boot loader技术内幕
嵌入式系统BooLoaderP
的研究都有重要的意义。
2
PC 机中的引导加载程序
两部分组成
BIOS(其本质就是一段固件程序) 位于硬盘 MBR 中的 OS Boot Loader（如LILO 和 GRUB 等）
流程
BIOS 在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘 MBR 中的 Boot Loader 读到系统的 RAM 中，然后将控 制权交给 OS Boot Loader Boot Loader 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 ，即开始启动操作系统。
3
嵌入式系统中引导加载程序
系统的加载启动任务就完全由 Boot Loader 来完成
ARM7TDMI中，系统在上电或复位时从地址 0x00000000 处开始执行,这个地址是Boot Loader 程序
典型的嵌入式: boot loader object的缩写
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Boot Loader 的启动过程
从固态存储设备上启动Boot Loader大多都是 2 阶段
stage 1和 stage 2
BOOTLOADER一般分为2部分
stage 1:汇编部分,执行简单的硬件初始化 stage 2:C语言部分,负责复制数据,设置启动参数,串口通信等
在操作系统内核运行之前运行的一段小程序 功能
初始化硬件设备 建立内存空间的映射图 调整系统的软硬件环境，以便操作系统内核启动
不通用
依赖于硬件CPU 依赖于主板board
不同的CPU有不同的Boot Loader
有些 BootLoader 支持多CPU，如U-Boot支持ARM和 MIPS
4课、嵌入式系统的Boot Loader技术
RedBoot
VIVI
X86、ARM、PPC
ARM
是
是
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课程大纲
Bootloader程序的基本概念
Bootloader典型框架结构
S3C2410 Bootloader代码分析
嵌入式软件开发环境建立实验
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Boot Loader的典型框架结构
Boot Loader的启动过程通常是多阶段的
3、若找到合法的引导扇区（以0xAA55结束），那么就会将引 导扇区的内容（共512字节）装载到内存0x0000:7C00处。
4、BIOS把控制权限交给系统引导扇区的程序。
6
BIOS Boot Specification
BIOS Boot Specification
用于描述BIOS识别各类IPL(Initial Program Load)设备，并进行引导设备优先 级排序、启动加载等功能。
param
mem
设置bootloader参数
内存管理
param show
mem read 0x20000
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vivi源代码分析－目录结构
代码目录结构分析
36
vivi源代码分析－阶段1
Bootloader阶段1代码分析
禁止看门狗、中断 初始化时钟、内存 设置LED、GPIO 拷贝vivi至内存
Boot Loader的实现依赖于硬件环境
CPU体系结构：ARM、PPC、x86、MIPS 板级设备：时钟、FLASH、通讯端口 Boot Loader的入口地址 Boot Loader与开发机的通讯机制
串口
网络
专用Boot Loader 通用Boot Loader：U-boot、Redboot
嵌入式系统 Boot Loader 技术内幕
嵌入式系统Boot Loader 技术内幕1. 引言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：1. 引导加载程序。
包括固化在固件(firmware)中的boot 代码(可选)，和Boot Loader 两大部分。
2. 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。
3. 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ram disk 来作为root fs。
4. 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 懂。
引导加载程序是系统加电后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OS Boot Loader（比如，LILO 和GRUB 等）一起组成。
BIOS 在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘MBR 中的Boot Loader 读到系统的RAM 中，然后将控制权交给OS Boot Loader。
Boot Loader 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（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Boot Loader 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Boot Loader 程序。
本文将从Boot Loader 的概念、Boot Loader 的主要任务、Boot Loader 的框架结构以及Boot Loader 的安装等四个方面来讨论嵌入式系统的Boot Loader。
Boot Loader 技术内幕
Boot Loader 技术内幕Boot Loader依赖于CPU的体系结构（当然，有一些Boot Loader同时支持多种体系结构），也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。
系统加电或复位之后，所有的CPU通常都从某个由CPU制造商预先安排的地址上取指令。
基于CPU构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备（如：ROM、EEPROM或FLASH）被映射到这个预先安排的地址上。
(怎样映射？)因此，在系统加电后，CPU将首先执行Boot Loader程序。
下图为一个同时装有Boot Loader、内核的启动参数、内核映像和根文件系统映像的固态存储设备的典型空间分布结构图。
