關(guān)于Boot Loader的啟動(dòng)流程和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗總結

Windows CE最大程度繼承了桌面版Windows的豐富功能，但是Windows CE并不是一個(gè)通用的安裝版操作系統。在形形色色的嵌入式設備世界里，一款CE系統通常只會(huì )針對某一種硬件平臺生成。

一般來(lái)說(shuō)，Windows CE的開(kāi)發(fā)過(guò)程可以分為：0AL(OEM AbstractiON Layer)、驅動(dòng)、應用程序開(kāi)發(fā)三個(gè)步驟。其中，0AL開(kāi)發(fā)最基本的一步是板級支持包(BSP)，而BootLOAder設計則在BSP開(kāi)發(fā)中具有極為關(guān)鍵的地位。

1.什么是BootLoader

嵌入式系統的啟動(dòng)代碼一般由兩部分構成：引導代碼和操作系統執行環(huán)境的初始化代碼。其中引導代碼一般也由兩部分構成：第一部分是板級、片級初始化代碼，主要功能是通過(guò)設置寄存器初始化硬件的工作方式，如設置時(shí)鐘、中斷控制寄存器等，完成內存映射、初始化MMU等。第二部分是裝載程序，將操作系統和應用程序的映像從只讀存儲器裝載或者拷貝到系統的RAM中并執行。

(1)什么是板級BSP?

BSP(Board Support Package)是板級支持包,是介于主板硬件和操作系統之間的一層,主要是為了支持操作系統，使之能夠更好的運行于硬件主板。不同的操作系統對應于不同形式的BSP,例如WinCE的BSP和Linux的BSP相對于某CPU來(lái)說(shuō)盡管實(shí)現的功能一樣,可是寫(xiě)法和接口定義是完全不同的。所以，BSP一定要按照該系統BSP的定義形式來(lái)寫(xiě)，這樣才能與上層OS保持正確的接口,良好的支持上層OS。

(2)什么是Boot Loader

在BSP中有一個(gè)重要的組成部分就是BootLoader,它是在操作系統內核運行之前運行的一段小程序。通過(guò)這段小程序，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(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，為調用操作系統內核準備好環(huán)境。

一般來(lái)說(shuō)，在嵌入式世界里BootLoader 是嚴重地依賴(lài)于硬件的，因此想建立一個(gè)通用的 BootLoader 幾乎是不可能的。不同的 CPU 體系結構有不同的BootLoader，而且除了依賴(lài)于 CPU的體系結構外，BootLoader還依賴(lài)于具體的嵌入式板級設備的配置。這也就是說(shuō)，對于兩塊不同的嵌入式板而言，即使它們是基于同一種 CPU 結構而構建的，要想讓運行在一塊板子上的 BootLoader 程序也能運行在另一塊板子上，通常也都需要修改 BootLoader 的源程序。

2.BootLoader在PC機與嵌入式的區別比較

(1)引導程序在PC機和嵌入式上的區別

一般來(lái)說(shuō)，在PC的硬件平臺上，由于硬件啟動(dòng)根本就不是通過(guò)BootLoader(而是通過(guò)BIOS)，所以BootLoader就不需要對CPU加電后的初始化做任何工作。在桌面系統中，有以下幾種設備可以作為啟動(dòng)設備使用：硬盤(pán)、USB盤(pán)、光盤(pán)驅動(dòng)器、還有網(wǎng)卡的Boot ROM等。但無(wú)論選擇了哪一種啟動(dòng)設備，操作系統都會(huì )去將該設備起始地址的內容讀入內存，BIOS將控制移交給引導裝載程序。如果啟動(dòng)設備是IDE硬盤(pán)，這時(shí)通常將引導裝載程序裝入第一個(gè)扇區(通常被稱(chēng)做主引導扇區，MBR)，然后將內容讀入內存再運行。

在嵌入式平臺上，引導裝載程序是在硬件上執行的第一段代碼，通常將引導程序放置在不易丟失的存儲器的開(kāi)始地址或者是系統冷啟動(dòng)時(shí)PC寄存器的初始值。在嵌入式系統中，通常并沒(méi)有像BIOS那樣的固件程序，因此整個(gè)系統的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由BootLoader來(lái)完成，引導程序完成自己的任務(wù)后，也將控制權移交給操作系統。因此，BootLoader是最先被執行的程序，所以就必須包括加電初始化程序。

(2)BSP在嵌入式和桌面Windows中的區別

其實(shí)運行在PC機上的桌面Windows或Linux系統也是有BSP的，只是PC機均采用統一的X86體系架構,這樣操作系統的BSP相對X86架構是單一確定的,不需要做任何修改就可以很容易支持OS在X86上正常運行,所以在PC機上談?wù)揃SP這個(gè)概念也就沒(méi)什么意義了。

