嵌入式系統(tǒng) Boot Loader 技術(shù)內(nèi)幕(2)

在繼續(xù)本節(jié)的討論之前，首先我們做一個假定，那就是：假定內(nèi)核映像與根文件系統(tǒng)映像都被加載到 RAM 中運(yùn)行。之所以提出這樣一個假設(shè)前提是因為，在嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)核映像與根文件系統(tǒng)映像也可以直接在 ROM 或 Flash 這樣的固態(tài)存儲設(shè)備中直接運(yùn)行。但這種做法無疑是以運(yùn)行速度的犧牲為代價的。

從操作系統(tǒng)的角度看，Boot Loader 的總目標(biāo)就是正確地調(diào)用內(nèi)核來執(zhí)行。

另外，由于 Boot Loader 的實現(xiàn)依賴于 CPU 的體系結(jié)構(gòu)，因此大多數(shù) Boot Loader 都分為 stage1 和 stage2 兩大部分。依賴于 CPU 體系結(jié)構(gòu)的代碼，比如設(shè)備初始化代碼等，通常都放在 stage1 中，而且通常都用匯編語言來實現(xiàn)，以達(dá)到短小精悍的目的。而 stage2 則通常用C語言來實現(xiàn)，這樣可以實現(xiàn)給復(fù)雜的功能，而且代碼會具有更好的可讀性和可移植性。

Boot Loader 的 stage1 通常包括以下步驟(以執(zhí)行的先后順序)：

硬件設(shè)備初始化。

為加載 Boot Loader 的 stage2 準(zhǔn)備 RAM 空間。

拷貝 Boot Loader 的 stage2 到 RAM 空間中。

設(shè)置好堆棧。

跳轉(zhuǎn)到 stage2 的 C 入口點(diǎn)。

Boot Loader 的 stage2 通常包括以下步驟(以執(zhí)行的先后順序)：

初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備。

檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射(memory map)。

將 kernel 映像和根文件系統(tǒng)映像從 flash 上讀到 RAM 空間中。

為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)。

調(diào)用內(nèi)核。

3.1.1 基本的硬件初始化

這是 Boot Loader 一開始就執(zhí)行的操作，其目的是為 stage2 的執(zhí)行以及隨后的 kernel 的執(zhí)行準(zhǔn)備好一些基本的硬件環(huán)境。它通常包括以下步驟（以執(zhí)行的先后順序）：

1． 屏蔽所有的中斷。為中斷提供服務(wù)通常是 OS 設(shè)備驅(qū)動程序的責(zé)任，因此在 Boot Loader 的執(zhí)行全過程中可以不必響應(yīng)任何中斷。中斷屏蔽可以通過寫 CPU 的中斷屏蔽寄存器或狀態(tài)寄存器（比如 ARM 的 CPSR 寄存器）來完成。

2． 設(shè)置 CPU 的速度和時鐘頻率。

3． RAM 初始化。包括正確地設(shè)置系統(tǒng)的內(nèi)存控制器的功能寄存器以及各內(nèi)存庫控制寄存器等。

4． 初始化 LED。典型地，通過 GPIO 來驅(qū)動 LED，其目的是表明系統(tǒng)的狀態(tài)是 OK 還是 Error。如果板子上沒有 LED，那么也可以通過初始化 UART 向串口打印 Boot Loader 的 Logo 字符信息來完成這一點(diǎn)。

5． 關(guān)閉 CPU 內(nèi)部指令／數(shù)據(jù) cache。

3.1.2 為加載 stage2 準(zhǔn)備 RAM 空間

為了獲得更快的執(zhí)行速度，通常把 stage2 加載到 RAM 空間中來執(zhí)行，因此必須為加載 Boot Loader 的 stage2 準(zhǔn)備好一段可用的 RAM 空間范圍。

