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一、Bootloader的引入
从之前的硬件实验可以看出，系统上电后，需要一个程序来初始化:关闭
WATCHDOG、改变系统时钟、初始存储控制器、将更多代码复制到中等内存等。如果能将操作系统内核(无论是本地的，比如Flash；还是从远端，
比如通过网络)复制到内存中运行，就称这段程序为Bootloader。
简单地说，Bootloader这么短的程序，它在系统上电时就开始执行，初始化硬件设备，准备好软件环境，最后调用操作系统内核。
可以增强Bootloader比如增加网络功能，从PC通过串口或网络下载文件，
烧写文件，将Flash上压缩文件解压后再运行等──这是一个更强大的功能Bootloader，也称为Monitor。事实上，用户在最终产品中
不需要这些功能，只是为了方便开发。
Bootloader在嵌入式系统中，硬件配置非常不同，即使是相
同的CPU，它的外设(例如Flash)也可能不同，所以不可能有一个Bootloader支持所有的CPU、所有电路板。甚至支持CPU架构比较多
的U-Boot，不能一拿就用(除非里面的配置和你的板子一样)，需要一些移植。
二、 Bootloader的启动方式
CPU上电后，将从某个地址执行。MIPS结构的CPU会从0xBFC00000取
第一条指令，而ARM结构的CPU则从地址0x从一万开始。嵌入式单板需要存储器件ROM或Flash等待映射到这个地方
址，Bootloader将其存储在此地址的开头，以便一上电就能执行。
在开发过程中，通常需要使用各种命令Bootloader，一般通过串口连接PC和开发
板，可以在串口上输入各种命令，观察操作结果等。这对开发人员来说只是有意义的，用户在使用产品时不需要接口来控制Bootloader的。从这个观点来
看，Bootloader可分为两种操作模式(Operation Mode)：
(1)启动加载(Boot loading)模式。
上电后，Bootloader操作系统从板上的固态存储设备加载到RAM在运行过程中，用户没有干预整个过程。产品发布时，Bootloader在这种模式下工作。
(2)下载(Downloading)模式。
在这种模式下，开发人员可以通过串口连接或网络连接从主机使用各种命令(Host)下载文件(如内核图像、文件系统图像)，直接放入内存操作或烧入Flash类固态存储设备。
板与主机之间传输文件时，可使用串口xmodem/ymodem/zmodem协议使用简单，但速度慢；也可以通过网络使用网络tftp、nfs协议传输时，主机应打开tftp、nfs服务；还有其他方法，比如USB等。
像Blob或U-Boot等等功能强大Bootloader这两种工作模式通常同时支持
允许用户在这两种工作模式之间切换。U-Boot启动时正常启动加载模式，但会延迟几秒钟(可以设置)等待终端用户按下
任意键而将U-Boot切换到下载模式。如果在指定时间内没有用户按钮，则U-Boot继续启动Linux内核。编辑] 15.1.2 Bootloader结构及启动过程
- 1. 概述
移植前先了解Bootloader一些通用概念有助于理解它的代码。
嵌入式Linux从软件的角度来看，系统通常可以分为四个层次：
(1)引导加载程序，包括固化在固件(firmware)中的 boot 代码(可选)和Bootloader两大部分。
有些CPU在运行Bootloader固化程序(固件，firmware)，比如x86结构的CPU就是先运行BIOS硬盘的第一个分区在运行之前是固件(MBR)中的Bootloader。
大多数嵌入式系统中没有固件，Bootloader是上电后执行的第一个程序。
(2)Linux内核。
嵌入式板的定制内核和内核的启动参数。内核的启动参数可以是默认的，也可以是默认的Bootloader传递给它的。
(3)文件系统。
包括根文件系统和根文件系统Flash内存设备之上的文件系统。里面包含了Linux系统可以操作所需的应用程序、库等，如为用户提供操作Linux控制界面shell动态连接程序运行所需的程序glibc或uClibc库，等等。
(4)用户应用程序。
特定于用户的应用程序也存储在文件系统中。有时，嵌入式图形用户界面可能包含在用户应用程序和核心层之间。常用的嵌入式 GUI 有：Qtopia 和 MiniGUI 等。
显然，嵌入系统的固态存储设备有相应的分区存储，图15.一是典型的分区结构。 [[Image:]]
图15.1 嵌入式Linux典型的分区结构在系统中
“Boot
parameters一些可设置的参数存储在分区中，例如IP要传递给核心的地址、串口波特率、命令行参数等。正常启动时，Bootloader首先
运行，然后将内核复制到内存中（一些内核可以直接在固态存储设备上运行），并在内存的固定地址设置传输到内核的参数，最后运行内核。内核启动
移动后，它会挂接(mount)根文件系统(Root filesystem)启动文件系统中的应用程序。
- 2. Bootloader的两个阶段
