后面紧跟的依次是Code，RO Data ，RW Data ，ZI Data ，Debug 各个项目的字节数，最后会有他们的一个统计数据：
Code 163632 ，RO Data 20939 ，RW Data 53 ，ZI Data 17028
Tatal RO size (Code+ RO Data) 184571 (180.25kB)
Tatal RW size(RW Data+ ZI Data) 17081(16.68 kB)
Tatal ROM size(Code+ RO Data+ RW Data) 184624(180.30 kB)
后面的字节数是根据用户不同的程序而来的，下面就以上面的数据为例来介绍那几个变量的计算。
在ADS的Debug Settings中有一栏是Linker/ARM Linker，在output选项中有一个RO base选项，
假如 RO base设置为0x0c100000，后面的RW base 设置为0x0c200000，然后在Options选项中有Image entry point ，是一个初始程序的入口地址，设置为0x0c100000 。
有了上面这些信息我们就可以完全知道这几个变量是怎么来的了：
|Image$$RO$$Base| = Image entry point =RO base =0x0c100000 ;表示程序代码存放的起始地址
|Image$$RO$$Limit|=程序代码起始地址+代码长度+1
= 0x0c100000 + 184571 + 1 = 0x0c100000 +0x2D0FB + 1
= 0x0c12d0fc
|Image$$RW$$Base| = 0x0c200000=RW base 地址指定
|Image$$RW$$Limit| =|Image$$RW$$Base|+ RW Data 53
=0x0c200037
|Image$$ZI$$Base| = |Image$$RW$$Limit| + 1 =0x0c200038
|Image$$ZI$$Limit| = |Image$$ZI$$Base| + ZI Data 17028
=0x0c200038 + 0x4284
=0x0c2042bc
也可以由此计算：
|Image$$ZI$$Limit| = |Image$$RW$$Base| +TatalRWsize(RWData+ZIData) 17081
=0x0c200000+0x42b9+3（要满足4的倍数）
=0x0c2042bc