由于 stage2 通常是 C 語言執(zhí)行代碼，因此在考慮空間大小時，除了 stage2 可執(zhí)行映象的大小外，還必須把堆?？臻g也考慮進(jìn)來。此外，空間大小最好是 memory page 大小(通常是 4KB)的倍數(shù)。一般而言，1M 的 RAM 空間已經(jīng)足夠了。具體的地址范圍可以任意安排，比如 blob 就將它的 stage2 可執(zhí)行映像安排到從系統(tǒng) RAM 起始地址 0xc0200000 開始的 1M 空間內(nèi)執(zhí)行。但是，將 stage2 安排到整個 RAM 空間的最頂 1MB(也即(RamEnd-1MB) - RamEnd)是一種值得推薦的方法。

為了后面的敘述方便，這里把所安排的 RAM 空間范圍的大小記為：stage2_size(字節(jié))，把起始地址和終止地址分別記為：stage2_start 和 stage2_end(這兩個地址均以 4 字節(jié)邊界對齊)。因此：

stage2_end＝stage2_start＋stage2_size

另外，還必須確保所安排的地址范圍的的確確是可讀寫的 RAM 空間，因此，必須對你所安排的地址范圍進(jìn)行測試。具體的測試方法可以采用類似于 blob 的方法，也即：以 memory page 為被測試單位，測試每個 memory page 開始的兩個字是否是可讀寫的。為了后面敘述的方便，我們記這個檢測算法為：test_mempage，其具體步驟如下：

1． 先保存 memory page 一開始兩個字的內(nèi)容。

2． 向這兩個字中寫入任意的數(shù)字。比如：向第一個字寫入 0x55，第 2 個字寫入 0xaa。

3． 然后，立即將這兩個字的內(nèi)容讀回。顯然，我們讀到的內(nèi)容應(yīng)該分別是 0x55 和 0xaa。如果不是，則說明這個 memory page 所占據(jù)的地址范圍不是一段有效的 RAM 空間。

4． 再向這兩個字中寫入任意的數(shù)字。比如：向第一個字寫入 0xaa，第 2 個字中寫入 0x55。

5． 然后，立即將這兩個字的內(nèi)容立即讀回。顯然，我們讀到的內(nèi)容應(yīng)該分別是 0xaa 和 0x55。如果不是，則說明這個 memory page 所占據(jù)的地址范圍不是一段有效的 RAM 空間。

6． 恢復(fù)這兩個字的原始內(nèi)容。測試完畢。

為了得到一段干凈的 RAM 空間范圍，我們也可以將所安排的 RAM 空間范圍進(jìn)行清零操作。

3.1.3 拷貝 stage2 到 RAM 中

拷貝時要確定兩點(diǎn)：(1) stage2 的可執(zhí)行映象在固態(tài)存儲設(shè)備的存放起始地址和終止地址；(2) RAM 空間的起始地址。

3.1.4 設(shè)置堆棧指針 sp

堆棧指針的設(shè)置是為了執(zhí)行 C 語言代碼作好準(zhǔn)備。通常我們可以把 sp 的值設(shè)置為(stage2_end-4)，也即在 3.1.2 節(jié)所安排的那個 1MB 的 RAM 空間的最頂端(堆棧向下生長)。

此外，在設(shè)置堆棧指針 sp 之前，也可以關(guān)閉 led 燈，以提示用戶我們準(zhǔn)備跳轉(zhuǎn)到 stage2。

經(jīng)過上述這些執(zhí)行步驟后，系統(tǒng)的物理內(nèi)存布局應(yīng)該如下圖2所示。

3.1.5 跳轉(zhuǎn)到 stage2 的 C 入口點(diǎn)

在上述一切都就緒后，就可以跳轉(zhuǎn)到 Boot Loader 的 stage2 去執(zhí)行了。比如，在 ARM 系統(tǒng)中，這可以通過修改 PC 寄存器為合適的地址來實現(xiàn)。

