0 引言

由Boot Loader和固化在固件（firmware）中的Boot代碼（可選）共同組成一個嵌入式系統的引導加載程序。它的作用和功能就像固化到計算機內主板上的一個ROM芯片程序BIOS（basic input output system）。但是它一般不配置像BIOS那樣的固件程序，這是因為要考慮經濟方面的原因，因此必須自己完成這方面的工作。Boot Loader可以初始化硬件設備，建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環境帶到一個合適的狀態，以便為最終調用操作系統內核準備好正確的環境。它的實現嚴重地依賴于硬件，特別是在嵌入式系統中，即使基于同一個CPU的Boot Loader，對于不同的板子，也有很大的不同。

1 Boot Loader分析

系統加電，然后復位后，基本上所有的CPU都是從復位地址上取得指令的。以微處理器為核心的嵌入式系統中，通常都有某種類型的固態存儲設備（FLASH，E2PROM等），這個固態存儲設備被映射到一個預先設置好的地址上。在系統加電復位后，一開始處理器就會去執行存放在復位地址處的程序，而且通過開發環境可以將Boot Loader定位在復位地址一開始的存儲空間上，因此Boot Loader是系統加電后，在操作系統內核或者一些應用程序被運行之前，首先會運行的程序。對于嵌人式系統來說，比較復雜的或者為了方便后期開發大的應用程序，有的使用操作系統，也有很多的情況下，因功能簡單，或僅包括應用程序的系統不使用操作系統，但是不論有無操作系統在啟動時都必須執行Boot Loader，為的是準備好軟硬件運行環境。

以微處理器為核心的嵌入式系統中，一般都有某種類型的固態存儲設備（FLASH，E2PROM等），這個固態存儲設備被映射到一個預先設置好的地址上。在系統加電復位后，一開始處理器就會去執行存放在復位地址處的程序。而且通過開發環境可以將Boot Loader定位在復位地址一開始的存儲空間上，因此Boot Loader是系統加電后，在操作系統內核或者一些應用程序被運行之前，首先會運行的程序。對于Linux系統，它的主要任務有以下7個方面。

（1）初始化處理器及外設的硬件資源配置。一般嵌入式系統的處理器在上電復位后，外部的I/O引腳都處于輸入狀態，處理器的片內和片外設備資源都需要配置。

（2）建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環境帶到一個合適的環境，這樣就能為最終啟動操作系統的內核提供最好條件。

（3）把操作裝載到映射的內存中，這也是所有任務當中最重要的一個，只有完成這個任務，操作系統才能被裝載到內存當中去，Boot Loader一般會提供串口和網絡裝載兩種方式。

（4）為了把操作系統的映像保存在FLASH中，以便以后啟動，可以直接裝載FLASH的數據，而不用重新下載程序，但需要對FLASH進行編程。

（5）運行操作系統。設置相關的寄存器和資源，跳轉到操作系統的所在空間，進行相關的引導，這就是Boot Loader。

（6）在Linux系統啟動時，傳遞系統的啟動參數，可以給內核傳遞命令行等參數，通過命令行可以選擇控制系統的啟動模式。

（7）命令行的解析和輸入/輸出控制。為了開發的方便，多數的Boot Loader都采用串口作為終端的控制方式。

Boot Loader的啟動過程可分為兩個重要階段。第一階段：由于Boot Loader的實現依賴于CPU的體系結構，所以設備代碼的初始化等功能都在該階段完成。而且，為了達到縮短代碼的目的，通常用匯編語言來編寫。在這一階段的執行過程中，又可分為幾個方面。

①硬件設備的初始化。在該階段的執行過程中，首先需要對硬件設備進行初始化，其目的主要是為第二階段的執行以及隨后Kernel的調用準備基本的硬件環境。

②為加載Boot Loader的第二階段準備RAM空間。為了獲得更快的執行速度，通常把第二階段加載到RAM空間中來執行。因此，必須為加載Boot Loader準備好一段可用的RAM空間范圍。

