BootLoader工作原理
时间：2010-05-14 来源：wangbo352
BootLoader指系统启动后，在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过BootLoader，我们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。通常，BootLoader是严重地依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式世界。因此，在嵌入式世界里建立一个通用的 BootLoader 几乎是不可能的。尽管如此，我们仍然可以对BootLoader归纳出一些通用的概念来，以指导用户特定的BootLoader设计与实现。
BootLoader 的实现依赖于CPU的体系结构，因此大多数 BootLoader 都分为stage1 和stage2 两大部分。依赖于CPU体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在 stage1中，而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍的目的。而stage2 则通常用C 语言来实现，这样可以实现更复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。
BootLoader 的 stage1 通常包括以下步骤：
·硬件设备初始化；
·为加载Boot Loader的stage2准备 RAM 空间；
·拷贝Boot Loader的stage2 到RAM空间中；
·设置好堆栈；
·跳转到 stage2 的 C 入口点。
Boot Loader的stage2通常包括以下步骤：
·初始化本阶段要使用到的硬件设备；
·检测系统内存映射(memory map)；
·将kernel 映像和根文件系统映像从flash上读到 RAM 空间中；
·为内核设置启动参数；
·调用内核。
Bootloader
BootLoader的概念
BootLoader是系统加电启运行的第一段软件代码．回忆一下PC的体系结构我们可以知道，PC机中的引导加载程序由BIOS（其本质就是一段固件程序）和位于硬盘MBR中的引导程序一起组成。BIOS在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘MBR中的引导程序读到系统的RAM中，然后将控制权交给引导程序。引导程序的主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到RAM中 然后跳转到内核的入口点去运行，也即开始启动操作系统。
而在嵌入式系统中，通常并没有像BIOS那样的固件程序（有的嵌入式系统也会内嵌一段短小的启动程序），因此整个系统的加载启动任务就完全由BootLoader来完成．比如在一个基于 ARM7TDMI core的嵌入式系统中，系统在上电或复位时都从地址 0x00000000开始执行．而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。
简单地说BootLoader就是在操作系统内核或用户应用程序运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图（有的CPU没有内存映射功能如 S3C44B0），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。对于一个嵌入式系统来说，可能有的包括操作系统，有的小型系统也可以只包括应用程序，但是在这之前都需要BootLoader为它准备一个正确的环境。通常，BootLoader是依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式领域，为嵌入式系统建立一个通用的BootLoader是很困难的。当然，我们可以归纳出一些通用的概念来，以便我们了解特定BootLoader的设计与实现。
u BootLoader的移植和修改
每种不同的CPU体系结构都有不同的BootLoader。除了依赖于CPU的体系结构外，BootLoader实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置，比如板卡的硬件地址分配，RAM芯片的类型，其他外设的类型等。这也就是说，对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们是基于同一种CPU而构建的，如果他们的硬件资源和配置不一致的话，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，也还是需要作一些必要的修改。
u BootLoader的安装
系统加电或复位后，所有的CPU通常都从CPU制造商预先安排的地址上取指令。比如，S3C44B0在复位的都从地址0x00000000取它的第一条指令。而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）被安排这个起始地址上，因此在系统加电后，CPU将首先执行BootLoader程序。也就是说对于基于S3C44B0的这套系统，我们的BootLoader是从0地址开始存放的，而这块起始地址需要采用可引导的固态存储设备如FLASH。
u 用来控制BootLoader的设备或机制
串口通讯是最简单也是最廉价的一种双机通讯设备，所以往往在BootLoader中主机和目标机之间都通过串口建立连接，BootLoader程序在执行时通常会通过串口来进行 I/O，比如：输出打印信息到串口，从串口读取用户控制字符等。当然如果认为出口通讯速度不够，也可以采用网络或者USB通讯，那么相应的在BootLoader中就需要编写各自的驱动
u BootLoader的启动过程
多阶段的BootLoader能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性。从固态存储设备上启动的 BootLoader大多都是2阶段的启动过程，也即启动过程可以分为 stase1和stase 2两部分，具体功能将在下一节介绍。
u Boot Loader的操作模式
大多数BootLoader都包含两种不同的操作模式。“启动加载”模式和“下载”模式，这种区别仅对于开发人员才有意义。但从最终用户的角度看，BootLoader的作用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的启动加载模式与下载工作模式的区别。
启动加载（Boot loading）模式：这种模式也称为“自主”（Autonomous）模式，也即BootLoader从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程并没有用户的介入。这种模式是BootLoader的正常工作模式。因此在嵌入式产品发布的时候，BootLoader显然必须工作在这种模式下．
下载（Down loading）模式：在这种模式下 目标机上的BootLoader将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机下载文件，比如：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BootLoader保存到目标机的RAM中然后再被BootLoader写到目标机上的固态存储设备中。BootLoader的这种模式通常在系统更新时使用。工作于这种模式下的BootLoader通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。
