嵌入式系統 Boot Loader 技術(shù)內幕(2)

在繼續本節的討論之前，首先我們做一個(gè)假定，那就是：假定內核映像與根文件系統映像都被加載到 RAM 中運行。之所以提出這樣一個(gè)假設前提是因為，在嵌入式系統中內核映像與根文件系統映像也可以直接在 ROM 或 Flash 這樣的固態(tài)存儲設備中直接運行。但這種做法無(wú)疑是以運行速度的犧牲為代價(jià)的。

從操作系統的角度看，Boot Loader 的總目標就是正確地調用內核來(lái)執行。

另外，由于 Boot Loader 的實(shí)現依賴(lài)于 CPU 的體系結構，因此大多數 Boot Loader 都分為 stage1 和 stage2 兩大部分。依賴(lài)于 CPU 體系結構的代碼，比如設備初始化代碼等，通常都放在 stage1 中，而且通常都用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，以達到短小精悍的目的。而 stage2 則通常用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，這樣可以實(shí)現給復雜的功能，而且代碼會(huì )具有更好的可讀性和可移植性。

Boot Loader 的 stage1 通常包括以下步驟(以執行的先后順序)：

硬件設備初始化。

為加載 Boot Loader 的 stage2 準備 RAM 空間。

拷貝 Boot Loader 的 stage2 到 RAM 空間中。

設置好堆棧。

跳轉到 stage2 的 C 入口點(diǎn)。

Boot Loader 的 stage2 通常包括以下步驟(以執行的先后順序)：

初始化本階段要使用到的硬件設備。

檢測系統內存映射(memory map)。

將 kernel 映像和根文件系統映像從 flash 上讀到 RAM 空間中。

為內核設置啟動(dòng)參數。

調用內核。

3.1.1 基本的硬件初始化

這是 Boot Loader 一開(kāi)始就執行的操作，其目的是為 stage2 的執行以及隨后的 kernel 的執行準備好一些基本的硬件環(huán)境。它通常包括以下步驟（以執行的先后順序）：

1． 屏蔽所有的中斷。為中斷提供服務(wù)通常是 OS 設備驅動(dòng)程序的責任，因此在 Boot Loader 的執行全過(guò)程中可以不必響應任何中斷。中斷屏蔽可以通過(guò)寫(xiě) CPU 的中斷屏蔽寄存器或狀態(tài)寄存器（比如 ARM 的 CPSR 寄存器）來(lái)完成。

2． 設置 CPU 的速度和時(shí)鐘頻率。

3． RAM 初始化。包括正確地設置系統的內存控制器的功能寄存器以及各內存庫控制寄存器等。

4． 初始化 LED。典型地，通過(guò) GPIO 來(lái)驅動(dòng) LED，其目的是表明系統的狀態(tài)是 OK 還是 Error。如果板子上沒(méi)有 LED，那么也可以通過(guò)初始化 UART 向串口打印 Boot Loader 的 Logo 字符信息來(lái)完成這一點(diǎn)。

5． 關(guān)閉 CPU 內部指令／數據 cache。

3.1.2 為加載 stage2 準備 RAM 空間

為了獲得更快的執行速度，通常把 stage2 加載到 RAM 空間中來(lái)執行，因此必須為加載 Boot Loader 的 stage2 準備好一段可用的 RAM 空間范圍。

由于 stage2 通常是 C 語(yǔ)言執行代碼，因此在考慮空間大小時(shí)，除了 stage2 可執行映象的大小外，還必須把堆?？臻g也考慮進(jìn)來(lái)。此外，空間大小最好是 memory page 大小(通常是 4KB)的倍數。一般而言，1M 的 RAM 空間已經(jīng)足夠了。具體的地址范圍可以任意安排，比如 blob 就將它的 stage2 可執行映像安排到從系統 RAM 起始地址 0xc0200000 開(kāi)始的 1M 空間內執行。但是，將 stage2 安排到整個(gè) RAM 空間的最頂 1MB(也即(RamEnd-1MB) - RamEnd)是一種值得推薦的方法。