③設置堆棧指針。設置堆棧是為了執行C語言代碼作好準備。

④跳轉到第二階段的C入口點。當程序執行到這個位置時，可以通過修改PC寄存器的值，使其跳轉到第二階段。

第二階段階段的啟動流程分析：為了便于實現復雜的功能和獲得更好的代碼可讀性和可移植性，通常第二階段的代碼用C語言來實現。但是，與普通C語言的不同之處是，這里使用了“彈簧床”的概念，即先用匯編語言寫一段小程序，并將這段小程序作為第二階段可執行映像的執行入口點，然后在匯編程序中用CPU跳轉指令跳入main（）函數中去執行，當main（）函數返回時，CPU執行路徑再次返回到匯編程序中第二階段，包括初始化本階段要使用的硬件設備，檢測系統內存映射，會將Kernel映像和根文件系統映像從FLASH中讀到RAM空間中，為內核設置啟動參數調用內核。

2 Boot Loader的設計

2.1 中斷向量表（二級）的設計與建立

如果有中斷或者異常發生時，處理器便會強制性地把PC指針指向向量表中它所對應的中斷類型地址值。為了提高中斷響應速度，FLASH的0x0地址存放能跳轉到0x33FFFF00地址處中斷向量的跳轉指令，也就是會在在RAM中建立一個二級中斷向量表，起始地址為0x33FFFF00。除了復位外，所有的異常入口地址都由FLASH跳轉得到，代碼如下：

2.2 第二階段拷貝到RAM

把第二階段Stage2拷貝到RAM地址的最頂大小為1 MB的開始空間，RAM的起始地址為0x30000000。代碼如下所示：

2.3 堆棧指針的設置

用戶使用哪些中斷決定了系統堆棧的初始化，以及系統需要處理的哪些錯誤類型。一般情況下，堆棧設置是必須，而且是由管理者自己設置的。如果需要使用IRQ中斷，那么IRQ堆棧的設置也是必須的，下面是IRQ堆棧的設置：

3 Stage2的設計

3.1 可執行映像Stage2的入口

由于Glibc庫支持的函數不能用于編譯和鏈接Boot Loader這樣用C語言編寫的程序，因此把main（）函數的起始地址作為第二階段的入口點是最直接的想法。可以用匯編編寫一段Trampoline小程序，用CPU跳轉指令跳到main（）函數去執行，當函數返回時會再次回到Trampoline程序，代碼如下：

程序順利時就不會再回到開始的Trampoline程序，不然就會回到最后的語句，系統就會重新啟動。

3.2 內存影射

一般S3C2410上配置的SDRSAM大小為64 MB，該SDRAM的物理地址范圍是Ox30000000～Ox33FFFFFF（屬于Bank 6）。由Section的大小可知，該物理空間可被分成64個物理段。因為ARM體系結構中數據緩沖必須通過MMU開啟，因此Boot Loader效率不是很高，但是MMU可以通過平板映射（虛擬地址和物理地址相同）方式被開啟，這樣使用內存空間Dcache，從而使Boot Loader的運行速度得到有效的提高。映射關系代碼如下：

3.3 裝載內核映像和根文件系統映像

像ARM這樣的嵌入式CPU通常都是在統一的內存地址空間中尋址FLASH等固態存儲設備的，因此從Flash上讀取數據與從RAM單元中讀取數據一樣，用一個簡單的循環就可以完成從FLASH設備上拷貝映像的工作：其中count為根文件系統映像的大小或內核映像的大小。

3.4 內核的啟動參數的設置

內核啟動可以從NAND FLASH（NOR FLASH）中啟動運行Linux，需要修改啟動命令如下：

LCD啟動參數一般都包括root，init和console。noinitrd不使用ramdisk。root根文件系統在MTD分區。Init內核運行入口命令文件。co-nsol內核信息控制臺，ttys0表示串行口0;tty0表示虛擬終端。

4 結語

通過對Boot Loader的分析可以看出，設計一個性能優良的Boot Loader可以提高系統的穩定性及實時性，它是嵌入式開發中不可或缺的一部分。只有設計出一個穩定的Boot Loader，才能進行下一步的系統開發工作，直至完成整個嵌入式系統的開發。設計Boot Loader是一項很復雜的工作，需要對硬件資源和所用的操作系統有很深的理解。