uboot研讀筆記 | 00 - 嵌入式Linux系統中Bootloader的作用和基本運作原理

項目開源位址：https://github.com/Mculover666/uboot-jz2440

0. 教程完整目錄

• 00 - 嵌入式Linux系統中Bootloader的作用和基本運作原理
• 01 - 下載下傳uboot源碼并使用VSCode遠端檢視源碼、編譯uboot（2012.04.01版本）
• 02 - 詳細探索uboot啟動過程（基于S3C2410處理器）
• 03 - 初步移植uboot 2012.04到JZ2440（修改時鐘，配置序列槽）
• 04 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（支援Nor Flash讀寫）
• 05 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（支援Nand Flash讀寫）
• 06 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（支援DM9000C網卡）
• 07 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（裁剪uboot大小）
• 08 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（設定mtd分區表）
• 09 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（設定預設環境變量參數）
• 10 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（燒寫Linux核心、燒寫yaffs2檔案系統）
• 11 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（移植完成，制作uboot更新檔）

1. 嵌入式Linux系統開發架構

一個嵌入式Linux的系統的架構如下圖：

軟體程式開發中，從下往上每一次的作用依次為：

• Bootloader：将硬體初始化，并将核心引導起來；
• Linux Kernel：定制、裁剪之後的Linux核心；
• 根檔案系統：提供檔案系統，更好的使用存儲空間；
• 裝置驅動：完成裝置操作，并向上層軟體提供裝置的調用接口；
• 應用程式：Linux系統程式設計、網絡程式設計、shell程式設計、圖形界面程式設計等等；

2. Bootloader的作用

Bootloader在上圖中處于最底層，有以下兩個作用：

• ①Bootloader和硬體息息相關：直接和CPU、外圍硬體裝置（存儲器、網卡、LCD等）打交道，負責初始化硬體裝置；
• ② Bootloader負責拉起核心：建立記憶體空間映射圖，為核心的啟動運作做好一切準備，最後将Linux核心代碼加載到RAM中運作；

3. Bootloader的操作模式

一般來說，bootload都會提供兩種操作模式：

• ① 正常啟動模式：無需開發者和使用者幹涉，上電後自動開始運作，完成啟動核心的任務；
• ② 下載下傳模式（開發者模式）：需要使用者幹預，進入下載下傳模式，使用uboot指令進行操作；

4. Bootloader運作基本原理

BootLoader程式是分級載入機制，通常分為 stage1 和 stage2 兩大部分。

Stage1

BootLoader 的 stage1 依賴于CPU體系結構的代碼，例如CPU相關初始化代碼等， 通常都用彙編語言來實作，達到高效操作的目的。

stage1 包括以下步驟：

• ①硬體裝置初始化
  • 屏蔽所有的中斷
  • 設定CPU的速度和時鐘頻率
  • 設定記憶體控制器
  • 關閉 CPU 内部指令／資料 cache
• ②為加載 stage2 準備 RAM 空間
• ③拷貝 stage2 到 RAM 空間中
• ④設定好堆棧指針sp，為執行 C 語言代碼作好準備；
• ⑤跳轉到 stage2 階段的C程式入口處；

Stage2

BootLoader 的 stage2 通常用C語言來實作，可以實作更複雜的功能，而且代碼會具有更好的可讀性和可移植性。

stage2 包括以下步驟：

• ①初始化本階段要使用到的硬體裝置；
  • 序列槽裝置：以便輸出資訊
  • ……
• ②檢測系統記憶體映射(memory map)：準備識别在整個 4GB 實體位址空間中有哪些位址範圍被配置設定用來尋址系統的 RAM單元；
• ③将 kernel 映像和根檔案系統映像從 flash 上讀到 RAM 空間中；
• ④為核心設定啟動參數；
• ⑤調用核心：跳至核心代碼入口開始執行；

5. 常用Bootloader

目前常用的Bootloader中，uboot是主流使用的，本系列文章着重講述uboot的源碼和移植。

uboot

U-Boot是由開源項目PPCBoot發展起來的，ARMboot并入了PPCBoot，和其他一些arch的Loader合稱U-Boot，2002年12月17日第一個版本U-Boot-0.2.0釋出，同時PPCBoot和ARMboot停止維護，但是截至目前，uboot一直在不斷的更新中。

uboot的特色是“u”- universal（通用的）：

• 在處理器層面：支援PowerPC系列的處理器，支援MIPS、 x86、ARM、NIOS、XScale等諸多常用系列；
• 在核心層面：除了Linux之外，還支援NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS,LynxOS, android嵌入式作業系統等；
• 在裝置驅動層面：支援序列槽、以太網、SDRAM、FLASH、LCD、NVRAM、EEPROM、RTC、鍵盤等常用硬體裝置；

這些豐富的支援依賴于uboot的源碼開源，開源許可協定遵循GNU通用公共許可證。

其它

• Redboot：Redboot是Redhat公司随eCos釋出的一個bootloader方案，也是一個開源項目；
• Blob(Boot Loader Object)：由Jan-Derk Bakker and Erik Mouw釋出，功能比較齊全，代碼較少，比較适合做修改移植，用來引導Liunx，目前大部分S3C44B0闆都用Blob修改移植後來加載uClinux；
• vivi：vivi是南韓mizi 公司開發的bootloader, 适用于ARM9處理器。