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Bootloader是什么,U-boot是什么

Bootloader是一个用于初始化和启动操作系统的程序,位于计算机/嵌入式设备的内部存储器中。U-Boot(Universal Bootloader)是一个开源的通用Bootloader,可在许多处理器体系结构和嵌入式平台上使用,包括ARM、PowerPC等。

一、Bootloader是什么

1、概念

Bootloader是一个用于初始化和启动操作系统的程序,位于计算机/嵌入式设备的内部存储器中。在嵌入式操作系统中,BootLoader是在操作系统内核运行之前运行。可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图,从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态,以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。在嵌入式系统中,通常并没有像BIOS那样的固件程序(注,有的嵌入式CPU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。在一个基于ARM7TDMI core的嵌入式系统中,系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000处开始执行,而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。

2、背景介绍

Bootloader是嵌入式系统在加电后执行的名列前茅段代码,在它完成CPU和相关硬件的初始化之后,再将操作系统映像或固化的嵌入式应用程序装载到内存中然后跳转到操作系统所在的空间,启动操作系统运行。

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。

3、简介

通常,BootLoader是严重地依赖于硬件而实现的,特别是在嵌入式平台。因此,在嵌入式平台里建立一个通用的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。

在专用的嵌入式板子运行GNU/Linux系统已经变得越来越流行。一个嵌入式Linux系统从软件的角度看通常可以分为四个层次:

  • 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。
  • Linux内核:特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。
  • 文件系统:包括根文件系统和建立于Flash内存设备之上文件系统。通常用ramdisk来作为rootfs。
  • 用户应用程序:特定于用户的应用程序。有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。常用的嵌入式GUI有:MicroWindows和MiniGUI等。

4、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:在这种模式下,Bootloader从目标机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时,Bootloader必须工作在这种模式下。
  • 下载模式:在这种模式下,目标机上的Bootloader将通过串口或网络等通信手段从开发主机(Host)上下载内核映像和根文件系统映像等到RAM中,然后可再被Bootloader写到目标机上的固态存储媒质中,或者直接进行系统的引导。

启动加载模式通常用于名列前茅次烧写内核与根文件系统到固态存储媒质时或者以后的系统更新时使用;下载模式多用于开发人员在前期开发的过程中,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。

二、U-boot是什么

1、概念

U-Boot(Universal Bootloader)是一个开源的通用Bootloader,可在许多处理器体系结构和嵌入式平台上使用,包括ARM、PowerPC等。这也是一套在GNU通用公共许可证之下发布的自由软件。Das U-Boot可以在x86计算机上建构,但这部x86计算机必须安装有可支持特定平台结构的交互发展GNU工具链,例如crosstool、Embedded Linux Development Kit(ELDK)或OSELAS.Toolchain。

2、简介

U-Boot不仅仅支持嵌入式Linux系统的引导,它还支持NetBSD,VxWorks,QNX,RTEMS,ARTOS,LynxOS,android嵌入式操作系统。其目前要支持的目标操作系统是OpenBSD,NetBSD,FreeBSD,4.4BSD,Linux,SVR4,Esix,Solaris,Irix,SCO,Dell,NCR,VxWorks,LynxOS,pSOS,QNX,RTEMS,ARTOS,android。这是U-Boot中Universal的一层含义,另外一层含义则是U-Boot除了支持PowerPC系列的处理器外,还能支持MIPS、 x86、ARM、NIOS、XScale等诸多常用系列的处理器。这两个特点正是U-Boot项目的开发目标,即支持尽可能多的嵌入式处理器和嵌入式操作系统。就目前来看,U-Boot对PowerPC系列处理器支持最为丰富,对Linux的支持最完善。其它系列的处理器和操作系统基本是在2002年11 月PPCBOOT改名为U-Boot后逐步扩充的。从PPCBOOT向U-Boot的顺利过渡,很大程度上归功于U-Boot的维护人德国DENX软件工程中心Wolfgang Denk[以下简称W.D]本人精湛专业水平和执着不懈的努力。当前,U-Boot项目正在他的领军之下,众多有志于开放源码BOOT LOADER移植工作的嵌入式开发人员正如火如荼地将各个不同系列嵌入式处理器的移植工作不断展开和深入,以支持更多的嵌入式操作系统的装载与引导。