為了后面的敘述方便，這里把所安排的 RAM 空間范圍的大小記為：stage2_size(字節)，把起始地址和終止地址分別記為：stage2_start 和 stage2_end(這兩個(gè)地址均以 4 字節邊界對齊)。因此：

stage2_end＝stage2_start＋stage2_size

另外，還必須確保所安排的地址范圍的的確確是可讀寫(xiě)的 RAM 空間，因此，必須對你所安排的地址范圍進(jìn)行測試。具體的測試方法可以采用類(lèi)似于 blob 的方法，也即：以 memory page 為被測試單位，測試每個(gè) memory page 開(kāi)始的兩個(gè)字是否是可讀寫(xiě)的。為了后面敘述的方便，我們記這個(gè)檢測算法為：test_mempage，其具體步驟如下：

1． 先保存 memory page 一開(kāi)始兩個(gè)字的內容。

2． 向這兩個(gè)字中寫(xiě)入任意的數字。比如：向第一個(gè)字寫(xiě)入 0x55，第 2 個(gè)字寫(xiě)入 0xaa。

3． 然后，立即將這兩個(gè)字的內容讀回。顯然，我們讀到的內容應該分別是 0x55 和 0xaa。如果不是，則說(shuō)明這個(gè) memory page 所占據的地址范圍不是一段有效的 RAM 空間。

4． 再向這兩個(gè)字中寫(xiě)入任意的數字。比如：向第一個(gè)字寫(xiě)入 0xaa，第 2 個(gè)字中寫(xiě)入 0x55。

5． 然后，立即將這兩個(gè)字的內容立即讀回。顯然，我們讀到的內容應該分別是 0xaa 和 0x55。如果不是，則說(shuō)明這個(gè) memory page 所占據的地址范圍不是一段有效的 RAM 空間。

6． 恢復這兩個(gè)字的原始內容。測試完畢。

為了得到一段干凈的 RAM 空間范圍，我們也可以將所安排的 RAM 空間范圍進(jìn)行清零操作。

3.1.3 拷貝 stage2 到 RAM 中

拷貝時(shí)要確定兩點(diǎn)：(1) stage2 的可執行映象在固態(tài)存儲設備的存放起始地址和終止地址；(2) RAM 空間的起始地址。

3.1.4 設置堆棧指針 sp

堆棧指針的設置是為了執行 C 語(yǔ)言代碼作好準備。通常我們可以把 sp 的值設置為(stage2_end-4)，也即在 3.1.2 節所安排的那個(gè) 1MB 的 RAM 空間的最頂端(堆棧向下生長(cháng))。

此外，在設置堆棧指針 sp 之前，也可以關(guān)閉 led 燈，以提示用戶(hù)我們準備跳轉到 stage2。

經(jīng)過(guò)上述這些執行步驟后，系統的物理內存布局應該如下圖2所示。

3.1.5 跳轉到 stage2 的 C 入口點(diǎn)

在上述一切都就緒后，就可以跳轉到 Boot Loader 的 stage2 去執行了。比如，在 ARM 系統中，這可以通過(guò)修改 PC 寄存器為合適的地址來(lái)實(shí)現。

正如前面所說(shuō)，stage2 的代碼通常用 C 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，以便于實(shí)現更復雜的功能和取得更好的代碼可讀性和可移植性。但是與普通 C 語(yǔ)言應用程序不同的是，在編譯和鏈接 boot loader 這樣的程序時(shí)，我們不能使用 glibc 庫中的任何支持函數。其原因是顯而易見(jiàn)的。這就給我們帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，那就是從那里跳轉進(jìn) main() 函數呢？直接把 main() 函數的起始地址作為整個(gè) stage2 執行映像的入口點(diǎn)或許是最直接的想法。但是這樣做有兩個(gè)缺點(diǎn)：1)無(wú)法通過(guò)main() 函數傳遞函數參數；2)無(wú)法處理 main() 函數返回的情況。一種更為巧妙的方法是利用 trampoline(彈簧床)的概念。也即，用匯編語(yǔ)言寫(xiě)一段trampoline 小程序，并將這段 trampoline 小程序來(lái)作為 stage2 可執行映象的執行入口點(diǎn)。然后我們可以在 trampoline 匯編小程序中用 CPU 跳轉指令跳入 main() 函數中去執行；而當 main() 函數返回時(shí)，CPU 執行路徑顯然再次回到我們的 trampoline 程序。簡(jiǎn)而言之，這種方法的思想就是：用這段 trampoline 小程序來(lái)作為 main() 函數的外部包裹(external wrapper)。