正如前面所說，stage2 的代碼通常用 C 語言來實現(xiàn)，以便于實現(xiàn)更復(fù)雜的功能和取得更好的代碼可讀性和可移植性。但是與普通 C 語言應(yīng)用程序不同的是，在編譯和鏈接 boot loader 這樣的程序時，我們不能使用 glibc 庫中的任何支持函數(shù)。其原因是顯而易見的。這就給我們帶來一個問題，那就是從那里跳轉(zhuǎn)進(jìn) main() 函數(shù)呢？直接把 main() 函數(shù)的起始地址作為整個 stage2 執(zhí)行映像的入口點(diǎn)或許是最直接的想法。但是這樣做有兩個缺點(diǎn)：1)無法通過main() 函數(shù)傳遞函數(shù)參數(shù)；2)無法處理 main() 函數(shù)返回的情況。一種更為巧妙的方法是利用 trampoline(彈簧床)的概念。也即，用匯編語言寫一段trampoline 小程序，并將這段 trampoline 小程序來作為 stage2 可執(zhí)行映象的執(zhí)行入口點(diǎn)。然后我們可以在 trampoline 匯編小程序中用 CPU 跳轉(zhuǎn)指令跳入 main() 函數(shù)中去執(zhí)行；而當(dāng) main() 函數(shù)返回時，CPU 執(zhí)行路徑顯然再次回到我們的 trampoline 程序。簡而言之，這種方法的思想就是：用這段 trampoline 小程序來作為 main() 函數(shù)的外部包裹(external wrapper)。

下面給出一個簡單的 trampoline 程序示例(來自blob)：

.text .globl _trampoline _trampoline: bl main /* if main ever returns we just call it again */ b _trampoline

可以看出，當(dāng) main() 函數(shù)返回后，我們又用一條跳轉(zhuǎn)指令重新執(zhí)行 trampoline 程序――當(dāng)然也就重新執(zhí)行 main() 函數(shù)，這也就是 trampoline(彈簧床)一詞的意思所在。

3.2.1初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備

這通常包括：（1）初始化至少一個串口，以便和終端用戶進(jìn)行 I/O 輸出信息；（2）初始化計時器等。

在初始化這些設(shè)備之前，也可以重新把 LED 燈點(diǎn)亮，以表明我們已經(jīng)進(jìn)入 main() 函數(shù)執(zhí)行。

設(shè)備初始化完成后，可以輸出一些打印信息，程序名字字符串、版本號等。

3.2.2 檢測系統(tǒng)的內(nèi)存映射（memory map）

所謂內(nèi)存映射就是指在整個 4GB 物理地址空間中有哪些地址范圍被分配用來尋址系統(tǒng)的 RAM 單元。比如，在 SA-1100 CPU 中，從 0xC000,0000 開始的 512M 地址空間被用作系統(tǒng)的 RAM 地址空間，而在 Samsung S3C44B0X CPU 中，從 0x0c00,0000 到 0x1000,0000 之間的 64M 地址空間被用作系統(tǒng)的 RAM 地址空間。雖然 CPU 通常預(yù)留出一大段足夠的地址空間給系統(tǒng) RAM，但是在搭建具體的嵌入式系統(tǒng)時卻不一定會實現(xiàn) CPU 預(yù)留的全部 RAM 地址空間。也就是說，具體的嵌入式系統(tǒng)往往只把 CPU 預(yù)留的全部 RAM 地址空間中的一部分映射到 RAM 單元上，而讓剩下的那部分預(yù)留 RAM 地址空間處于未使用狀態(tài)。 由于上述這個事實，因此 Boot Loader 的 stage2 必須在它想干點(diǎn)什么 (比如，將存儲在 flash 上的內(nèi)核映像讀到 RAM 空間中) 之前檢測整個系統(tǒng)的內(nèi)存映射情況，也即它必須知道 CPU 預(yù)留的全部 RAM 地址空間中的哪些被真正映射到 RAM 地址單元，哪些是處于 unused 狀態(tài)的。