3、选择U-Boot的理由

  • 开放源码;
  • 支持多种嵌入式操作系统内核,如Linux、NetBSD、VxWorks、QNX、RTEMS、ARTOS、LynxOS、android;
  • 支持多个处理器系列,如PowerPC、ARM、x86、MIPS;
  • 较高的可靠性和稳定性;
  • 高度灵活的功能设置,适合U-Boot调试、操作系统不同引导要求、产品发布等;
  • 丰富的设备驱动源码,如串口、以太网、SDRAM、FLASH、LCD、NVRAM、EEPROM、RTC、键盘等;
  • 较为丰富的开发调试文档与强大的网络技术支持。

4、主要功能

U-Boot可支持的主要功能列表:

  • 系统引导支持NFS挂载、RAMDISK(压缩或非压缩)形式的根文件系统;支持NFS挂载、从FLASH中引导压缩或非压缩系统内核;
  • 基本辅助功能强大的操作系统接口功能;可灵活设置、传递多个关键参数给操作系统,适合系统在不同开发阶段的调试要求与产品发布,尤以Linux支持最为强劲;支持目标板环境参数多种存储方式,如FLASH、NVRAM、EEPROM;
  • CRC32校验可校验FLASH中内核、RAMDISK镜像文件是否完好;
  • 设备驱动串口、SDRAM、FLASH、以太网、LCD、NVRAM、EEPROM、键盘、USB、PCMCIA、PCI、RTC等驱动支持;
  • 上电自检功能SDRAM、FLASH大小自动检测;SDRAM故障检测;CPU型号;
  • 特殊功能XIP内核引导。

5、工作模式

U-Boot的工作模式有启动加载模式和下载模式。启动加载模式是Bootloader的正常工作模式,嵌入式产品发布时,Bootloader必须工作在这种模式下,Bootloader将嵌入式操作系统从FLASH中加载到SDRAM中运行,整个过程是自动的。下载模式就是Bootloader通过某些通信手段将内核映像或根文件系统映像等从PC机中下载到目标板的FLASH中。用户可以利用Bootloader提供的一些命令接口来完成自己想要的操作。

6、启动流程

大多数BootLoader都分为stage1和stage2两大部分,U-boot也不例外。依赖于cpu体系结构的代码(如设备初始化代码等)通常都放在stage1且可以用汇编语言来实现,而stage2则通常用C语言来实现,这样可以实现复杂的功能,而且有更好的可读性和移植性。

U-boot的stage1代码通常放在start.s文件中,它用汇编语言写成,其主要代码部分如下:

  • 定义入口。由于一个可执行的image必须有一个入口点,并且只能有一个全局入口,通常这个入口放在rom(Flash)的0x0地址,因此,必须通知编译器以使其知道这个入口,该工作可通过修改连接器脚本来完成
  • 设置异常向量(exception vector)
  • 设置CPU的速度、时钟频率及中断控制寄存器
  • 初始化内存控制器
  • 将rom中的程序复制到ram中
  • 初始化堆栈
  • 转到ram中执行,该工作可使用指令ldrpc来完成

stage2(C语言代码部分),lib_arm/board.c中的start armboot是C语言开始的函数,也是整个启动代码中C语言的主函数,同时还是整个u-boot(armboot)的主函数,该函数主要完成如下操作:

  • 调用一系列的初始化函数
  • 初始化flash设备
  • 初始化系统内存分配函数
  • 如果目标系统拥有nand设备,则初始化nand设备
  • 如果目标系统有显示设备,则初始化该类设备
  • 初始化相关网络设备,填写ip,c地址等
  • 进入命令循环(即整个boot的工作循环),接受用户从串口输入的命令,然后进行相应的工作

三、Bootloader与U-boot的关系

BootLoader是嵌入式设备中用来启动操作系统内核的一段程序。uboot(universal bootloader)是一种可以用于多种嵌入式CPU得BootLoader程序,换言之,uboot是bootloader的一个子集。uboot的核心作用就是启动操作系统内核,uboot的本质就是一段裸机程序。

延伸阅读1:U-boot支持的文件系统

  • Cramfs
  • ext2
  • FAT
  • FDOS
  • JFFS2
  • ReiserFS
  • UBIFS
  • YAFFS2