一种新的BootLoader启动引导方式研究

摘要 在中大规模的系统开发中，往往需要对系统内核进行加载和。现有的加载方式大多需要目标机与宿主机间的线路连接，使用起来不方便且效率不高。本文在分析现有的加载和方式的基础上，提出一种改进方法，即采用基于的可移动设备作为加载和内核的载体，并分析其加载和的具体过程。

关键词       

引言

　　通常称为“系统的引导加载程序”，是系统加电或复位后执行的第一段程序代码[1]。这段程序的主要任务是，实现硬件设备初始化并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。通常，包含两种不同的加载和方式，即启动加载方式和下载方式。

　　① 启动加载（boot loading）方式。这种引导方式也称为“自主（autonomous）引导方式”，也即从目标机的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中并引导运行，整个过程并没有用户的介入。这种引导方式是的正常工作模式下普遍采用的一种引导方式。因此在产品发布的时候，一般以这种引导方式对内核代码进行。

　　② 下载（down loading）方式。在这种引导方式下目标机上的将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机下载文件，如下载应用程序、数据文件、内核映像等。从主机下载的文件通常首先被保存到目标机的RAM中，然后再被写到目标机上的固态存储设备中，其后完成内核的引导运行。的这种引导方式通常在系统研发和更新时使用。

　　在系统研发阶段，现有的下载引导方式又可根据加载途径的不同细分为以下几种：

　　① 通过Ethernet网口从宿主机下载内核到目标板，从而实现软件系统启动；
　　② 通过串口从宿主机下载内核到目标板从而实现软件系统启动；
　　③ 直接从Flash中提取已存储的内核，从而实现软件系统的启动。

　　总结以上几种引导方式会发现，它们有些共同的弊端；在系统调试时需要进行宿主机与目标板间的硬件线路的实际连接，使用起来不够方便，且烧片的速度比较缓慢，调试的效率不高；硬件方面需要大容量的Flash的支持，增加了研发成本；进行内核更新时显得不够灵活。为此，采用可移动的存储介质对系统内核进行存储（如SD卡、CF卡等），从而实现对系统内核的灵活调试和引导。这种引导方式的好处是，在调试时无需把宿主机和目标板进行硬件连接，提高了调试的效率，使用起来更便捷、更灵活；进行内核更新时显得更为灵活，只需把更新内核转存到指定目录，此外它的实现也比较简单。进行这方面的改进时只需做以下工作：在硬件方面，增加针对特定移动存储介质的硬件电路，而在中大型系统中，有关移动存储介质的硬件电路（如SD卡、CF卡等相关的电路）是现成的，所以硬件部分也可忽略；在程序内部，只需添加对移动存储介质（如CF卡、SD卡等）基于文件系统进行存储访问的指令。按此思路，在已有硬件平台的基础上针对移动设备SD卡对原有进行了改进。下面介绍实现过程。

1  硬件平台

　　本次改进测试的硬件平台是由英蓓特公司开发的基于 ARM控制器的LPC22EB06I实验平台。其上的主要功能模块有：

　　① 2 MB的Flash、1 MB的SRAM（可扩展到4 MB）、256B具有I2C接口的E2PROM等存储器；
　　② 2个RS232（其中一路可接Modem）、RS485、CAN等通信总线接口；
　　③ 2个调试接口：LPT和JTAG调试接口；
　　④ 支持CF卡、SD/MMC等移动存储介质；
　　⑤ 支持128×128真彩显示。

　　图1是其硬件功能框图。

图1  LPC22EB06I开发平台功能框图

2  的改进设计

2.1  原有功能

　　原来的具有如下功能：

　　① 串口下载功能，通过串口下载内核到指定RAM区；
　　② Flash烧写功能，从RAM区烧写数据到Flash中；
　　③ 数据区内块搬移功能；
　　④ 其他功能。其指令封装结构如下：

struct _CMD_TBL {
　　char *cmd;//命令字
　　bool(*run)(struct _CMD_TBL*cptr,int argc,char**argv);//指向具体的功能处理函数
　　char*usage;//命令使用方法信息
　　char*help;//帮助信息
　　char*helpMore;
};

　　例如，Flash烧写命令封装如下：

CMD_TBL_FLASH
　　{"flash",DoWriteToFlashBlocks,
　　"flash {loader/kernel/root} {block1/.../block16}\n"
" Copy to Flash from SDRAM of Area.\n"
"flash [dest] [src] [len]\n" \
" Copy to Flash from src to dest.\n",
"flash {loader/kernel/root} {block1/.../block16}\n"
" Copy to Flash from SDRAM.\n",
"flash {loader/kernel/root} {block1/.../block16}\n"
" Copy to Flash from SDRAM of Area.\n"
"flash [dest] [src] [len]\n"
" Copy to Flash from src to dest.\n"
}

其中，flash是其命令字；DoWriteToFlashBlocks为其处理方法的方法名；flash {loader/kernel/root} {block1/.../block16}和flash [dest] [src] [len]为其命令的使用格式（其中“{}”内为可选项，“[]”内为必选项）。

