Bootloader

对于嵌入式系统,Bootloader是基于特定硬件平台来实现的。因此,几乎不可能为所有的嵌入式系统建立一个通用的Bootloader,不同的处理器架构都有不同的Bootloader。Bootloader不但依赖于CPU的体系结构,而且依赖于嵌入式系统板级设备的配置。对于2块不同的嵌入式板而言,即使它们使用同一种处理器,要想让运行在一块板子上的Bootloader程序也能运行在另一块板子上,一般也都需要修改Bootloader的源程序。

反过来,大部分Bootloader仍然具有很多共性,某些Bootloader也能够支持多种体系结构的嵌入式系统。例如,U-Boot就同时支持PowerPC、ARM、MIPS和X86等体系结构,支持的板子有上百种。通常,它们都能够自动从存储介质上启动,都能够引导操作系统启动,并且大部分都可以支持串口和以太网接口。

嵌入式系统世界已经有各种各样的Bootloader,种类划分也有多种方式。除了按照处理器体系结构不同划分以外,还有功能复杂程度的不同。

首先区分一下“Bootloader”和“Monitor”的概念。严格来说,“Bootloader”只是引导设备并且执行主程序的固件;而“Monitor”还提供了更多的命令行接口,可以进行调试、读写内存、烧写Flash、配置环境变量等。“Monitor”在嵌入式系统开发过程中可以提供很好的调试功能,开发完成以后,就完全设置成了一个“Bootloader”。所以,习惯上大家把它们统称为Bootloader。

表列出了Linux的开放源码引导程序及其支持的体系结构。表中给出了X86 ARM PowerPC体系结构的常用引导程序,并且注明了每一种引导程序是不是“Monitor”。

表 开放源码的Linux 引导程序

对于每种体系结构,都有一系列开放源码Bootloader可以选用。

(1)X86

X86的工作站和服务器上一般使用LILO和GRUB。LILO是Linux发行版主流的Bootloader。不过Redhat Linux发行版已经使用了GRUB,GRUB比LILO有更有好的显示界面,使用配置也更加灵活方便。

在某些X86嵌入式单板机或者特殊设备上,会采用其他Bootloader,例如:ROLO。这些Bootloader可以取代BIOS的功能,能够从FLASH中直接引导Linux启动。现在ROLO支持的开发板已经并入U-Boot,所以U-Boot也可以支持X86平台。

(2)ARM

ARM处理器的芯片商很多,所以每种芯片的开发板都有自己的Bootloader。结果ARM bootloader也变得多种多样。最早有为ARM720处理器的开发板的固件,又有了armboot,StrongARM平台的blob,还有S3C2410处理器开发板上的vivi等。现在armboot已经并入了U-Boot,所以U-Boot也支持ARM/XSCALE平台。U-Boot已经成为ARM平台事实上的标准Bootloader。

(3)PowerPC

PowerPC平台的处理器有标准的Bootloader,就是ppcboot。PPCBOOT在合并armboot等之后,创建了U-Boot,成为各种体系结构开发板的通用引导程序。U-Boot仍然是PowerPC平台的主要Bootloader。

(4)MIPS

MIPS公司开发的YAMON是标准的Bootloader,也有许多MIPS芯片商为自己的开发板写了Bootloader。现在,U-Boot也已经支持MIPS平台。

(5)SH

SH平台的标准Bootloader是sh-boot。Redboot在这种平台上也很好用。

(6)M68K

M68K平台没有标准的Bootloader。Redboot能够支持m68k系列的系统。

值得说明的是Redboot,它几乎能够支持所有的体系结构,包括MIPS、SH、M68K等体系结构。Redboot是以eCos为基础,采用GPL许可的开源软件工程。

Boot loader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序,可以初始化硬件设备、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准备好正确的环境。

系统加电或复位后,所有的CPU 通常都从某个预先安排的地址上取指令。例如,基于ARM7TDMI core 的CPU 在复位时通常都从地址0x00000000取它的第一条指令。而基于CPU 构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备(比如:ROM、EEPROM、或 Flash 等)被映射到这个预先安排的地址上。因此在系统加电后,CPU 将首先执行 Bootloader 程序。通常总是将Boot Loader 安装在嵌入式系统的存储设备的最前端。

固态存储设备的空间划分(地址从低到高顺序):Bootloader,Bootloader参数,内核映像,根文件系统映像。

Bootloader启动大多数都分为两个阶段。第一阶段主要包含依赖于CPU的体系结构硬件初始化的代码,通常都用汇编语言来实现。这个阶段的任务有  :

基本的硬件设备初始化(屏蔽所有的中断、关闭处理器内部指令/数据Cache等)。

为第二阶段准备RAM空间。

如果是从某个固态存储媒质中,则复制Bootloader的第二阶段代码到RAM  。

设置堆栈。

在第一阶段中为什么要关闭Cache?通常使用Cache以及写缓冲是为了提高系统性能,但由于Cache的使用可能改变访问主存的数量、类型和时间,因此Bootloader通常是不需要的  。

跳转到第二阶段的C程序入口点  。

第二阶段通常用C语言完成,以便实现更复杂的功能,也使程序有更好的可读性和可移植性。这个阶段的任务有  :

初始化本阶段要使用到的硬件设备。

检测系统内存映射。

将内核映像和根文件系统映像从Flash读到RAM。

为内核设置启动参数。

调用内核。

Bootloader广泛用于有操作系统的手持终端设备、智能家电及机顶盒等嵌入式设备上,它负责完成硬件初始化、操作系统引导和系统配制等,相当于PC机上的BIOS对于一个嵌入式的Linux系统而言,Bootloader是整个系统运行的基础。但是对于不同的ARM平台而言所使用的Bootloader都会有所不同。完成 Bootloader的移植是在特定的硬件平台上实现系统构建和运行的至关重要的一个步骤。