3、用来控制Boot Loader的设备或机制Boot Loader软件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。
4、Boot Loader的启动过程是单阶段还是多阶段从固态存储设备上启动的Boot Loader大多是2阶段的启动过程，也即启动过程分为：stage 1和stage 2两部分。
5、Boot Loader的操作模式大多数Boot Loader都包含两种不同的操作模式：“启动加载”模式和“下载”模式，这种区区别仅对开发人员有意义。
（1）、启动加载（Boot loading）模式：这种模式又叫做“自主”（Autonomous）模式。
即：Boot Loader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Boot Loader的正常工作模式，因此，在嵌入式产品发布的时候，Boot Loader显然必须工作在这种模式下。
（2）、下载（Downloading）模式：在这种模式下，目标机上的Boot Loader将通过串口连接或网络连接等通讯手段从主机（Host）下载文件，比如：下载内核映像和根文件系统映像等。
从主机下载的文件通常首先被Boot Loader保存到目标机的RAM中，然后再被Boot Loader写到目标机的Flash类固态存储设备中。
ARM Boot Loader简介
ARM Boot Loader简介1 Boot Loader概述简单地说，在操作系统内核运行之前，通过一小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图等，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配置好相应的环境，也可以下载文件到系统板上的SDRAM，对Flash进行擦除与编程，这个小程序一般称为Boot Loader。
可以说，一个功能完善的Boot Loader已经相当于一个微型的操作系统了。
Boot Loader作为系统复位或上电后首先运行的代码，一般应写入Flash存储器并从起始物理地址0x0开始。
Boot Loader是非常依赖于硬件而实现的，而且根据实现的功能不同，其复杂程度也各不相同。
一个简单的Boot Loader可以只完成USB口的初始化，而功能完善的Boot Loader可以支持比较复杂的命令集，对系统的软硬件资源进行合理的配置与管理。
因此，建立一个通用的Boot Loader几乎是不可能的。
尽管Boot Loader的功能各不相同，我们仍然可以对Boot Loader归纳出一些通用的概念来，以指导用户对特定要求的Boot Loader设计与实现。
Boot Loader一般应包括系统初始化过程，然后用户根据其系统的自身需求，具体设计。
系统初始化代码直接对ARM微处理器内核及硬件控制器编程，多采用汇编语言编程，初始化代码一般应包括如下典型任务：1.定义程序入口点；2.设置异常和中断向量表；3.初始化存储设备；4.初始化堆栈指针寄存器；5.初始化用户执行环境；6.呼叫主应用程序。
1.1 定义程序入口初始化代码必须定义整个程序的入口点。
通过伪指令Entry指定编译器保留该段代码，同时配合链接器的设置，确定整个程序的入口点。
1.2 设置异常和中断向量表异常和中断处理是嵌入式系统的重要核心部分。
它们负责处理错误、中断和其它由外部系统触发的事件。
ARM要求异常向量表必须放置在从0地址开始，连续32（8X4）字节的空间内，各异常的位置如表1所示。
解析单片机上应用的一款Boot Loader
解析单片机上应用的一款Boot Loader来源：电子设计应用作者：沈阳农业大学李娜许童羽李征明Boot Loader概述Boot Loader的概念及功能在以ARM为代表的嵌入式系统中，操作系统内核运行前的硬件初始化、建立内核镜像等都是由Boot Loader来完成的。
在PC机上，最先启动的是主板上的BIOS，BIOS负责对硬件初始化，给操作系统提供硬件的接口函数等等，但在嵌入式操作系统中并没有BIOS，因此整个嵌入式操作系统的加载启动任务就完全由Boot Loader来完成。
图1 Boot Loader流程图Boot Loader通常存放于目标平台的非易失存储介质中，主要用于完成由硬件启动到操作系统启动的过渡，能够在上电后对SDRAM、CACHE、FLASH等硬件部分进行检测，建立内存空间的映射图和内核镜像，建立通讯通道和调试通道等，还能够提供Shell Menu检测设置菜单和相应的检测程序，引导操作系统及应用程序，从而为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。
目前，嵌入式系统中广泛应用的UBoot、vivi、blob、armboot等Boot Loader在原有功能的基础上，增加了更多的功能并大大增强了移植性。
嵌入式系统中硬件的种类繁多，差距较大，而Boot Loader是严重依赖于硬件而实现的。
不同的CPU体系需要不同的Boot Loader，即便是同一种体系结构，由于其它硬件设备配置的不同，如板卡硬件地址的分配、RAM芯片的型号等，也需要对Boot Loader作一定的修改才能使用。
因此，开发人员需针对不同的处理器和开发板，对Boot Loader进行定制，来实现不同的功能。
Boot Loader的操作模式Boot Loader通常包括“启动加载(Boot loading)”和“下载(Downloading)”两种模式。
这两种操作模式仅对开发人员具有一定的意义。
启动加载模式：Boot Loader从目标机上的固态存储设备上将操作系统加载到RAM 中运行，无需用户介入。
boot loader工作原理
一、概述Boot loader是计算机系统中一个非常重要的组成部分，它负责在计算机开机时加载操作系统，并将控制权交给操作系统，是系统启动的关键环节。
本文将就boot loader的工作原理进行探讨。
二、Boot loader的基本概念1.Boot loader是什么Boot loader是一个位于计算机存储设备上的特殊程序，其作用是在计算机启动时被加载到内存中，并负责引导操作系统的启动。
2.Boot loader的种类Boot loader的种类有很多，比较常见的有GRUB、LILO、Windows Boot Manager等。
不同的操作系统有不同的Boot loader。
3.Boot loader的工作流程Boot loader的工作流程一般包括加载启动设备、加载操作系统内核、初始化操作系统环境等几个关键步骤。
三、Boot loader的工作原理1.加载启动设备当计算机开机时，BIOS（基本输入/输出系统）会首先启动，并执行POST（电脑自检）过程。