Bootloader启动过程的启动过程可分为单阶段(Single
Stage)、多阶段(Multi-Stage)两种。通常是多阶段的Bootloader它可以提供更复杂的功能和更好的可移植性。启动固态存储设备
动的Bootloader大多都是 2 阶段的启动过程。这可以从之前的硬件实验中很好地理解：第一阶段是通过汇编来实现的，它完成了一些依赖 CPU
系统结构的初始化，并在第二阶段调用代码。C语言通常用于第二阶段，以实现更复杂的功能，代码具有更好的可读性和可移植性。
一般来说，这两个阶段的功能可以分类如下，但这不是绝对的：
(1)Bootloader功能的第一阶段。
-
- 硬件设备的初始化。
- 为加载Bootloader代码准备的第二阶段RAM空间。
- 拷贝Bootloader代码的第二阶段 RAM 空间中。
- 设置好栈。
- 跳转到第二阶段代码的C入口点。
在第一阶段进行的硬件初始化一般包括：关闭WATCHDOG、关中断，设置CPU速度和时钟频率，RAM初始化等。这些都不是必须的，比如S3C2410/S3C2440开发板使用U-Boot中，就将CPU在第二阶段设置速度和时钟频率。
甚至在第二阶段复制代码RAM空间不是必要的，对NOR Flash等待存储设备，可以直接在上面执行代码，但与此相比RAM执行效率大大降低。
(2)Bootloader功能的第二阶段。
-
- 初始化本阶段要使用到的硬件设备。
- 内存映射检测系统(memory map)。
- 内核图像和根文件系统图像Flash上读到RAM空间中。
- 为内核设置启动参数。
- 调用内核。
为了方便开发，程序员和Bootloader进行交互。
所谓检测内存映射，就是确定板上使用了多少内存，它们的地址空间是什么。由于嵌入式开发，Bootloader它主要是为某种板编写的，因此可以根据板的情况直接设置，不需要考虑适用于各种情况的复杂算法。
Flash上面的内核图像可能被压缩并读取RAM之后需要解压。当然，对于具有自解压功能的核心，不需要Bootloader来解压。
复制根文件系统的图像RAM这是不必要的。这取决于根文件系统的类型，以及内核访问它的方法。
下一节将介绍内核设置的启动参数。
将内核存放在适当的位置后，直接跳到其入口点调用内核。调用内核前，应满足以下条件：
(1)CPU 设置寄存器。
-
- R0＝0
- R1＝机器类型ID；对于ARM结构的CPU，其机器类型ID可以参见 linux/arch/arm/tools/mach-types。
- R2=启动参数标记表 RAM 中始基地址
(2)CPU工作模式。
-
- 禁止中断(IRQs和FIQs)
- CPU 必须 SVC 模式
(3)Cace 和 MMU 的设置。
-
- MMU 必须关闭
- 指令 Cache 可以打开也可以关闭
- 数据 Cache 必须关闭
如果用C语言，可以像下列示例代码一样来调用内核：
void (*theKernel)(int zero, int arch, u32
params_addr) = (void (*)(int, int, u32))KERNEL_RAM_BASE; ……
theKernel(0, ARCH_NUMBER, (u32) kernel_params_start);
- 3. Bootloader与内核的交互
Bootloader与内核的交互是单向的，Bootloader将各类参数传给内核。由于它们不能同时运行，传递办法只有一个：Bootloader将参数放在某个约定的地方之后，再启动内核，内核启动后从这个地方获得参数。
除了约定好参数存放的地址外，还要规定参数的结构。Linux 2.4.x
以后的内核都期望以标记列表(tagged
list)的形式来传递启动参数。标记，就是一种数据结构；标记列表，就是挨着存放的多个标记。标记列表以标记ATAG_CORE
开始，以标记ATAG_NONE
结束。标记的数据结构为tag，它由一个tag_header结构和一个联合(union)组成。tag_header结构表示标记的类型及长度，比如是
表示内存还是表示命令行参数等。对于不同类型的标记使用不同的联合(union)，比如表示内存时使用tag_mem32，表示命令行时使用
tag_cmdline。数据结构tag和tag_header定义在Linux内核源码的include/asm/setup.h头文件中：
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struct
tag_header { u32 size; u32 tag; };
struct
tag {
struct
tag_header hdr;
union
{
struct
tag_corecore;
struct
tag_mem32mem;
struct
tag_videotextvideotext;
struct
tag_ramdiskramdisk;
struct
tag_initrdinitrd;
struct
tag_serialnrserialnr;
struct
tag_revisionrevision;