在教学系统中提供的BootLoader中没有实现自主模式，可以通过修改代码来实现该功能。
u BootLoader与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议
最常见的情况就是，目标机上的BootLoader通过串口与主机之间进行文件传输，传输可以简单的采用直接数据收发，当然在串口上也可以采用xmode／ymode／zmode协议以及在以太网上采用TPTP协议。
此外，在论及这个话题时，主机方所用的软件也要考虑。比如，在通过以太网连接和TFTP协议来下载文件时，主机方必须有一个软件用来提供TFTP服务。
BootLoader是系统加电启运行的第一段软件代码．回忆一下PC的体系结构我们可以知道，PC机中的引导加载程序由BIOS（其本质就是一段固件程序）和位于硬盘MBR中的引导程序一起组成。BIOS在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘MBR中的引导程序读到系统的RAM中，然后将控制权交给引导程序。引导程序的主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到RAM中 然后跳转到内核的入口点去运行，也即开始启动操作系统。
而在嵌入式系统中，通常并没有像BIOS那样的固件程序（有的嵌入式系统也会内嵌一段短小的启动程序），因此整个系统的加载启动任务就完全由BootLoader来完成．比如在一个基于 ARM7TDMI core的嵌入式系统中，系统在上电或复位时都从地址 0x00000000开始执行．而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。
简单地说BootLoader就是在操作系统内核或用户应用程序运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图（有的CPU没有内存映射功能如 S3C44B0），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。对于一个嵌入式系统来说，可能有的包括操作系统，有的小型系统也可以只包括应用程序，但是在这之前都需要BootLoader为它准备一个正确的环境。通常，BootLoader是依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式领域，为嵌入式系统建立一个通用的BootLoader是很困难的。当然，我们可以归纳出一些通用的概念来，以便我们了解特定BootLoader的设计与实现。
u BootLoader的移植和修改
每种不同的CPU体系结构都有不同的BootLoader。除了依赖于CPU的体系结构外，BootLoader实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置，比如板卡的硬件地址分配，RAM芯片的类型，其他外设的类型等。这也就是说，对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们是基于同一种CPU而构建的，如果他们的硬件资源和配置不一致的话，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，也还是需要作一些必要的修改。
u BootLoader的安装
系统加电或复位后，所有的CPU通常都从CPU制造商预先安排的地址上取指令。比如，S3C44B0在复位的都从地址0x00000000取它的第一条指令。而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）被安排这个起始地址上，因此在系统加电后，CPU将首先执行BootLoader程序。也就是说对于基于S3C44B0的这套系统，我们的BootLoader是从0地址开始存放的，而这块起始地址需要采用可引导的固态存储设备如FLASH。
u 用来控制BootLoader的设备或机制
串口通讯是最简单也是最廉价的一种双机通讯设备，所以往往在BootLoader中主机和目标机之间都通过串口建立连接，BootLoader程序在执行时通常会通过串口来进行 I/O，比如：输出打印信息到串口，从串口读取用户控制字符等。当然如果认为出口通讯速度不够，也可以采用网络或者USB通讯，那么相应的在BootLoader中就需要编写各自的驱动
u BootLoader的启动过程
多阶段的BootLoader能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性。从固态存储设备上启动的 BootLoader大多都是2阶段的启动过程，也即启动过程可以分为 stase1和stase 2两部分，具体功能将在下一节介绍。
u Boot Loader的操作模式
大多数BootLoader都包含两种不同的操作模式。“启动加载”模式和“下载”模式，这种区别仅对于开发人员才有意义。但从最终用户的角度看，BootLoader的作用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的启动加载模式与下载工作模式的区别。
启动加载（Boot loading）模式：这种模式也称为“自主”（Autonomous）模式，也即BootLoader从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程并没有用户的介入。这种模式是BootLoader的正常工作模式。因此在嵌入式产品发布的时候，BootLoader显然必须工作在这种模式下．
下载（Down loading）模式：在这种模式下 目标机上的BootLoader将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机下载文件，比如：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BootLoader保存到目标机的RAM中然后再被BootLoader写到目标机上的固态存储设备中。BootLoader的这种模式通常在系统更新时使用。工作于这种模式下的BootLoader通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。
在教学系统中提供的BootLoader中没有实现自主模式，可以通过修改代码来实现该功能。
u BootLoader与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议
最常见的情况就是，目标机上的BootLoader通过串口与主机之间进行文件传输，传输可以简单的采用直接数据收发，当然在串口上也可以采用xmode／ymode／zmode协议以及在以太网上采用TPTP协议。
此外，在论及这个话题时，主机方所用的软件也要考虑。比如，在通过以太网连接和TFTP协议来下载文件时，主机方必须有一个软件用来提供TFTP服务。
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