BIOS会查找启动设备（通常是硬盘、光盘、USB等），并加载位于启动设备第一个扇区的boot loader程序。
2.加载操作系统内核一旦Boot loader被成功加载到内存中，它将负责加载操作系统的内核。
Boot loader会根据预设的启动顺序和用户的选择，找到正确的操作系统内核，并将其加载到内存中。
3.初始化操作系统环境Boot loader会初始化操作系统所需的一系列环境参数，例如内存布局、设备驱动、文件系统等，然后将控制权交给操作系统内核。
四、Boot loader的主要功能Boot loader在系统启动过程中承担着至关重要的作用，其主要功能包括：1.引导操作系统：将控制权交给操作系统内核，使操作系统能够正常运行。
2.加载内核：找到并加载正确的操作系统内核，确保操作系统能够正常启动。
3.初始化环境：初始化操作系统所需的环境参数，为操作系统的正常运行做好准备。
vivi_boot_loader的实现
/* * vivi/arch/s3c2410/head.S: * Initialise hardware * * Copyright (C) 2001 MIZI Research, Inc. * * This program is free software; you can redistribute it and/or modify * it under the terms of the GNU General Public License as published by * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or * (at your option) any later version. * * This program is distributed in the hope that it will be useful, * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the * GNU General Public License for more details. * * You should have received a copy of the GNU General Public License * along with this program; if not, write to the Free Software * Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA 02111-1307 USA * * * Author: Janghoon Lyu <nandy@> * Date : $Date: 2003/02/26 10:38:11 $ * * $Revision: 1.18 $ * * * History: * * 2002-05-14: Janghoon Lyu <nandy@>
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嵌入式系统 Boot Loader 技术内幕简介：本文详细地介绍了基于嵌入式系统中的 OS 启动加载程序―― Boot Loader 的概念、软件设计的主要任务以及结构框架等内容。
1. 引言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：1. 引导加载程序。
包括固化在固件(firmware)中的 boot 代码(可选)，和 Boot Loader 两大部分。
2. 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。
3. 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 ram disk 来作为 root fs。
4. 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 懂。
引导加载程序是系统加电后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 OS Boot Loader（比如，LILO和 GRUB 等）一起组成。
BIOS 在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘 MBR 中的 Boot Loader 读到系统的 RAM 中，然后将控制权交给OS Boot Loader。
Boot Loader 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（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 Boot Loader 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Boot Loader 程序。
本文将从 Boot Loader 的概念、Boot Loader 的主要任务、Boot Loader 的框架结构以及 Boot Loader 的安装等四个方面来讨论嵌入式系统的 Boot Loader。
回页首2. Boot Loader 的概念简单地说，Boot Loader 就是在操作系统内核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，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，Boot Loader 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 Boot Loader 几乎是不可能的。
尽管如此，我们仍然可以对 Boot Loader 归纳出一些通用的概念来，以指导用户特定的 Boot Loader 设计与实现。
1. Boot Loader 所支持的 CPU 和嵌入式板每种不同的 CPU 体系结构都有不同的 Boot Loader。
有些 Boot Loader 也支持多种体系结构的 CPU，比如 U-Boot 就同时支持 ARM 体系结构和MIPS 体系结构。
除了依赖于 CPU 的体系结构外，Boot Loader 实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。
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，要想让运行在一块板子上的 Boot Loader 程序也能运行在另一块板子上，通常也都需要修改 Boot Loader 的源程序。