struct
tag_videolfbvideolfb;
struct
tag_cmdlinecmdline;
/* * Acorn
specific */
struct
tag_acornacorn;
/* * DC21285 specific
*/
struct
tag_memclkmemclk; } u; };
|
下面以设置内存标记、命令行标记为例说明参数的传递：
(1)设置标记 ATAG_CORE。
标记列表以标记 ATAG_CORE开始，假设Bootloader与内核约定的参数存放地址为0x30000100，则可以以如下代码设置标记 ATAG_CORE：
params = (struct tag *) 0x30000100;
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，tag_next定义如下，它指向当前标记的末尾：
#define tag_next(t)((struct tag *)((u32 *)(t) + (t)->hdr.size))
(2)设置内存标记。
假设开发板使用的内存起始地址为0x30000000，大小为0x4000000，则内存标记可以如下设置：
params->hdr.tag = ATAG_MEM;
params->hdr.size = tag_size (tag_mem32);
params->u.mem.start = 0x30000000;
params->u.mem.size = 0x4000000;
params = tag_next (params);
(3)设置命令行标记。
命令行就是一个字符串，它被用来控制内核的一些行为。比如"root=/dev
/mtdblock2 init=/linuxrc
console=ttySAC0"表示根文件系统在MTD2分区上，系统启动后执行的第一个程序为/linuxrc，控制台为ttySAC0(即第一个串
口)。
命令行可以在Bootloader中通过命令设置好，然后如下构造标记传给内核：
char *p = "root=/dev/mtdblock2 init=/linuxrc console=ttySAC0";
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);
(4)设置标记ATAG_NONE。
标记列表以标记ATAG_NONE结束，如下设置：
params->hdr.tag = ATAG_NONE;
params->hdr.size = 0;
常用Bootloader介绍
现在Bootloader种类繁多，比如x86上有LILO、GRUB等。对于ARM架构的CPU，有U-Boot、Vivi等。它们各有特点，下面列出Linux的开放源代码的Bootloader及其支持的体系架构，如表15.1所示。
开放源码的Linux引导程序
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11 APPEND=no# Default: Create
new
config file
12 BOARD_NAME=
""
# Name to print in make output
13
14
while
[ $# -gt 0 ] ;
do
15
case
"$1"
in
16 --) shift ;
break
;;
17 -a) shift ; APPEND=yes ;;
18 -n) shift ; BOARD_NAME=
"${1%%_config}"
; shift ;;
19 *)
break
;;
20 esac
21 done
22
23 [
"${BOARD_NAME}"
] || BOARD_NAME=
"$1"
|
对于“./mkconfig smdk2410 arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0”命令，其中没有“--”、“-a”、“-n”等符号，所以第14～22行没做任何事情。第11、12行两个变量仍维持原来的值。
执行完第23行后，BOARD_NAME的值等于第1个参数，即“smdk2410”。
(2)创建到平台/开发板相关的头文件的链接。
略过mkconfig文件中的一些没有起作用的行：
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30 #
31 # Create link to architecture specific headers
32 #
33
if
[
"$SRCTREE"
!=
"$OBJTREE"
] ; then
……
45
else
46 cd ./include
47 rm -f asm
48 ln -s asm-$2 asm
49 fi
50
|
第33行判断源代码目录和目标文件目录是否一样，可以选择在其他目录下编译U-Boot，这可以令源代码目录保持干净，可以同时使用不同的配置进行编译。不过本书直接在源代码目录下编译的，第33行的条件不满足，将执行else分支的代码。