下面給出一個(gè)簡(jiǎn)單的 trampoline 程序示例(來(lái)自blob)：

.text .globl _trampoline _trampoline: bl main /* if main ever returns we just call it again */ b _trampoline

可以看出，當 main() 函數返回后，我們又用一條跳轉指令重新執行 trampoline 程序――當然也就重新執行 main() 函數，這也就是 trampoline(彈簧床)一詞的意思所在。

3.2.1初始化本階段要使用到的硬件設備

這通常包括：（1）初始化至少一個(gè)串口，以便和終端用戶(hù)進(jìn)行 I/O 輸出信息；（2）初始化計時(shí)器等。

在初始化這些設備之前，也可以重新把 LED 燈點(diǎn)亮，以表明我們已經(jīng)進(jìn)入 main() 函數執行。

設備初始化完成后，可以輸出一些打印信息，程序名字字符串、版本號等。

3.2.2 檢測系統的內存映射（memory map）

所謂內存映射就是指在整個(gè) 4GB 物理地址空間中有哪些地址范圍被分配用來(lái)尋址系統的 RAM 單元。比如，在 SA-1100 CPU 中，從 0xC000,0000 開(kāi)始的 512M 地址空間被用作系統的 RAM 地址空間，而在 Samsung S3C44B0X CPU 中，從 0x0c00,0000 到 0x1000,0000 之間的 64M 地址空間被用作系統的 RAM 地址空間。雖然 CPU 通常預留出一大段足夠的地址空間給系統 RAM，但是在搭建具體的嵌入式系統時(shí)卻不一定會(huì )實(shí)現 CPU 預留的全部 RAM 地址空間。也就是說(shuō)，具體的嵌入式系統往往只把 CPU 預留的全部 RAM 地址空間中的一部分映射到 RAM 單元上，而讓剩下的那部分預留 RAM 地址空間處于未使用狀態(tài)。 由于上述這個(gè)事實(shí)，因此 Boot Loader 的 stage2 必須在它想干點(diǎn)什么 (比如，將存儲在 flash 上的內核映像讀到 RAM 空間中) 之前檢測整個(gè)系統的內存映射情況，也即它必須知道 CPU 預留的全部 RAM 地址空間中的哪些被真正映射到 RAM 地址單元，哪些是處于 unused 狀態(tài)的。

(1) 內存映射的描述

可以用如下數據結構來(lái)描述 RAM 地址空間中的一段連續(continuous)的地址范圍：

typedef struct memory_area_struct { u32 start; /* the base address of the memory region */ u32 size; /* the byte number of the memory region */ int used; } memory_area_t;

這段 RAM 地址空間中的連續地址范圍可以處于兩種狀態(tài)之一：(1)used=1，則說(shuō)明這段連續的地址范圍已被實(shí)現，也即真正地被映射到 RAM 單元上。(2)used=0，則說(shuō)明這段連續的地址范圍并未被系統所實(shí)現，而是處于未使用狀態(tài)。

基于上述 memory_area_t 數據結構，整個(gè) CPU 預留的 RAM 地址空間可以用一個(gè) memory_area_t 類(lèi)型的數組來(lái)表示，如下所示：

memory_area_t memory_map[NUM_MEM_AREAS] = { [0 ... (NUM_MEM_AREAS - 1)] = { .start = 0, .size = 0, .used = 0 }, };