而對嵌入式系統來(lái)說(shuō)情況則完全不同,目前市場(chǎng)上有多種結構的嵌入式CPU(如X86,ARM,MIPS等),而且為了性能的需要,外圍設備也會(huì )有不同的選擇和定義。因此，一個(gè)嵌入式操作系統針對不同的CPU會(huì )有不同的BSP，又即使同一種CPU,由于外設的差別其BSP也會(huì )不一樣。所以根據硬件設計編寫(xiě)和修改BSP,是保證嵌入式系統正常運行的一個(gè)重要環(huán)節。

(3)嵌入式BSP與PC機主板BIOS的區別

PC機主板上的BIOS首先是負責在電腦開(kāi)啟時(shí)檢測、初始化系統設備、裝入操作系統并調度操作系統向硬件發(fā)出的指令。它的Firmware代碼是在芯片生產(chǎn)過(guò)程中固化的,一般來(lái)說(shuō)用戶(hù)是無(wú)法修改。然后，為下載運行操作系統做準備,把操作系統由硬盤(pán)加載到內存,并傳遞一些硬件接口設置給系統。在OS正常運行后，BIOS的作用基本上也就完成了,這就是為什么更改BIOS一定要重新關(guān)機開(kāi)機。

從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，PC機BIOS的作用就象嵌入式系統中的Bootloader，都是最底層的引導軟件,初始化主板的基本設置,為接收外部程序做硬件上的準備。但與Bootloader不同的是，BIOS在裝載OS系統的同時(shí)還傳遞一些參數設置,而B(niǎo)ootloader只是簡(jiǎn)單的裝載系統。盡管BSP的開(kāi)始部分和BIOS所做的工作類(lèi)似,可是大部分又和BIOS不同,作用也完全不同。因為BSP還包含和系統有關(guān)的基本驅動(dòng)，程序員可以編程修改BSP，在BSP中任意添加一些和系統無(wú)關(guān)的驅動(dòng)或程序,甚至可以把上層開(kāi)發(fā)的統統放到BSP中。而B(niǎo)IOS程序是用戶(hù)不能更改和編譯編程的，只能對參數進(jìn)行修改設置，當然更不會(huì )包含一些基本的硬件驅動(dòng)。

3.Boot Loader的啟動(dòng)流程

大多數 BootLoader 都包含兩種不同的操作模式：?jiǎn)?dòng)加載模式和下載模式。啟動(dòng)加載模式也稱(chēng)為自主模式，即 BootLoader 從目標機上的某個(gè)固態(tài)存儲設備上將操作系統加載到 RAM 中運行，整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有用戶(hù)的介入。而下載模式則是目標機上的 BootLoader 將通過(guò)串口連接或網(wǎng)絡(luò )連接等通信手段從主機(Host)下載文件。從主機下載的文件通常首先被 Boot Loader 保存到目標機的 RAM 中，然后再被 BootLoader 寫(xiě)到目標機上的FLASH 類(lèi)固態(tài)存儲設備中。這種模式通常在第一次安裝內核與根文件系統時(shí)被使用，或系統更新時(shí)使用。一般嵌入式系統的Boot Loader較為常用的是啟動(dòng)加載模式，它的加載流程也是我們要重點(diǎn)討論的內容。

(1)啟動(dòng)部分

啟動(dòng)部分主要是實(shí)現初始化硬件的功能。在參考板的BootLoader目錄下，會(huì )發(fā)現一些.s文件，可能會(huì )是init.s或者是reset.s等，這樣的文件是CPU加電后最先執行的代碼。接著(zhù)Oal.exe通過(guò)Startup函數完成硬件的初始化，StartUp 函數是Boot Loader的入口函數。該函數一般是使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，與CPU關(guān)系非常緊密，能完成初始化CPU、內存等核心硬件。

Startup.s代碼與硬件平臺的Bootloader啟動(dòng)代碼共用。如果是熱啟動(dòng)，即在該函數調用之前已經(jīng)啟動(dòng)了Bootloader程序，相當基本硬件初始化已經(jīng)完成，則直接跳轉到OALStartUp函數中;否則需要進(jìn)行硬件中斷屏蔽、內存、系統時(shí)鐘頻率、電源管理等硬件的基本初始化過(guò)程。在系統硬件初始化完畢之后，Startup調用OALStartUp函數，OALStartUp函數主要完成將OEMAddressTable表傳遞給內核，然后調用KernelStart函數跳轉到內核。因此，這部分工作是BootLoader的一大重點(diǎn)。

(2)主控部分

StartUp 函數初始化CPU等核心硬件并跳轉到Main函數后，系統就會(huì )轉入C語(yǔ)言代碼執行環(huán)境。這時(shí)函數分為3個(gè)模塊：BLCOMMON、Download Function、Flash Function。其中BLCOMMON模塊是由微軟提供的，執行一些邏輯上的功能，因此建議開(kāi)發(fā)人員不要對其進(jìn)行修改。而Download Function、FLASH Function中的函數與硬件平臺息息相關(guān)，因此對于每種硬件平臺都要將函數的實(shí)現進(jìn)行修改。