第46～48行进入include目录，删除asm文件(这是上一次配置时建立的链接文件)，然后再次建立asm文件，并令它链接向asm-$2目录，即asm-arm。
继续往下看代码：
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51 rm -f asm-$2/arch
52
53
if
[ -z
"$6"
-o
"$6"
=
"NULL"
] ; then
54 ln -s ${LNPREFIX}arch-$3 asm-$2/arch
55
else
56 ln -s ${LNPREFIX}arch-$6 asm-$2/arch
57 fi
58
59
if
[
"$2"
=
"arm"
] ; then
60 rm -f asm-$2/proc
61 ln -s ${LNPREFIX}proc-armv asm-$2/proc
62 fi
63
|
第51行删除asm-$2/arch目录，即asm-arm/arch。
对于“./mkconfig smdk2410 arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0”命令，$6为“s3c24x0”，不为空，也不是“NULL”，所以第53行的条件不满足，将执行else分支。
第56行中，LNPREFIX为空，所以这个命令实际上就是：ln -s arch-$6 asm-$2/arch，即：ln -s arch-s3c24x0 asm-arm/arch。
第60、61行重新建立asm-arm/proc文件，并让它链接向proc-armv目录。
(3)创建顶层Makefile包含的文件include/config.mk。
对于“./mkconfig smdk2410 arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0”命令，上面几行代码创建的config.mk文件内容如下：
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64 #
65 # Create include file
for
Make
66 #
67 echo
"ARCH = $2"
> config.mk
68 echo
"CPU = $3"
>> config.mk
69 echo
"BOARD = $4"
>> config.mk
70
71 [
"$5"
] && [
"$5"
!=
"NULL"
] && echo
"VENDOR = $5"
>> config.mk
72
73 [
"$6"
] && [
"$6"
!=
"NULL"
] && echo
"SOC = $6"
>> config.mk
74
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ARCH = arm
CPU = arm920t
BOARD = smdk2410
SOC = s3c24x0
(4)创建开发板相关的头文件include/config.h。
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75 #
76 # Create board specific header file
77 #
78
if
[
"$APPEND"
=
"yes"
]# Append to existing config file
79 then
80 echo >> config.h
81
else
82 > config.h# Create
new
config file
83 fi
84 echo
"/* Automatically generated - do not edit */"
>>config.h
85 echo
"#include
>>config.h
86
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前面说过，APPEND维持原值“no”，所以config.h被重新建立，它的内容如下：
/* Automatically generated - do not edit */
#include
现在总结一下，配置命令“make
smdk2410_config”，实际的作用就是执行“./mkconfig smdk2410 arm arm920t smdk2410
NULL s3c24x0”命令。假设执行“./mkconfig $1 $2 $3 $4 $5 $6”命令，则将产生如下结果：
(1)开发板名称BOARD_NAME等于$1；
(2)创建到平台/开发板相关的头文件的链接：
ln -s asm-$2 asm
ln -s arch-$6 asm-$2/arch
ln -s proc-armv asm-$2/proc# 如果$2不是arm的话，此行没有
(3) 创建顶层Makefile包含的文件include/config.mk。
ARCH = $2
