bootloader启动流程分析

bootloader启动流程分析

1、Bootloader的概念和作用

Bootloader是嵌入式系统的引导加载程序，它是系统上电后运行的第一段程序。在完成对系统的初始化任务之后，它会将Flash中的Linux内核拷贝到 RAM 中去，跳转到内核的第一条指令处继续执行，从而启动 Linux 内核。由此可见，bootloader和 Linux内核密不可分，要想了解 Linux内核的启动过程，我们必须先得了解 bootloader的执行过程，这样才能对嵌入式系统的整个启过程有清晰的掌握。

2、常见的Bootloader

X86：LILO和GRUB

ARM：每一种芯片都会有自己的Bootloader

PowerPC：ppcboot

MIPS：YAMON

U-BOOT支持以上所有平台，是bootloader介公认的老大，因此接下来要深入学习U-BOOT。

3、Bootloader启动流程分析

Bootloader启动的两个阶段： stage1 和 stage2两大部分。 stage1 主要是一些依赖于 CPU 体系结构的代码。这一阶段的代码主要是通过汇编来实现的。 stage1 为位置无关代码，通常在Flash 中运行。所以有的指令为相对寻址，可以在任何位置运行。stage2 则是通常用 C 语言来实现，这样可以实现更复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。

stage1负责的主要任务有：
   ① 硬件设备初始化包括：关闭Watchdog、关闭中断、设置 CPU 的速度和时钟频率、配置SDRAM 存储控制器及 IO、关闭处理器内部指令/数据 Cache 等；
   ② 为加载Bootloader 的 stage2 代码准备 RAM ；
   ③ 复制 Bootloader的 stage2 代码到 RAM 中；
   ④ 设置堆栈；
   ⑤ 跳转到 stage2的 C 函数入口点。

stage2 负责的主要任务有：
① 硬件设备的初始化（如串口、Flash和网卡等）；
② 系统的内存映射检测；

    ③将内核映像从 Flash 读到 RAM 中；
    ④ 设置内核启动参数；
    ⑤ 调用内核。

Bootloader 调用内核的方法就是直接跳转到内核的第一条指令处。在调用内核之前下列的条件必须要满足：

（1） CPU 寄存器的设置

    ① R0 为 0；
    ② R1 为机器码；
    ③ R2 为启动参数，标记列表在RAM 中的起始基地址。

（2）CPU 工作模式
① 必须禁止中断（ IRQ 和 FIQ）；
② CPU 必须设置为 SVC 模式。

（3）Cache 和 MMU 的设置
    ① MMU 必须关闭；
    ② 指令 Cache 可以打开或关闭；
    ③ 数据 Cache 必须关闭。

4、uboot简介

U-Boot，全称Universal Boot Loader，遵循GPL 条款。为什么我们要选用U-Boot 作为Bootloader 呢？

    ①开放源码；
    ②对多种嵌入式操作系统内核的支持，如Linux、QNX等；
    ③对多个处理器系列的支持，如X86、PowerPC 、ARM等；
    ④较好的稳定性和可靠性；

⑤功能的设置较为灵活，适合U-Boot 调试、操作系统不同引导要求、产品发布等；
⑥丰富的设备驱动源码，如串口、以太网等。

5、U-BOOT代码结构分析

U-BOOT目录下有多个子目录，分别存放管理不同的源程序。这些目录下所要存放的文件有其规则，可以分成三类：

第一类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关；

第二类目录是一些通用的函数或者驱动程序；

第三类目录是 U-BOOT 的应用程序、工具或者文档。

U-BOOT目录结构

board	本目录存放与已有开发板相关的文件。每种开发板有一个子目录，子目录仅存放与开发板相关的c文件和配置文件，不包含开发板CPU架构通用的实现文件。
common	实现基本命令，一条命令一个文件
CPU	与CPU 架构相关的目录，每款CPU或架构在一个子目录下。其中的子目录都是以 U-BOOT 所支持的 CPU 为名，比如有子目录 mips、 mpc8260等，每个子目录中都包括Makefile、config.mk、interrupt.c、cpu.c和serials.c和 start.S。
disk	对磁盘的支持
doc	文档目录
drivers	存放设备驱动程序的目录，mmc、串口等
examples	一些独立运行的应用程序的例子。
fs	支持的文件系统。如ext2、yaffs2、jffs2等文件系统
include	需要的头文件都在该目录下，和各种平台所支持的汇编文件，系统配置文件和对文件系统所支持的文件，其configs 子目录下与目标板相关的配置头文件是移植过程中经常要修改的文件。
net	与网络协议栈相关的代码。BOOTP 协议、 TFTP 协议 RARP协议和 NFS 文件系统的实现。
lib	库文件
post	上电自检。
tools	生成U-BOOT的工具，例如mkimage等