(1) 內(nèi)存映射的描述

可以用如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述 RAM 地址空間中的一段連續(xù)(continuous)的地址范圍：

typedef struct memory_area_struct { u32 start; /* the base address of the memory region */ u32 size; /* the byte number of the memory region */ int used; } memory_area_t;

這段 RAM 地址空間中的連續(xù)地址范圍可以處于兩種狀態(tài)之一：(1)used=1，則說明這段連續(xù)的地址范圍已被實現(xiàn)，也即真正地被映射到 RAM 單元上。(2)used=0，則說明這段連續(xù)的地址范圍并未被系統(tǒng)所實現(xiàn)，而是處于未使用狀態(tài)。

基于上述 memory_area_t 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，整個 CPU 預(yù)留的 RAM 地址空間可以用一個 memory_area_t 類型的數(shù)組來表示，如下所示：

memory_area_t memory_map[NUM_MEM_AREAS] = { [0 ... (NUM_MEM_AREAS - 1)] = { .start = 0, .size = 0, .used = 0 }, };

(2) 內(nèi)存映射的檢測

下面我們給出一個可用來檢測整個 RAM 地址空間內(nèi)存映射情況的簡單而有效的算法：

/* 數(shù)組初始化 */ for(i = 0; i NUM_MEM_AREAS; i++) memory_map.used = 0; /* first write a 0 to all memory locations */ for(addr = MEM_START; addr MEM_END; addr += PAGE_SIZE) * (u32 *)addr = 0; for(i = 0, addr = MEM_START; addr MEM_END; addr += PAGE_SIZE) { /* * 檢測從基地址 MEM_START+i*PAGE_SIZE 開始,大小為 * PAGE_SIZE 的地址空間是否是有效的RAM地址空間。 */ 調(diào)用3.1.2節(jié)中的算法test_mempage()； if ( current memory page isnot a valid ram page) { /* no RAM here */ if(memory_map.used ) i++; continue; } /* * 當(dāng)前頁已經(jīng)是一個被映射到 RAM 的有效地址范圍 * 但是還要看看當(dāng)前頁是否只是 4GB 地址空間中某個地址頁的別名？ */ if(* (u32 *)addr != 0) { /* alias? */ /* 這個內(nèi)存頁是 4GB 地址空間中某個地址頁的別名 */ if ( memory_map.used ) i++; continue; } /* * 當(dāng)前頁已經(jīng)是一個被映射到 RAM 的有效地址范圍 * 而且它也不是 4GB 地址空間中某個地址頁的別名。 */ if (memory_map.used == 0) { memory_map.start = addr; memory_map.size = PAGE_SIZE; memory_map.used = 1; } else { memory_map.size += PAGE_SIZE; } } /* end of for (…) */

在用上述算法檢測完系統(tǒng)的內(nèi)存映射情況后，Boot Loader 也可以將內(nèi)存映射的詳細(xì)信息打印到串口。

3.2.3 加載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像

(1) 規(guī)劃內(nèi)存占用的布局

這里包括兩個方面：(1)內(nèi)核映像所占用的內(nèi)存范圍；（2）根文件系統(tǒng)所占用的內(nèi)存范圍。在規(guī)劃內(nèi)存占用的布局時，主要考慮基地址和映像的大小兩個方面。

對于內(nèi)核映像，一般將其拷貝到從(MEM_START＋0x8000) 這個基地址開始的大約1MB大小的內(nèi)存范圍內(nèi)(嵌入式 Linux 的內(nèi)核一般都不操過 1MB)。為什么要把從 MEM_START 到 MEM_START＋0x8000 這段 32KB 大小的內(nèi)存空出來呢？這是因為 Linux 內(nèi)核要在這段內(nèi)存中放置一些全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如：啟動參數(shù)和內(nèi)核頁表等信息。