CPU = $3
BOARD = $4
VENDOR = $5# $5为空，或者是NULL的话，此行没有
SOC = $6# $6为空，或者是NULL的话，此行没有
(4)创建开发板相关的头文件include/config.h。
/* Automatically generated - do not edit */
#include
从这4个结果可以知道，如果要在board目录下新建一个开发
板
面存放的就是开发板
U-Boot还没有类似Linux一样的可视化配置界面(比如使用make menuconfig来配置)，要手动修改配置文件include/config/
配置文件中有两类宏：
(1)一类是选项(Options)，前缀为“CONFIG_”，它们用于选择CPU、SOC、开发板类型，设置系统时钟、选择设备驱动等。比如：
#define CONFIG_ARM920T1/* This is an ARM920T Core*/
#defineCONFIG_S3C24101/* in a SAMSUNG S3C2410 SoC */
#define CONFIG_SMDK24101/* on a SAMSUNG SMDK2410 Board */
#define CONFIG_SYS_CLK_FREQ12000000/* the SMDK2410 has 12MHz input clock */
#define CONFIG_DRIVER_CS89001/* we have a CS8900 on-board */
(2)另一类是参数(Setting)，前缀为“CFG_”，它们用于设置malloc缓冲池的大小、U-Boot的提示符、U-Boot下载文件时的默认加载地址、Flash的起始地址等。比如：
#define CFG_MALLOC_LEN(CFG_ENV_SIZE + 128*1024)
#defineCFG_PROMPT"100ASK> "/* Monitor Command Prompt*/
#defineCFG_LOAD_ADDR0x33000000/* default load address*/
#define PHYS_FLASH_10x00000000 /* Flash Bank #1 */
从下面的编译、连接过程可知，U-Boot中几乎每个文件都被编译和连接，但是这些文件是否包含有效的代码，则由宏开关来设置。比如对于网卡驱动drivers/cs8900.c，它的格式为：
#include
……
#ifdef CONFIG_DRIVER_CS8900
/* 实际的代码 */
……
#endif/* CONFIG_DRIVER_CS8900 */
如果定义了宏CONFIG_DRIVER_CS8900，则文件中包含有效的代码；否则，文件被注释为空。
可以这样粗糙地认为，“CONFIG_”除了设置一些参数外，主要用来设置U-Boot的功能、选择使用文件中的哪一部分；而“CFG_”用来设置更细节的参数。
3. U-Boot的编译、连接过程
配置完后，执行“make all”即可编译，从Makefile中可以了解U-Boot使用了哪些文件、哪个文件首先执行、可执行文件占用内存的情况。
先确定用到哪些文件，下面只摘取Makefile中与arm相关的部分：
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117 include $(OBJTREE)/include/config.mk
118 exportARCH CPU BOARD VENDOR SOC
119
……
127 ifeq ($(ARCH),arm)
128 CROSS_COMPILE = arm-linux-
129 endif
……
163 # load other configuration
164 include $(TOPDIR)/config.mk
165
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第117、164行用于包含其他的config.mk文件，第117行所要包含文件的就是在
上面的配置过程中制作出来的include/config.mk文件，其中定义了ARCH、CPU、BOARD、SOC等4个变量的值为arm、
arm920t、smdk2410、s3c24x0。
第164行包含顶层目录的config.mk文件，它根据上面4个变量的值确定了编译器、编译选项等。其中对我们理解编译过程有帮助的是BOARDDIR、LDFLAGS的值，config.mk中：
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88 BOARDDIR = $(BOARD)
……
91 sinclude $(TOPDIR)/board/$(BOARDDIR)/config.mk# include board specific rules
……
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