(2) 內存映射的檢測

下面我們給出一個(gè)可用來(lái)檢測整個(gè) RAM 地址空間內存映射情況的簡(jiǎn)單而有效的算法：

/* 數組初始化 */ for(i = 0; i NUM_MEM_AREAS; i++) memory_map.used = 0; /* first write a 0 to all memory locations */ for(addr = MEM_START; addr MEM_END; addr += PAGE_SIZE) * (u32 *)addr = 0; for(i = 0, addr = MEM_START; addr MEM_END; addr += PAGE_SIZE) { /* * 檢測從基地址 MEM_START+i*PAGE_SIZE 開(kāi)始,大小為 * PAGE_SIZE 的地址空間是否是有效的RAM地址空間。 */ 調用3.1.2節中的算法test_mempage()； if ( current memory page isnot a valid ram page) { /* no RAM here */ if(memory_map.used ) i++; continue; } /* * 當前頁(yè)已經(jīng)是一個(gè)被映射到 RAM 的有效地址范圍 * 但是還要看看當前頁(yè)是否只是 4GB 地址空間中某個(gè)地址頁(yè)的別名？ */ if(* (u32 *)addr != 0) { /* alias? */ /* 這個(gè)內存頁(yè)是 4GB 地址空間中某個(gè)地址頁(yè)的別名 */ if ( memory_map.used ) i++; continue; } /* * 當前頁(yè)已經(jīng)是一個(gè)被映射到 RAM 的有效地址范圍 * 而且它也不是 4GB 地址空間中某個(gè)地址頁(yè)的別名。 */ if (memory_map.used == 0) { memory_map.start = addr; memory_map.size = PAGE_SIZE; memory_map.used = 1; } else { memory_map.size += PAGE_SIZE; } } /* end of for (…) */

在用上述算法檢測完系統的內存映射情況后，Boot Loader 也可以將內存映射的詳細信息打印到串口。

3.2.3 加載內核映像和根文件系統映像

(1) 規劃內存占用的布局

這里包括兩個(gè)方面：(1)內核映像所占用的內存范圍；（2）根文件系統所占用的內存范圍。在規劃內存占用的布局時(shí)，主要考慮基地址和映像的大小兩個(gè)方面。

對于內核映像，一般將其拷貝到從(MEM_START＋0x8000) 這個(gè)基地址開(kāi)始的大約1MB大小的內存范圍內(嵌入式 Linux 的內核一般都不操過(guò) 1MB)。為什么要把從 MEM_START 到 MEM_START＋0x8000 這段 32KB 大小的內存空出來(lái)呢？這是因為 Linux 內核要在這段內存中放置一些全局數據結構，如：?jiǎn)?dòng)參數和內核頁(yè)表等信息。

而對于根文件系統映像，則一般將其拷貝到 MEM_START+0x0010,0000 開(kāi)始的地方。如果用 Ramdisk 作為根文件系統映像，則其解壓后的大小一般是1MB。

（2）從 Flash 上拷貝

由于像 ARM 這樣的嵌入式 CPU 通常都是在統一的內存地址空間中尋址 Flash 等固態(tài)存儲設備的，因此從 Flash 上讀取數據與從 RAM 單元中讀取數據并沒(méi)有什么不同。用一個(gè)簡(jiǎn)單的循環(huán)就可以完成從 Flash 設備上拷貝映像的工作：

while(count) { *dest++ = *src++; /* they are all aligned with word boundary */ count -= 4; /* byte number */ };

3.2.4 設置內核的啟動(dòng)參數

應該說(shuō)，在將內核映像和根文件系統映像拷貝到 RAM 空間中后，就可以準備啟動(dòng) Linux 內核了。但是在調用內核之前，應該作一步準備工作，即：設置 Linux 內核的啟動(dòng)參數。

Linux 2.4.x 以后的內核都期望以標記列表(tagged list)的形式來(lái)傳遞啟動(dòng)參數。啟動(dòng)參數標記列表以標記 ATAG_CORE 開(kāi)始，以標記 ATAG_NONE 結束。每個(gè)標記由標識被傳遞參數的 tag_header 結構以及隨后的參數值數據結構來(lái)組成。數據結構 tag 和 tag_header 定義在 Linux 內核源碼的include/asm/setup.h 頭文件中：

/* The list ends with an ATAG_NONE node. */ #define ATAG_NONE 0x00000000 struct tag_header { u32 size; /* 注意，這里size是字數為單位的 */ u32 tag; }; …… struct tag { struct tag_header hdr; union { struct tag_core core; struct tag_mem32 mem; struct tag_videotext videotext; struct tag_ramdisk ramdisk; struct tag_initrd initrd; struct tag_serialnr serialnr; struct tag_revision revision; struct tag_videolfb videolfb; struct tag_cmdline cmdline; /* * Acorn specific */ struct tag_acorn acorn; /* * DC21285 specific */ struct tag_memclk memclk; } u; };

在嵌入式 Linux 系統中，通常需要由 Boot Loader 設置的常見(jiàn)啟動(dòng)參數有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。