其中，BLCOMMON庫是與BootLoader程序鏈接在一起的，BLCOMMON庫的入口點(diǎn)為BootloaderMain函數，它是Startup匯編函數完成后跳轉至該入口的。Main函數的主要任務(wù)時(shí)調用BLCommon中的 BootloaderMain()函數，這是BootLoader的主控函數，它控制了BootLoader的完整執行流程。這部分代碼由C語(yǔ)言實(shí)現，是BLCOMMON代碼的一部分，它可以用來(lái)執行比較復雜的操作。比如檢測內存和Flash的有效性、檢測外部設備接口、檢測串口并且向已經(jīng)連接的主機發(fā)送調試信息、通過(guò)串口等待命令、啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )接口、建立內存映射等匯編無(wú)法完成的工作。

(3)下載部分

一般在平臺調試完畢后，可以在不用人工干預的情況下自動(dòng)加載CE，這也是BootLoader的功能之一。而在調試階段時(shí)，這需要通過(guò)Loader所支持的命令來(lái)進(jìn)行操作的，借助于這些命令不僅可以完成硬件平臺的部分測試，還能完成CE的BootLoader程序最為重要的一個(gè)功能--下載CE映像。如果說(shuō)硬件調試功能可以由其它的程序代替而不放入BootLoader中，但是下載映像文件卻是BootLoader必需的功能。

CE映像文件通常叫做nk.bin，它是Windows CE二進(jìn)制數據格式文件，不僅包含了有效的程序代碼，還有按照一定規則加入的控制信息。當然，也可以選擇生成.sre格式的代碼文件，但是相于對前一種格式，它的代碼要長(cháng)很多，所需要的下載時(shí)間也更長(cháng)。

(4)支持DOC部份

對于WinCE操作系統而言，豐富的多媒體功能是其一大特點(diǎn)。但是隨之而來(lái)的問(wèn)題是，如果選擇了圖形界面和中文支持，系統很容易大大超出嵌入式系統上百KB的數量級。而DOC(Disk On Chip)則提供了一種相對廉價(jià)的大存儲容量的解決方案。

DOC本質(zhì)上是一種加以軟件控制的NAND格式的Flash，通過(guò)TFFS這一軟件層提供對WinCE的支持。由于DOC不能像內存一樣被直接訪(fǎng)問(wèn)，所以其加載WinCE的過(guò)程有些特殊，必須要在BootLoader中加入專(zhuān)門(mén)的代碼，才能使用DOC來(lái)存放WinCE映像文件。

4.Boot Loader的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗總結

(1)嵌入式系統中，Bootloader的意義與作用與PC上的BIOS有點(diǎn)類(lèi)似，它對開(kāi)發(fā)板上的主要部件如CPU、SDRAM、FLASH、串口等進(jìn)行了初始化，也可以使用Bootloader下載文件到開(kāi)發(fā)板和啟動(dòng)系統等。因此，一個(gè)功能比較強大的Bootloader已經(jīng)相當于一個(gè)微型的操作系統了。

(2)從CE的BootLoader開(kāi)發(fā)流程可以看出，BootLoader在完成下載CE映像和加載映像的主要功能外，還具有一些調試硬件的功能。當然，這些功能不是必需的，隨不同的用戶(hù)有不同的定義，但這是在開(kāi)發(fā)CE系統中不可跳過(guò)的一環(huán)。

(3)嵌入式系統應用開(kāi)發(fā)不同于PC機，其開(kāi)發(fā)過(guò)程同時(shí)涉及軟硬件以及上層應用開(kāi)發(fā)綜合考慮;而PC機應用開(kāi)發(fā)是建立在已經(jīng)定制好的硬件和操作系統平臺上，開(kāi)發(fā)者只需調用系統提供的接口和服務(wù)完成相應的功能?？紤]到成本約束，嵌入式系統的硬件平臺通常是根據應用量身定制，通常所用的MPU、存儲器、外圍設備等有多種選擇余地，使平臺的引導設計變得十分復雜。因此，從零實(shí)現的話(huà)會(huì )需要相當長(cháng)的過(guò)程，通常的做法是利用微軟為每種類(lèi)型CPU提供的標準開(kāi)發(fā)板的BootLoader例程，從這些例程中尋找與硬件平臺最接近的作為標本程序，然后根據硬件平臺作相應的改動(dòng)。

總而言之，BootLoader是開(kāi)發(fā)WinCE系統第一步，也是關(guān)鍵的一步。只有得到一個(gè)穩定工作的Loader程序，才能夠進(jìn)一步開(kāi)發(fā)WinCE的BSP，才能得到整個(gè)嵌入式系統的成功。