Bootloader的基本概念以及內部原理

u-boot是一種普遍用于嵌入式系統(tǒng)中的Bootloader。

Bootloader介紹

Bootloader是進行嵌入式開發(fā)必然會接觸的一個概念，它是嵌入式學院嵌入式工程師職業(yè)培訓班>二期課程中嵌入式linux系統(tǒng)開發(fā)方面的重要內容。本篇文章主要講解Bootloader的基本概念以及內部原理，這部分內容的掌握將對嵌入式linux系統(tǒng)開發(fā)的學習非常有幫助!

Bootloader的定義：Bootloader是在操作系統(tǒng)運行之前執(zhí)行的一小段程序，通過這一小段程序，我們可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射表，從而建立適當?shù)南到y(tǒng)軟硬件環(huán)境，為最終調用操作系統(tǒng)內核做好準備。意思就是說如果我們要想讓一個操作系統(tǒng)在我們的板子上運轉起來，我們就必須首先對我們的板子進行一些基本配置和初始化，然后才可以將操作系統(tǒng)引導進來運行。具體在Bootloader中完成了哪些操作我們會在后面分析到，這里我們先來回憶一下PC的體系結構：PC機中的引導加載程序是由BIOS和位于硬盤MBR中的OS Boot Loader(比如LILO和GRUB等)一起組成的，BIOS在完成硬件檢測和資源分配后，將硬盤MBR中的Boot Loader讀到系統(tǒng)的RAM中，然后將控制權交給OS Boot Loader。Boot Loader的主要運行任務就是將內核映象從硬盤上讀到RAM中，然后跳轉到內核的入口點去運行，即開始啟動操作系統(tǒng)。在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像BIOS那樣的固件程序(注：有的嵌入式cpu也會內嵌一段短小的啟動程序)，因此整個系統(tǒng)的加載啟動任務就完全由Boot Loader來完成。比如在一個基于ARM7TDMI core的嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)在上電或復位時通常都從地址0x00000000處開始執(zhí)行，而在這個地址處安排的通常就是系統(tǒng)的Boot Loader程序。(先想一下，通用PC和嵌入式系統(tǒng)為何會在此處存在如此的差異呢?)

Bootloader是基于特定硬件平臺來實現(xiàn)的，因此幾乎不可能為所有的嵌入式系統(tǒng)建立一個通用的Bootloader，不同的處理器架構都有不同的Bootloader，Bootloader不但依賴于cpu的體系結構，還依賴于嵌入式系統(tǒng)板級設備的配置。對于2塊不同的板子而言，即使他們使用的是相同的處理器，要想讓運行在一塊板子上的Bootloader程序也能運行在另一塊板子上，一般也需要修改Bootloader的源程序。

Bootloader的啟動方式

Bootloader的啟動方式主要有網(wǎng)絡啟動方式、磁盤啟動方式和Flash啟動方式。

1、網(wǎng)絡啟動方式

圖1 Bootloader網(wǎng)絡啟動方式示意圖

如圖1所示，里面主機和目標板，他們中間通過網(wǎng)絡來連接，首先目標板的DHCP/BIOS通過BOOTP服務來為Bootloader分配IP地址，配置網(wǎng)絡參數(shù)，這樣才能支持網(wǎng)絡傳輸功能。我們使用的u-boot可以直接設置網(wǎng)絡參數(shù)，因此這里就不用使用DHCP的方式動態(tài)分配IP了。接下來目標板的Bootloader通過TFTP服務將內核映像下載到目標板上，然后通過網(wǎng)絡文件系統(tǒng)來建立主機與目標板之間的文件通信過程，之后的系統(tǒng)更新通常也是使用Boot Loader的這種工作模式。工作于這種模式下的Boot Loader通常都會向它的終端用戶提供一個簡單的命令行接口。

2、磁盤啟動方式

這種方式主要是用在臺式機和服務器上的，這些計算機都使用BIOS引導，并且使用磁盤作為存儲介質，這里面兩個重要的用來啟動linux的有LILO和GRUB，這里就不再具體說明了。

3、flash啟動方式

這是我們最常用的方式。Flash有NOR Flash和NAND Flash兩種。NOR Flash可以支持隨機訪問，所以代碼可以直接在Flash上執(zhí)行，Bootloader一般是存儲在Flash芯片上的。另外Flash上還存儲著參數(shù)、內核映像和文件系統(tǒng)。這種啟動方式與網(wǎng)絡啟動方式之間的不同之處就在于，在網(wǎng)絡啟動方式中，內核映像和文件系統(tǒng)首先是放在主機上的，然后經(jīng)過網(wǎng)絡傳輸下載進目標板的，而這種啟動方式中內核映像和文件系統(tǒng)則直接是放在Flash中的，這兩點在我們u-boot的使用過程中都用到了。

U-boot的定義

U-boot，全稱Universal Boot Loader，是由DENX小組的開發(fā)的遵循GPL條款的開放源碼項目，它的主要功能是完成硬件設備初始化、操作系統(tǒng)代碼搬運，并提供一個控制臺及一個指令集在操作系統(tǒng)運行前操控硬件設備。U-boot之所以這么通用，原因是他具有很多特點：開放源代碼、支持多種嵌入式操作系統(tǒng)內核、支持多種處理器系列、較高的穩(wěn)定性、高度靈活的功能設置、豐富的設備驅動源碼以及較為豐富的開發(fā)調試文檔與強大的網(wǎng)絡技術支持。另外u-boot對操作系統(tǒng)和產(chǎn)品研發(fā)提供了靈活豐富的支持，主要表現(xiàn)在：可以引導壓縮或非壓縮系統(tǒng)內核，可以靈活設置/傳遞多個關鍵參數(shù)給操作系統(tǒng)，適合系統(tǒng)在不同開發(fā)階段的調試要求與產(chǎn)品發(fā)布，支持多種文件系統(tǒng)，支持多種目標板環(huán)境參數(shù)存儲介質，采用CRC32校驗，可校驗內核及鏡像文件是否完好，提供多種控制臺接口，使用戶可以在不需要ICE的情況下通過串口/以太網(wǎng)/USB等接口下載數(shù)據(jù)并燒錄到存儲設備中去(這個功能在實際的產(chǎn)品中是很實用的，尤其是在軟件現(xiàn)場升級的時候)，以及提供豐富的設備驅動等。

u-boot源代碼的目錄結構

1、board中存放于開發(fā)板相關的配置文件，每一個開發(fā)板都以子文件夾的形式出現(xiàn)。

2、Commom文件夾實現(xiàn)u-boot行下支持的命令，每一個命令對應一個文件。

3、cpu中存放特定cpu架構相關的目錄，每一款cpu架構都對應了一個子目錄。

4、Doc是文檔目錄，有u-boot非常完善的文檔。

5、Drivers中是u-boot支持的各種設備的驅動程序。

6、Fs是支持的文件系統(tǒng)，其中最常用的是JFFS2文件系統(tǒng)。

7、Include文件夾是u-boot使用的頭文件，還有各種硬件平臺支持的匯編文件，系統(tǒng)配置文件和文件系統(tǒng)支持的文件。

8、Net是與網(wǎng)絡協(xié)議相關的代碼，bootp協(xié)議、TFTP協(xié)議、NFS文件系統(tǒng)得實現(xiàn)。

9、Tooles是生成U-boot的工具。

對u-boot的目錄有了一些了解后，分析啟動代碼的過程就方便多了，其中比較重要的目錄就是/board、/cpu、/drivers和/include目錄，如果想實現(xiàn)u-boot在一個平臺上的移植，就要對這些目錄進行深入的分析。

u-boot的啟動過程