BootLoader啟動引導(dǎo)方式分析

在中大規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，往往需要BootLoader對系統(tǒng)內(nèi)核進行加載和啟動引導(dǎo)。現(xiàn)有的加載啟動引導(dǎo)方式大多需要目標(biāo)機與宿主機間的線路連接，使用起來不方便且效率不高。本文在分析現(xiàn)有的加載和啟動引導(dǎo)方式的基礎(chǔ)上，提出一種改進方法，即采用基于FAT文件系統(tǒng)的可移動設(shè)備作為加載和啟動引導(dǎo)內(nèi)核的載體，并分析其加載和啟動引導(dǎo)的具體過程。

關(guān)鍵詞? BootLoader? FAT文件系統(tǒng)? 啟動引導(dǎo)? LPC2294

引言

　　BootLoader通常稱為“系統(tǒng)的引導(dǎo)加載程序”，是系統(tǒng)加電或復(fù)位后執(zhí)行的第一段程序代碼[1]。這段程序的主要任務(wù)是，實現(xiàn)硬件設(shè)備初始化并建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核或用戶應(yīng)用程序準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。通常，BootLoader包含兩種不同的加載和啟動引導(dǎo)方式，即啟動加載方式和下載方式。

　　① 啟動加載（boot loading）方式。這種引導(dǎo)方式也稱為“自主（autonomous）引導(dǎo)方式”，也即BootLoader從目標(biāo)機的某個固態(tài)存儲設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中并引導(dǎo)運行，整個過程并沒有用戶的介入。這種引導(dǎo)方式是BootLoader的正常工作模式下普遍采用的一種引導(dǎo)方式。因此在嵌入式產(chǎn)品發(fā)布的時候，BootLoader一般以這種引導(dǎo)方式對內(nèi)核代碼進行啟動引導(dǎo)。
　　② 下載（down loading）方式。在這種引導(dǎo)方式下目標(biāo)機上的BootLoader將通過串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機下載文件，如下載應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)文件、內(nèi)核映像等。從主機下載的文件通常首先被BootLoader保存到目標(biāo)機的RAM中，然后再被BootLoader寫到目標(biāo)機上的固態(tài)存儲設(shè)備中，其后完成內(nèi)核的引導(dǎo)運行。BootLoader的這種引導(dǎo)方式通常在系統(tǒng)研發(fā)和更新時使用。

　　在嵌入式系統(tǒng)研發(fā)階段，現(xiàn)有的BootLoader下載引導(dǎo)方式又可根據(jù)加載途徑的不同細分為以下幾種：

　　① 通過Ethernet網(wǎng)口從宿主機下載內(nèi)核到目標(biāo)板，從而實現(xiàn)軟件系統(tǒng)啟動；
　　② 通過串口從宿主機下載內(nèi)核到目標(biāo)板從而實現(xiàn)軟件系統(tǒng)啟動；
　　③ 直接從Flash中提取已存儲的內(nèi)核，從而實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的啟動。

　　總結(jié)以上幾種引導(dǎo)方式會發(fā)現(xiàn)，它們有些共同的弊端；在系統(tǒng)調(diào)試時需要進行宿主機與目標(biāo)板間的硬件線路的實際連接，使用起來不夠方便，且燒片的速度比較緩慢，調(diào)試的效率不高；硬件方面需要大容量的Flash的支持，增加了研發(fā)成本；進行內(nèi)核更新時顯得不夠靈活。為此，采用可移動的存儲介質(zhì)對系統(tǒng)內(nèi)核進行存儲（如SD卡、CF卡等），從而實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)核的靈活調(diào)試和引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式的好處是，在調(diào)試時無需把宿主機和目標(biāo)板進行硬件連接，提高了調(diào)試的效率，使用起來更便捷、更靈活；進行內(nèi)核更新時顯得更為靈活，只需把更新內(nèi)核轉(zhuǎn)存到指定目錄，此外它的實現(xiàn)也比較簡單。進行這方面的改進時只需做以下工作：在硬件方面，增加針對特定移動存儲介質(zhì)的硬件電路，而在中大型系統(tǒng)中，有關(guān)移動存儲介質(zhì)的硬件電路（如SD卡、CF卡等相關(guān)的電路）是現(xiàn)成的，所以硬件部分也可忽略；在BootLoader程序內(nèi)部，只需添加對移動存儲介質(zhì)（如CF卡、SD卡等）基于文件系統(tǒng)進行存儲訪問的指令。按此思路，在已有硬件平臺的基礎(chǔ)上針對移動設(shè)備SD卡對原有BootLoader進行了改進。下面介紹實現(xiàn)過程。

