Boot Loader简介及其功能说明


Boot Loader就是引导程序,是硬件设备启动时运行的一段代码,它包含有初始化系统和执行用户输入的命令等作用,最终执行目的是为了启动Linux内核。

1 、Boot Loader的概念和作用 

Boot Loader是嵌入式系统的引导加载程序,它是系统上电后运行的第一段程序,其作用类似于 PC 机上的 BIOS。在完成对系统的初始化任务之后,它会将非易失性存储器(通常是Flash或DOC等)中的Linux 内核拷贝到 RAM 中去,然后跳转到内核的第一条指令处继续执行,从而启动 Linux 内核。由此可见,Boot Loader和 Linux 内核有着密不可分的联系,要想清楚的了解 Linux内核的启动过程,我们必须先得认识 Boot Loader的执行过程,这样才能对嵌入式系统的整个启动过程有清晰的掌握。

注:Boot Loader是为了启动内核而存在,是为操作系统内核准备好正确的软硬件环境,然后引入内核,功成身退。


2 、Boot Loader的执行过程 

不同的处理器上电或复位后执行的第一条指令地址并不相同,对于 ARM 处理器来说,该地址为 0x00000000。对于一般的嵌入式系统,通常把 Flash 等非易失性存储器映射到这个地址处,而 Boot Loader就位于该存储器的最前端,所以系统上电或复位后执行的第一段程序便是Boot Loader。而因为存储 Boot Loader的存储器不同,Boot Loader的执行过程也并不相同,下面将具体分析。

嵌入式系统中广泛采用的非易失性存储器通常是 Flash,而 Flash 又分为 Nor Flash 和Nand Flash 两种。 它们之间的不同在于:Nor Flash 支持芯片内执行(XIP, eXecute In Place),这样代码可以在Flash上直接执行而不必拷贝到RAM中去执行。而Nand Flash并不支持XIP,所以要想执行 Nand Flash 上的代码,必须先将其拷贝到 RAM中去,然后跳到 RAM 中去执行。

注:Boot Loader的启动主要依靠硬件的映射,也即是:不同的设备启动地址在哪里,Boot Loader就要放到哪里。


3、Boot Loader的功能

实际应用中的 Boot Loader 根据所需功能的不同可以设计得很复杂,除完成基本的初始化系统和调用 Linux 内核等基本任务外,还可以执行很多用户输入的命令,比如设置 Linux 启动参数,给 Flash 分区等;也可以设计得很简单,只完成最基本的功能。但为了能达到启动Linux 内核的目的,所有的 Boot Loader 都必须具备以下功能:

1)初始化 RAM

因为 Linux 内核一般都会在 RAM 中运行,所以在调用 Linux 内核之前 Boot Loader必须设置和初始化 RAM,为调用 Linux内核做好准备。初始化 RAM 的任务包括设置CPU 的控制寄存器参数,以便能正常使用 RAM 以及检测RAM 大小等。

2)初始化串口 

串口在 Linux 的启动过程中有着非常重要的作用,它是 Linux内核和用户交互的方式之一。Linux 在启动过程中可以将信息通过串口输出,这样便可清楚的了解 Linux 的启动过程。虽然它并不是 Boot Loader 必须要完成的工作,但是通过串口输出信息是调试 Boot Loader 和 Linux 内核的强有力的工具,所以一般的  Boot Loader  都会在执行过程中初始化一个串口做为调试端口。

3)检测处理器类型 

Boot Loader 在调用 Linux内核前必须检测系统的处理器类型,并将其保存到某个常量中提供给 Linux 内核。Linux 内核在启动过程中会根据该处理器类型调用相应的初始化程序。

4)设置 Linux启动参数 

Boot Loader 在执行过程中必须设置和初始化 Linux 的内核启动参数。目前传递启动参数主要采用两种方式:即通过 struct param_struct 和struct tag(标记列表,tagged list)两种结构传递。struct param_struct 是一种比较老的参数传递方式,在 2.4 版本以前的内核中使用较多。从 2.4 版本以后 Linux 内核基本上采用标记列表的方式。但为了保持和以前版本的兼容性,它仍支持 struct param_struct 参数传递方式,只不过在内核启动过程中它将被转换成标记列表方式。标记列表方式是种比较新的参数传递方式,它必须以 ATAG_CORE 开始,并以ATAG_NONE 结尾。中间可以根据需要加入其他列表。Linux内核在启动过程中会根据该启动参数进行相应的初始化工作。

5)调用 Linux内核映像

Boot Loader 完成的最后一项工作便是调用 Linux内核。如果 Linux 内核存放在 Flash 中,并且可直接在上面运行(这里的 Flash 指 Nor Flash),那么可直接跳转到内核中去执行。但由于在 Flash 中执行代码会有种种限制,而且速度也远不及 RAM 快,所以一般的嵌入式系统都是将 Linux内核拷贝到 RAM 中,然后跳转到 RAM 中去执行。

注:不论哪种情况,在跳到 Linux 内核执行之前 CPU的寄存器必须满足以下条件:r0=0,r1=处理器类型,r2=标记列表在 RAM中的地址。


4、常见的开源Boot Loader

Boot Loader Monitor 描述 X86 ARM PowerPC
LILO Linux磁盘引导程序
GRUB GNU的LILO替代程序
Loadlin 从DOS引导Linux   否
ROLO 从ROM引导Linux而不需要BIOS   否
Etherboot 通过以太网卡启动Linux系统的固件
LinuxBIOS 完全替代BUIS的Linux引导程序
BLOB   LART等硬件平台的引导程序   否
U-Boot   通用引导程序   是
RedBoot 基于eCos的引导程序   是
Vivi Mizi公司针对SAMSUNG的ARM CPU设计的引导程序   是   否

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历史上的今天:

  1. 2018:  单向链表标准写法(C格式)(0)

《Boot Loader简介及其功能说明》有5个想法

    1. Boot Loader原理上不是很复杂,但是内容较多,而且针对不同平台差异还不小,关键是在很多时候使用的uboot的公司,还会增加一段更靠前的loader用来做技术保密和适配系统。

        1. RockChip的很多平台都带有自己的loader文件,mtk是自己开发的pl,但是还有一个DA.bin在最前面做引导。而且都是针对性很强的。

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