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Bootloader 设计分析
Bootloader 的操作模式(Operation Mode)
大多数 Bootloader 都包含两种不同的操作模式[2]:
(1). 启动加载(Boot loading)模式:也称为“自主”模式。即Bootloader 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。
(2).下载(Downloading)模式:在这种模式下,目标机上的Bootloader将通过串口或网络连接等通信手段从主机(Host)下载内核映像和根文件系统映像等,然后保存到目标机上的FLASH 类固态存储设备中。Bootloader的这种模式通常在系统初次安装和更新时被使用,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。
在我们的Bootloader设计中我们同时支持这两种工作模式,采用的方法是:一开始启动时处于正常的启动加载模式,但并不立即启动进入uClinux内核,而是提示延时5秒,等待终端用户如果按下某一特定按键,则切换到下载模式,否则继续启动uCLinux 内核。
Bootloader 的启动及初始化
基于ARM的芯片多数为复杂的片上系统(SoC),这类复杂系统里的多数硬件模块都是可配置的[3]。因此大多数 Bootloader 都分为 stage1 和 stage2 两大部分。依赖于 CPU 体系结构的代码,通常都放在 stage1 中,而且在这一部分,我们直接对处理器内核和硬件控制器进行编程,因此常常都用汇编语言来实现。而stage2则通常用C语言来实现,这样可以实现更复杂的功能,而且代码会具有更好的可读性和可移植性。
Bootloader的stage1
这部分代码必须首先完成一些基本的硬件初始化,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[2]。Bootloader的stage1一般通用的内容包括:
* 定义程序入口点
* 设置异常向量表
* 初始化存储系统(包括地址重映射)
* 初始化有特殊要求的端口,设备
* 初始化用户程序的执行环境
* 初始化堆栈指针寄存器,必要时改变处理器的模式
* 设置FIQ/IRQ中断处理程序入口
* 进入C程序
在整个Bootloader的初始化过程中我们都不必响应中断,因此首先禁止系统的中断,然后程序设置CPU的速度和时钟频率,设置CPU内部指令/数据cache,DRAM初始化,DRAM初始化完成后即可拷贝ROM中的代码到DRAM中,然后内存重映射,程序开始进入DRAM中执行,然后再初始化一些用户有特殊要求的端口、设备,比如LED或串口等,可以通过点亮LED,或者向串口打印一些调试信息,以此表明系统的状态是OK还是Error。然后准备进入C语言代码:拷贝Bootloader的RW/RO 段到相应的运行位置,初始化ZI段,初始化系统堆栈,设置FIQ/IRQ中断处理程序入口,设置完成就可以进入到C代码了。
在整个Bootloader的初始化过程中我们都不必响应中断,因此首先禁止系统的中断,然后程序设置CPU的速度和时钟频率,设置CPU内部指令/数据cache,DRAM初始化,DRAM初始化完成后即可拷贝ROM中的代码到DR