而對于根文件系統(tǒng)映像，則一般將其拷貝到 MEM_START+0x0010,0000 開始的地方。如果用 Ramdisk 作為根文件系統(tǒng)映像，則其解壓后的大小一般是1MB。

（2）從 Flash 上拷貝

由于像 ARM 這樣的嵌入式 CPU 通常都是在統(tǒng)一的內(nèi)存地址空間中尋址 Flash 等固態(tài)存儲設(shè)備的，因此從 Flash 上讀取數(shù)據(jù)與從 RAM 單元中讀取數(shù)據(jù)并沒有什么不同。用一個簡單的循環(huán)就可以完成從 Flash 設(shè)備上拷貝映像的工作：

while(count) { *dest++ = *src++; /* they are all aligned with word boundary */ count -= 4; /* byte number */ };

3.2.4 設(shè)置內(nèi)核的啟動參數(shù)

應(yīng)該說，在將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像拷貝到 RAM 空間中后，就可以準(zhǔn)備啟動 Linux 內(nèi)核了。但是在調(diào)用內(nèi)核之前，應(yīng)該作一步準(zhǔn)備工作，即：設(shè)置 Linux 內(nèi)核的啟動參數(shù)。

Linux 2.4.x 以后的內(nèi)核都期望以標(biāo)記列表(tagged list)的形式來傳遞啟動參數(shù)。啟動參數(shù)標(biāo)記列表以標(biāo)記 ATAG_CORE 開始，以標(biāo)記 ATAG_NONE 結(jié)束。每個標(biāo)記由標(biāo)識被傳遞參數(shù)的 tag_header 結(jié)構(gòu)以及隨后的參數(shù)值數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組成。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) tag 和 tag_header 定義在 Linux 內(nèi)核源碼的include/asm/setup.h 頭文件中：

/* The list ends with an ATAG_NONE node. */ #define ATAG_NONE 0x00000000 struct tag_header { u32 size; /* 注意，這里size是字?jǐn)?shù)為單位的 */ u32 tag; }; …… struct tag { struct tag_header hdr; union { struct tag_core core; struct tag_mem32 mem; struct tag_videotext videotext; struct tag_ramdisk ramdisk; struct tag_initrd initrd; struct tag_serialnr serialnr; struct tag_revision revision; struct tag_videolfb videolfb; struct tag_cmdline cmdline; /* * Acorn specific */ struct tag_acorn acorn; /* * DC21285 specific */ struct tag_memclk memclk; } u; };

在嵌入式 Linux 系統(tǒng)中，通常需要由 Boot Loader 設(shè)置的常見啟動參數(shù)有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。

比如，設(shè)置 ATAG_CORE 的代碼如下：

params = (struct tag *)BOOT_PARAMS; params->hdr.tag = ATAG_CORE; params->hdr.size = tag_size(tag_core); params->u.core.flags = 0; params->u.core.pagesize = 0; params->u.core.rootdev = 0; params = tag_next(params);

其中，BOOT_PARAMS 表示內(nèi)核啟動參數(shù)在內(nèi)存中的起始基地址，指針 params 是一個 struct tag 類型的指針。宏 tag_next() 將以指向當(dāng)前標(biāo)記的指針為參數(shù)，計算緊臨當(dāng)前標(biāo)記的下一個標(biāo)記的起始地址。注意，內(nèi)核的根文件系統(tǒng)所在的設(shè)備ID就是在這里設(shè)置的。

下面是設(shè)置內(nèi)存映射情況的示例代碼：

for(i = 0; i NUM_MEM_AREAS; i++) { if(memory_map.used) { params->hdr.tag = ATAG_MEM; params->hdr.size = tag_size(tag_mem32); params->u.mem.start = memory_map.start; params->u.mem.size = memory_map.size; params = tag_next(params); } }