2.2  改进实验

　　此次改进就是在原有的基础上，增加对移动存储介质SD卡以FAT格式进行读取数据的指令来实现的。命令封装如下：
CMD_TBL_SD_READ
{"readSD", DoReadFromSDBlocks,
"readSD [filename] [addr] Read data from SD to SDRAM for startup.\n",
"readSD [filename] [addr] Read data from SD to SDRAM for startup.\n",
"readSD [filename] [addr] Read data from SD to SDRAM for startup.\n"
}
其功能是，在SD卡中把指定目录下的内核文件提取到SDRAM区域中，从而完成内核的加载。

　　另增加3条辅助指令，一条完成SD卡的格式化，另一条完成对系统内核的保存，最后一条完成对系统内核的启动加载。命令封装如下：
CMD_TBL_SD_FORMAT{
　　"formatSD",DoFormatSDCard,
　　"formatSDformat SD card with FAT\n",
　　"formatSDformat SD card with FAT\n",
　　"formatSDformat SD card with FAT\n"
}
CMD_TBL_SD_STORE{
　　"SDstore", DoStoreToSDBlocks,
　　"SDstore \[addr] {kernel/rootfs}\n"
　　"Store kernel/rootfs fromSDRAMto SD card.\n",
　　"SDstore [addr] {kernel/rootfs}\n"
　　"Store kernel/rootfs fromSDRAM to SD card.\n",
　　"SDstore [addr] {kernel/rootfs}\n"
　　"Store kernel/rootfs fromSDRAM to SD card.\n"
}
CMD_TBL_SD_LOAD{
　　"SDload", DoLoadFromSDBlocks,
　　"SDload [addr] {kernel/rootfs}\n"
　　"Load kernel/rootfs from SD card toSDRAM.\n",
　　"SDstore [addr] {kernel/rootfs}\n"
　　"Load kernel/rootfs from SD card toSDRAM.\n",
　　"SDstore [addr] {kernel/rootfs}\n"
　　"Load kernel/rootfs from SD card toSDRAM.\n"
}

　　其中，CMD_TBL_SD_FORMAT的功能是完成对SD卡的格式化，CMD_TBL_SD_STORE的功能是把SDRAM区域中的内核代码备份到SD卡的固定存储区，CMD_TBL_SD_LOAD的功能是把SD卡的固定存储区中的内核代码加载到指定的SDRAM区域中。

　　下面分析一下其基于的具体读取和备份方法。首先看一下的基本结构。的整体结构大体由4大部分组成：MBR区（主引导记录区）、DBR区（DOS引导记录区）、FAT区（文件分配表区，FAT1为主文件分配表区，FAT2为备份文件分配表区）和 DATA区（数据区，包含FDT区——文件目录表区）。结构如下：

　　其各个区域基扇区地址（把MBR区的基扇区地址作为0）计算如下：

　　DBR区的基扇区地址=MBR基扇区地址+63
　　FAT表的基扇区地址=DBR的基扇区地址+保留扇区数
　　FDT区基扇区地址=每FAT表扇区数×FAT表个数+（FDT区的开始簇号2）×每簇扇区数+FAT表基扇区地址。（簇是系统进行文件管理的单位，FAT表中的每一项对应一个簇，文件的存取按簇进行，一簇包含若干个扇区。）

　　从的组织结构可以看出，从SD卡中读取系统内核代码数据到指定的RAM区比较容易，就是根据系统内核文件名在文件系统中进行查找定位，随后完成读取。对于内核代码的备份和加载，需要在深入分析的组织结构的基础上对SD卡格式化作一些处理。在格式化时，通过设置MBR 区和DBR区的数据实现不对SD卡存储区的最末8 MB区域（根据实际需要可增减）作格式化处理的目的，即把它置为RAW区。所以系统内核备份的实现，就是把系统内核代码通过SD卡的写入指令填充到RAW 区。系统内核的加载是从RAW区直接读取备份的内核代码。

3  总结

　　本文所述的内核加载方式已经过实践验证。它实现了目标板与宿主机间硬件线路连接的完全脱离，为系统调试者提供了便利，有效地提高了系统调试的效率；与此同时，它还能方便地实现系统的在线更新。可以说要进行系统设计，此方法是一个不错的选择。最后说明一点，本文介绍的 改进方法是在LCP2294芯片开发的LPC22EB06I实验平台上完成的。由于与处理器的体系结构和具体板级设备的配置密切相关，若要在其他的处理器芯片或平台上采用上述方法，还需对中与处理器体系结构相关的代码作适当的修改。这部分不是本文探讨的主要内容，所以在此不再详述，若有读者还想详细了解相关内容，请查阅相关论文或书籍。

参考文献

[1]  徐宇清，黄彦平，等.S3C44B0X的Bootloader技术分析[J].上海理工大学学报，2005，27（4）：369-372.
[2]  袁建东，赵强，郑见灵. Windows系统下FAT32分区信息分析与获取方法[J].河北工业科技，2007,24（1）:11-14.
[3]  Microsoft Corporation. Microsoft Extensible Firmware Initiative FAT32 File System Specification. Version 1.03,200012.
[4]  SanDisk Corporation. SanDisk Secure Digital Card Product Manual. Version 2.2,200409.
[5]  Zeror. 硬盘原理的详细分析[OL]. .

李波(硕士研究生)，研究方向为系统设计。