比如，設置 ATAG_CORE 的代碼如下：

params = (struct tag *)BOOT_PARAMS; 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，BOOT_PARAMS 表示內核啟動(dòng)參數在內存中的起始基地址，指針 params 是一個(gè) struct tag 類(lèi)型的指針。宏 tag_next() 將以指向當前標記的指針為參數，計算緊臨當前標記的下一個(gè)標記的起始地址。注意，內核的根文件系統所在的設備ID就是在這里設置的。

下面是設置內存映射情況的示例代碼：

for(i = 0; i NUM_MEM_AREAS; i++) { if(memory_map.used) { params->hdr.tag = ATAG_MEM; params->hdr.size = tag_size(tag_mem32); params->u.mem.start = memory_map.start; params->u.mem.size = memory_map.size; params = tag_next(params); } }

可以看出，在 memory_map［］數組中，每一個(gè)有效的內存段都對應一個(gè) ATAG_MEM 參數標記。

Linux 內核在啟動(dòng)時(shí)可以以命令行參數的形式來(lái)接收信息，利用這一點(diǎn)我們可以向內核提供那些內核不能自己檢測的硬件參數信息，或者重載(override)內核自己檢測到的信息。比如，我們用這樣一個(gè)命令行參數字符串console=ttyS0,115200n8來(lái)通知內核以 ttyS0 作為控制臺，且串口采用 115200bps、無(wú)奇偶校驗、8位數據位這樣的設置。下面是一段設置調用內核命令行參數字符串的示例代碼：

char *p; /* eat leading white space */ for(p = commandline; *p == '' ''; p++) ; /* skip non-existent command lines so the kernel will still * use its default command line. */ if(*p == '''') return; 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);

請注意在上述代碼中，設置 tag_header 的大小時(shí)，必須包括字符串的終止符''''，此外還要將字節數向上圓整4個(gè)字節，因為 tag_header 結構中的size 成員表示的是字數。

下面是設置 ATAG_INITRD 的示例代碼，它告訴內核在 RAM 中的什么地方可以找到 initrd 映象(壓縮格式)以及它的大?。?/p>

params->hdr.tag = ATAG_INITRD2; params->hdr.size = tag_size(tag_initrd); params->u.initrd.start = RAMDISK_RAM_BASE; params->u.initrd.size = INITRD_LEN; params = tag_next(params);

下面是設置 ATAG_RAMDISK 的示例代碼，它告訴內核解壓后的 Ramdisk 有多大（單位是KB）：

params->hdr.tag = ATAG_RAMDISK; params->hdr.size = tag_size(tag_ramdisk); params->u.ramdisk.start = 0; params->u.ramdisk.size = RAMDISK_SIZE; /* 請注意，單位是KB */ params->u.ramdisk.flags = 1; /* automatically load ramdisk */ params = tag_next(params);

最后，設置 ATAG_NONE 標記，結束整個(gè)啟動(dòng)參數列表：

static void setup_end_tag(void) { params->hdr.tag = ATAG_NONE; params->hdr.size = 0; }

3.2.5 調用內核

Boot Loader 調用 Linux 內核的方法是直接跳轉到內核的第一條指令處，也即直接跳轉到 MEM_START＋0x8000 地址處。在跳轉時(shí)，下列條件要滿(mǎn)足：

1． CPU 寄存器的設置：

R0＝0；

R1＝機器類(lèi)型 ID；關(guān)于 Machine Type Number，可以參見(jiàn) linux/arch/arm/tools/mach-types。

R2＝啟動(dòng)參數標記列表在 RAM 中起始基地址；

2． CPU 模式：

必須禁止中斷（IRQs和FIQs）；

CPU 必須 SVC 模式；

3． Cache 和 MMU 的設置：

MMU 必須關(guān)閉；

指令 Cache 可以打開(kāi)也可以關(guān)閉；

數據 Cache 必須關(guān)閉；

如果用 C 語(yǔ)言，可以像下列示例代碼這樣來(lái)調用內核：

void (*theKernel)(int zero, int arch, u32 params_addr) = (void (*)(int, int, u32))KERNEL_RAM_BASE; …… theKernel(0, ARCH_NUMBER, (u32) kernel_params_start);

注意，theKernel()函數調用應該永遠不返回的。如果這個(gè)調用返回，則說(shuō)明出錯。