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嵌入式BootLoader技术内幕

作者:詹荣开 1  2  3  4  5

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 stage1
3.1.1 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。
3.1.2为加载 stage2 准备 RAM 空间
为了获得更快的执行速度,通常把 stage2 加载到 RAM 空间中来执行,因此必须为加载 Boot Loader 的 stage2 准备好一段可用的 RAM 空间范围。
由于 stage2 通常是 C 语言执行代码,因此在考虑空间大小时,除了 stage2 可执行映象的大小外,还必须把堆栈空间也考虑进来。此外,空间大小最好是 memory page 大小(通常是 4KB)的倍数。一般而言,1M 的 RAM 空间已经足够了。具体的地址范围可以任意安排,比如 blob 就将它的 stage2 可执行映像安排到从系统 RAM 起始地址 0xc0200000 开始的 1M 空间内执行。但是,将 stage2 安排到整个 RAM 空间的最顶 1MB(也即(RamEnd-1MB) - RamEnd)是一种值得推荐的方法。
为了后面的叙述方便,这里把所安排的 RAM 空间范围的大小记为:stage2_size(字节),把起始地址和终止地址分别记为:stage2_start 和 stage2_end(这两个地址均以 4 字节边界对齐)。因此:
stage2_end=stage2_start+stage2_size
另外,还必须确保所安排的地址范围的的确确是可读写的 RAM 空间,因此,必须对你所安排的地址范围进行测试。具体的测试方法可以采用类似于 blob 的方法,也即:以 memory page 为被测试单位,测试每个 memory page 开始的两个字是否是可读写的。为了后面叙述的方便,我们记这个检测算法为:test_mempage,其具体步骤如下:
1.先保存 memory page 一开始两个字的内容。
2.向这两个字中写入任意的数字。比如:向第一个字写入 0x55,第 2 个字写入 0xaa。
3.然后,立即将这两个字的内容读回。显然,我们读到的内容应该分别是 0x55 和 0xaa。如果不是,则说明这个 memory page 所占据的地址范围不是一段有效的 RAM 空间。
4.再向这两个字中写入任意的数字。比如:向第一个字写入 0xaa,第 2 个字中写入 0x55。
5.然后,立即将这两个字的内容立即读回。显然,我们读到的内容应该分别是 0xaa 和 0x55。如果不是,则说明这个 memory page 所占据的地址范围不是一段有效的 RAM 空间。
6.恢复这两个字的原始内容。测试完毕。
为了得到一段干净的 RAM 空间范围,我们也可以将所安排的 RAM 空间范围进行清零操作。
3.1.3 拷贝 stage2 到 RAM 中
拷贝时要确定两点:(1) stage2 的可执行映象在固态存储设备的存放起始地址和终止地址;(2) RAM 空间的起始地址。
3.1.4 设置堆栈指针 sp
堆栈指针的设置是为了执行 C 语言代码作好准备。通常我们可以把 sp 的值设置为(stage2_end-4),也即在 3.1.2 节所安排的那个 1MB 的 RAM 空间的最顶端(堆栈向下生长)。此外,在设置堆栈指针 sp 之前,也可以关闭 led 灯,以提示用户我们准备跳转到 stage2。经过上述这些执行步骤后,系统的物理内存布局应该如下图2所示。
3.1.5 跳转到 stage2 的 C 入口点
在上述一切都就绪后,就可以跳转到 Boot Loader 的 stage2 去执行了。比如,在 ARM 系统中,这可以通过修改 PC 寄存器为合适的地址来实现。


图2 bootloader 的 stage2 可执行映象刚被拷贝到 RAM 空间时的系统内存布局

3.2 Boot Loader 的 stage2
正如前面所说,stage2 的代码通常用 C 语言来实现,以便于实现更复杂的功能和取得更好的代码可读性和可移植性。但是与普通 C 语言应用程序不同的是,在编译和链接 boot loader 这样的程序时,我们不能使用 glibc 库中的任何支持函数。其原因是显而易见的。这就给我们带来一个问题,那就是从那里跳转进main() 函数呢?直接把 main() 函数的起始地址作为整个stage2 执行映像的入口点或许是最直接的想法。但是这样做有两个缺点:
1)无法通过main() 函数传递函数参数;
2)无法处理 main() 函数返回的情况。一种更为巧妙的方法是利用 trampoline(弹簧床)的概念。也即,用汇编语言写一段trampoline 小程序,并将这段 trampoline 小程序来作为 stage2 可执行映象的执行入口点。然后我们可以在 trampoline 汇编小程序中用 CPU 跳转指令跳入 main() 函数中去执行;而当 main() 函数返回时,CPU执行路径显然再次回到我们的trampoline 程序。简而言之,这种方法的思想就是:用这段 trampoline 小程序来作为 main() 函数的外部包裹(external wrapper)。

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