可以看出，在 memory_map［］數(shù)組中，每一個有效的內(nèi)存段都對應(yīng)一個 ATAG_MEM 參數(shù)標(biāo)記。

Linux 內(nèi)核在啟動時可以以命令行參數(shù)的形式來接收信息，利用這一點(diǎn)我們可以向內(nèi)核提供那些內(nèi)核不能自己檢測的硬件參數(shù)信息，或者重載(override)內(nèi)核自己檢測到的信息。比如，我們用這樣一個命令行參數(shù)字符串console=ttyS0,115200n8來通知內(nèi)核以 ttyS0 作為控制臺，且串口采用 115200bps、無奇偶校驗、8位數(shù)據(jù)位這樣的設(shè)置。下面是一段設(shè)置調(diào)用內(nèi)核命令行參數(shù)字符串的示例代碼：

char *p; /* eat leading white space */ for(p = commandline; *p == '' ''; p++) ; /* skip non-existent command lines so the kernel will still * use its default command line. */ if(*p == '''') return; params->hdr.tag = ATAG_CMDLINE; params->hdr.size = (sizeof(struct tag_header) + strlen(p) + 1 + 4) >> 2; strcpy(params->u.cmdline.cmdline, p); params = tag_next(params);

請注意在上述代碼中，設(shè)置 tag_header 的大小時，必須包括字符串的終止符''''，此外還要將字節(jié)數(shù)向上圓整4個字節(jié)，因為 tag_header 結(jié)構(gòu)中的size 成員表示的是字?jǐn)?shù)。

下面是設(shè)置 ATAG_INITRD 的示例代碼，它告訴內(nèi)核在 RAM 中的什么地方可以找到 initrd 映象(壓縮格式)以及它的大?。?/p>

params->hdr.tag = ATAG_INITRD2; params->hdr.size = tag_size(tag_initrd); params->u.initrd.start = RAMDISK_RAM_BASE; params->u.initrd.size = INITRD_LEN; params = tag_next(params);

下面是設(shè)置 ATAG_RAMDISK 的示例代碼，它告訴內(nèi)核解壓后的 Ramdisk 有多大（單位是KB）：

params->hdr.tag = ATAG_RAMDISK; params->hdr.size = tag_size(tag_ramdisk); params->u.ramdisk.start = 0; params->u.ramdisk.size = RAMDISK_SIZE; /* 請注意，單位是KB */ params->u.ramdisk.flags = 1; /* automatically load ramdisk */ params = tag_next(params);

最后，設(shè)置 ATAG_NONE 標(biāo)記，結(jié)束整個啟動參數(shù)列表：

static void setup_end_tag(void) { params->hdr.tag = ATAG_NONE; params->hdr.size = 0; }

3.2.5 調(diào)用內(nèi)核

Boot Loader 調(diào)用 Linux 內(nèi)核的方法是直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處，也即直接跳轉(zhuǎn)到 MEM_START＋0x8000 地址處。在跳轉(zhuǎn)時，下列條件要滿足：

1． CPU 寄存器的設(shè)置：

R0＝0；

R1＝機(jī)器類型 ID；關(guān)于 Machine Type Number，可以參見 linux/arch/arm/tools/mach-types。

R2＝啟動參數(shù)標(biāo)記列表在 RAM 中起始基地址；

2． CPU 模式：

必須禁止中斷（IRQs和FIQs）；

CPU 必須 SVC 模式；

3． Cache 和 MMU 的設(shè)置：

MMU 必須關(guān)閉；

指令 Cache 可以打開也可以關(guān)閉；

數(shù)據(jù) Cache 必須關(guān)閉；

如果用 C 語言，可以像下列示例代碼這樣來調(diào)用內(nèi)核：

void (*theKernel)(int zero, int arch, u32 params_addr) = (void (*)(int, int, u32))KERNEL_RAM_BASE; …… theKernel(0, ARCH_NUMBER, (u32) kernel_params_start);

注意，theKernel()函數(shù)調(diào)用應(yīng)該永遠(yuǎn)不返回的。如果這個調(diào)用返回，則說明出錯。