1? 硬件平臺

　　本次改進測試的硬件平臺是由英蓓特公司開發(fā)的基于LPC2294 ARM控制器的LPC22EB06I實驗平臺。其上的主要功能模塊有：

　　① 2 MB的Flash、1 MB的SRAM（可擴展到4 MB）、256B具有I2C接口的E2PROM等存儲器；
　　② 2個RS232（其中一路可接Modem）、RS485、CAN等通信總線接口；
　　③ 2個調(diào)試接口：LPT和JTAG調(diào)試接口；
　　④ 支持CF卡、SD/MMC等移動存儲介質(zhì)；
　　⑤ 支持128×128真彩顯示。

　　圖1是其硬件功能框圖。

圖1? LPC22EB06I開發(fā)平臺功能框圖

2? BootLoader的改進設(shè)計

2.1? 原有BootLoader功能

　　原來的BootLoader具有如下功能：

　　① 串口下載功能，通過串口下載內(nèi)核到指定RAM區(qū)；
　　② Flash燒寫功能，從RAM區(qū)燒寫數(shù)據(jù)到Flash中；
　　③ 數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)塊搬移功能；
　　④ 其他功能。其指令封裝結(jié)構(gòu)如下：

struct _CMD_TBL {
　　char *cmd;//命令字
　　bool(*run)(struct _CMD_TBL*cptr,int argc,char**argv);//指向具體的功能處理函數(shù)
　　char*usage;//命令使用方法信息
　　char*help;//幫助信息
　　char*helpMore;
};

　　例如，F(xiàn)lash燒寫命令封裝如下：

CMD_TBL_FLASH
　　{"flash",DoWriteToFlashBlocks,
　　"flash {loader/kernel/root} {block1/.../block16}\n"
" Copy to Flash from SDRAM of Area.\n"
"flash [dest] [src] [len]\n" \
" Copy to Flash from src to dest.\n",
"flash {loader/kernel/root} {block1/.../block16}\n"
" Copy to Flash from SDRAM.\n",
"flash {loader/kernel/root} {block1/.../block16}\n"
" Copy to Flash from SDRAM of Area.\n"
"flash [dest] [src] [len]\n"
" Copy to Flash from src to dest.\n"
}

其中，flash是其命令字；DoWriteToFlashBlocks為其處理方法的方法名；flash {loader/kernel/root} {block1/.../block16}和flash [dest] [src] [len]為其命令的使用格式（其中“{}”內(nèi)為可選項，“[]”內(nèi)為必選項）。

2.2? BootLoader改進實驗

　　此次改進就是在原有BootLoader的基礎(chǔ)上，增加對移動存儲介質(zhì)SD卡以FAT格式進行讀取數(shù)據(jù)的指令來實現(xiàn)的。命令封裝如下：
CMD_TBL_SD_READ
{"readSD", DoReadFromSDBlocks,
"readSD [filename] [addr] Read data from SD to SDRAM for startup.\n",
"readSD [filename] [addr] Read data from SD to SDRAM for startup.\n",
"readSD [filename] [addr] Read data from SD to SDRAM for startup.\n"
}
其功能是，在SD卡中把指定目錄下的內(nèi)核文件提取到SDRAM區(qū)域中，從而完成內(nèi)核的加載。

　　另增加3條輔助指令，一條完成SD卡的格式化，另一條完成對系統(tǒng)內(nèi)核的保存，最后一條完成對系統(tǒng)內(nèi)核的啟動加載。命令封裝如下：
CMD_TBL_SD_FORMAT{
　　"formatSD",DoFormatSDCard,
　　"formatSDformat SD card with FAT\n",
　　"formatSDformat SD card with FAT\n",
　　"formatSDformat SD card with FAT\n"
}
CMD_TBL_SD_STORE{
　　"SDstore", DoStoreToSDBlocks,
　　"SDstore \[addr] {kernel/rootfs}\n"
　　"Store kernel/rootfs fromSDRAMto SD card.\n",
　　"SDstore [addr] {kernel/rootfs}\n"
　　"Store kernel/rootfs fromSDRAM to SD card.\n",
　　"SDstore [addr] {kernel/rootfs}\n"
　　"Store kernel/rootfs fromSDRAM to SD card.\n"
}
CMD_TBL_SD_LOAD{
　　"SDload", DoLoadFromSDBlocks,
　　"SDload [addr] {kernel/rootfs}\n"
　　"Load kernel/rootfs from SD card toSDRAM.\n",
　　"SDstore [addr] {kernel/rootfs}\n"
　　"Load kernel/rootfs from SD card toSDRAM.\n",
　　"SDstore [addr] {kernel/rootfs}\n"
　　"Load kernel/rootfs from SD card toSDRAM.\n"
}