2. Boot Loader 的安装媒介（Installation Medium）系统加电或复位后，所有的 CPU 通常都从某个由 CPU 制造商预先安排的地址上取指令。
比如，基于 ARM7TDMI core 的 CPU 在复位时通常都从地址 0x00000000 取它的第一条指令。
而基于 CPU 构建的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)被映射到这个预先安排的地址上。
因此在系统加电后，CPU 将首先执行 Boot Loader 程序。
下图1就是一个同时装有 Boot Loader、内核的启动参数、内核映像和根文件系统映像的固态存储设备的典型空间分配结构图。
图1 固态存储设备的典型空间分配结构3. 用来控制 Boot Loader 的设备或机制主机和目标机之间一般通过串口建立连接，Boot Loader 软件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。
4. Boot Loader 的启动过程是单阶段（Single Stage）还是多阶段（Multi-Stage）通常多阶段的 Boot Loader 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 Boot Loader 大多都是 2 阶段的启动过程，也即启动过程可以分为 stage 1 和 stage 2 两部分。
而至于在 stage 1 和 stage 2 具体完成哪些任务将在下面讨论。
5. Boot Loader 的操作模式 (Operation Mode)大多数 Boot Loader 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，Boot Loader 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 Boot Loader 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Boot Loader 的正常工作模式，因此在嵌入式产品发布的时侯，Boot Loader 显然必须工作在这种模式下。
下载（Downloading）模式：在这种模式下，目标机上的 Boot Loader 将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机（Host）下载文件，比如：下载内核映像和根文件系统映像等。
从主机下载的文件通常首先被 Boot Loader 保存到目标机的 RAM 中，然后再被 Boot Loader 写到目标机上的FLASH 类固态存储设备中。
Boot Loader 的这种模式通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用；此外，以后的系统更新也会使用 Boot Loader 的这种工作模式。
工作于这种模式下的Boot Loader 通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。
像 Blob 或 U-Boot 等这样功能强大的 Boot Loader 通常同时支持这两种工作模式，而且允许用户在这两种工作模式之间进行切换。
比如，Blob 在启动时处于正常的启动加载模式，但是它会延时 10 秒等待终端用户按下任意键而将 blob 切换到下载模式。
如果在 10 秒内没有用户按键，则 blob 继续启动 Linux 内核。
6. 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 Boot Loader 通过串口与主机之间进行文件传输，传输协议通常是 xmodem／ymodem／zmodem 协议中的一种。
但是，串口传输的速度是有限的，因此通过以太网连接并借助TFTP 协议来下载文件是个更好的选择。
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的提供 TFTP 服务。
在讨论了 BootLoader 的上述概念后，下面我们来具体看看BootLoader 的应该完成哪些任务。
回页首3. Boot Loader 的主要任务与典型结构框架在继续本节的讨论之前，首先我们做一个假定，那就是：假定内核映像与根文件系统映像都被加载到 RAM 中运行。
之所以提出这样一个假设前提是因为，在嵌入式系统中内核映像与根文件系统映像也可以直接在 ROM 或 Flash 这样的固态存储设备中直接运行。
但这种做法无疑是以运行速度的牺牲为代价的。
从操作系统的角度看，Boot Loader 的总目标就是正确地调用内核来执行。
另外，由于 Boot Loader 的实现依赖于 CPU 的体系结构，因此大多数 Boot Loader 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，这样可以实现给复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。
Boot Loader 的 stage1 通常包括以下步骤(以执行的先后顺序)：∙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(以执行的先后顺序)：∙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。
3.1 Boot Loader 的 stage13.1.1 基本的硬件初始化这是 Boot Loader 一开始就执行的操作，其目的是为 stage2 的执行以及随后的 kernel 的执行准备好一些基本的硬件环境。
它通常包括以下步骤（以执行的先后顺序）：1．屏蔽所有的中断。
为中断提供服务通常是 OS 设备驱动程序的责任，因此在 Boot Loader 的执行全过程中可以不必响应任何中断。
中断屏蔽可以通过写 CPU 的中断屏蔽寄存器或状态寄存器（比如ARM 的 CPSR 寄存器）来完成。
2．设置 CPU 的速度和时钟频率。
3． RAM 初始化。
包括正确地设置系统的内存控制器的功能寄存器以及各内存库控制寄存器等。
4．初始化 LED。
典型地，通过 GPIO 来驱动 LED，其目的是表明系统的状态是 OK 还是 Error。
如果板子上没有 LED，那么也可以通过初始化 UART 向串口打印 Boot Loader 的 Logo 字符信息来完成这一点。
5．关闭 CPU 内部指令／数据 cache。