　　其中，CMD_TBL_SD_FORMAT的功能是完成對SD卡的格式化，CMD_TBL_SD_STORE的功能是把SDRAM區(qū)域中的內(nèi)核代碼備份到SD卡的固定存儲區(qū)，CMD_TBL_SD_LOAD的功能是把SD卡的固定存儲區(qū)中的內(nèi)核代碼加載到指定的SDRAM區(qū)域中。

　　下面分析一下其基于FAT文件系統(tǒng)的具體讀取和備份方法。首先看一下FAT文件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。FAT文件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)大體由4大部分組成：MBR區(qū)（主引導(dǎo)記錄區(qū)）、DBR區(qū)（DOS引導(dǎo)記錄區(qū)）、FAT區(qū)（文件分配表區(qū)，F(xiàn)AT1為主文件分配表區(qū)，F(xiàn)AT2為備份文件分配表區(qū)）和DATA區(qū)（數(shù)據(jù)區(qū)，包含F(xiàn)DT區(qū)——文件目錄表區(qū)）。FAT文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

　　其各個區(qū)域基扇區(qū)地址（把MBR區(qū)的基扇區(qū)地址作為0）計算如下：

　　DBR區(qū)的基扇區(qū)地址=MBR基扇區(qū)地址+63
　　FAT表的基扇區(qū)地址=DBR的基扇區(qū)地址+保留扇區(qū)數(shù)
　　FDT區(qū)基扇區(qū)地址=每FAT表扇區(qū)數(shù)×FAT表個數(shù)+（FDT區(qū)的開始簇號2）×每簇扇區(qū)數(shù)+FAT表基扇區(qū)地址。（簇是系統(tǒng)進行文件管理的單位，F(xiàn)AT表中的每一項對應(yīng)一個簇，文件的存取按簇進行，一簇包含若干個扇區(qū)。）

　　從FAT文件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)可以看出，從SD卡中讀取系統(tǒng)內(nèi)核代碼數(shù)據(jù)到指定的RAM區(qū)比較容易，就是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)核文件名在文件系統(tǒng)中進行查找定位，隨后完成讀取。對于內(nèi)核代碼的備份和加載，需要在深入分析FAT文件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對SD卡格式化作一些處理。在格式化時，通過設(shè)置MBR區(qū)和DBR區(qū)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)不對SD卡存儲區(qū)的最末8 MB區(qū)域（根據(jù)實際需要可增減）作格式化處理的目的，即把它置為RAW區(qū)。所以系統(tǒng)內(nèi)核備份的實現(xiàn)，就是把系統(tǒng)內(nèi)核代碼通過SD卡的寫入指令填充到RAW區(qū)。系統(tǒng)內(nèi)核的加載是從RAW區(qū)直接讀取備份的內(nèi)核代碼。

3? 總結(jié)

　　本文所述的內(nèi)核加載啟動引導(dǎo)方式已經(jīng)過實踐驗證。它實現(xiàn)了目標(biāo)板與宿主機間硬件線路連接的完全脫離，為系統(tǒng)調(diào)試者提供了便利，有效地提高了系統(tǒng)調(diào)試的效率；與此同時，它還能方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的在線更新。可以說要進行系統(tǒng)啟動引導(dǎo)設(shè)計，此方法是一個不錯的選擇。最后說明一點，本文介紹的BootLoader改進方法是在LCP2294芯片開發(fā)的LPC22EB06I實驗平臺上完成的。由于BootLoader與處理器的體系結(jié)構(gòu)和具體嵌入式板級設(shè)備的配置密切相關(guān)，若要在其他的處理器芯片或平臺上采用上述方法，還需對BootLoader中與處理器體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼作適當(dāng)?shù)男薷摹＿@部分不是本文探討的主要內(nèi)容，所以在此不再詳述，若有讀者還想詳細了解相關(guān)內(nèi)容，請查閱相關(guān)論文或書籍。