嵌入式系統(tǒng)精品課件

1、嵌入式系統(tǒng)課件第1頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三概述 Boot Loader 就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、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)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。通常，Boot Loader 是嚴(yán)重地依賴于硬件而實現(xiàn)的，特別是在嵌入式世界。因此，在嵌入式世界里建立一個通用的 Boot Loader 幾乎是不可能的。盡管如此，我們?nèi)匀豢梢詫?Boot Loader 歸納出一些通用的概念來，以指導(dǎo)用戶特定的 Boot Loader 設(shè)計與實現(xiàn)。 第2頁，共40頁，2

2、022年，5月20日，3點10分，星期三 Boot Loader（啟動）代碼類似于PC的BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)），它從系統(tǒng)上電或復(fù)位接管CPU，所有的CPU通常都是從某個由CPU制造商預(yù)先安排好的地址上取指令，基于ARM7TDMI Core 的CPU在復(fù)位時從地址0 x00000000取他的第一條指令。而基于CPU構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)都有某種類型的固態(tài)存儲設(shè)備（例如：ROM、EEPROM、或FLASH等）被映射到這個預(yù)先安排的地址上，因此在系統(tǒng)加電后，CPU將首先執(zhí)行Boot Loader程序。第3頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三Boot Loader的主要任務(wù) 第4頁

3、，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三7.2 Boot Loader與嵌入式系統(tǒng)關(guān)系一個同時裝有Boot Loader、內(nèi)核啟動參數(shù)、內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像的固態(tài)存儲設(shè)備的典型空間分配結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： 第5頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三7.2.1 Boot Loader的操作模式大多數(shù) Boot Loader 都包含兩種不同的操作模式：啟動加載模式和下載模式，這種區(qū)別僅對于開發(fā)人員才有意義。但從最終用戶的角度看，Boot Loader 的作用就是用來加載操作系統(tǒng)，而并不存在所謂的啟動加載模式與下載工作模式的區(qū)別。 第6頁，共40頁，2022年，5月

4、20日，3點10分，星期三啟動加載（Boot loading）模式： 這種模式也稱為自主（Autonomous）模式。也即 Boot Loader 從目標(biāo)機上的某個固態(tài)存儲設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到 RAM 中運行，整個過程并沒有用戶的介入。這種模式是 Boot Loader 的正常工作模式，因此在嵌入式產(chǎn)品發(fā)布的時侯，Boot Loader 顯然必須工作在這種模式下。 第7頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三下載（Downloading）模式 在這種模式下，目標(biāo)機上的 Boot Loader 將通過串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機（Host）下載文件，比如：下載內(nèi)核映像和根

5、文件系統(tǒng)映像等。從主機下載的文件通常首先被 Boot Loader 保存到目標(biāo)機的 RAM 中，然后再被 Boot Loader 寫到目標(biāo)機上的FLASH 類固態(tài)存儲設(shè)備中。Boot Loader 的這種模式通常在第一次安裝內(nèi)核與根文件系統(tǒng)時被使用；此外，以后的系統(tǒng)更新也會使用 Boot Loader 的這種工作模式。工作于這種模式下的 Boot Loader 通常都會向它的終端用戶提供一個簡單的命令行接口。 第8頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三像 Blob 或 U-Boot 等這樣功能強大的 Boot Loader 通常同時支持這兩種工作模式，而且允許用戶在這兩種工作

6、模式之間進(jìn)行切換。比如，Blob 在啟動時處于正常的啟動加載模式，但是它會延時 10 秒等待終端用戶按下任意鍵而將 blob 切換到下載模式。如果在 10 秒內(nèi)沒有用戶按鍵，則 blob 繼續(xù)啟動 Linux 內(nèi)核。 第9頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三控制 Boot Loader 的設(shè)備或機制主機和目標(biāo)機之間一般通過串口建立連接，Boot Loader 軟件在執(zhí)行時通常會通過串口來進(jìn)行 I/O，比如：輸出打印信息到串口，從串口讀取用戶控制字符等。 第10頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三BootLoader 與主機之間進(jìn)行文件傳輸所用的通信設(shè)備及

7、協(xié)議 最常見的情況就是，目標(biāo)機上的 Boot Loader 通過串口與主機之間進(jìn)行文件傳輸，傳輸協(xié)議通常是 xmodemymodemzmodem 協(xié)議中的一種。但是，串口傳輸?shù)乃俣仁怯邢薜?，因此通過以太網(wǎng)連接并借助 TFTP 協(xié)議來下載文件是個更好的選擇。 此外，在論及這個話題時，主機方所用的軟件也要考慮。比如，在通過以太網(wǎng)連接和 TFTP 協(xié)議來下載文件時，主機方必須有一個軟件用來的提供 TFTP 服務(wù)。 第11頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三7.3 Boot Loader的主要功能和典型結(jié)構(gòu) 首先我們做一個假定，那就是：假定內(nèi)核映像與根文件系統(tǒng)映像都被加載到 RAM

8、 中運行。之所以提出這樣一個假設(shè)前提是因為，在嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)核映像與根文件系統(tǒng)映像也可以直接在 ROM 或 Flash 這樣的固態(tài)存儲設(shè)備中直接運行。但這種做法無疑是以運行速度的犧牲為代價的。 第12頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三 從操作系統(tǒng)的角度看，Boot Loader 的總目標(biāo)就是正確地調(diào)用內(nèi)核來執(zhí)行。 由于 Boot Loader 的實現(xiàn)依賴于 CPU 的體系結(jié)構(gòu)，因此大多數(shù) Boot Loader 都分為 stage1 和 stage2 兩大部分。依賴于 CPU 體系結(jié)構(gòu)的代碼，比如設(shè)備初始化代碼等，通常都放在 stage1 中，而且通常都用匯編語言來實現(xiàn)，

9、以達(dá)到短小精悍的目的。而 stage2 則通常用C語言來實現(xiàn)，這樣可以實現(xiàn)給復(fù)雜的功能，而且代碼會具有更好的可讀性和可移植性。 第13頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三Boot Loader 的 stage1 通常包括以下步驟(以執(zhí)行的先后順序)：硬件設(shè)備初始化。為加載 Boot Loader 的 stage2 準(zhǔn)備 RAM 空間?？截?Boot Loader 的 stage2 到 RAM 空間中。設(shè)置好堆棧。跳轉(zhuǎn)到 stage2 的 C 入口點。 第14頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三Boot Loader 的 stage2 通常包括以下步驟(以

10、執(zhí)行的先后順序)： 初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備。檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射(memory map)。將 kernel 映像和根文件系統(tǒng)映像從 flash 上讀到 RAM 空間中。為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)。調(diào)用內(nèi)核。 第15頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三7.3.1 Boot Loader的階段一1 基本的硬件初始化 這是 Boot Loader 一開始就執(zhí)行的操作，其目的是為 stage2 的執(zhí)行以及隨后的 kernel 的執(zhí)行準(zhǔn)備好一些基本的硬件環(huán)境。它通常包括以下步驟（以執(zhí)行的先后順序）： 第16頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三1 屏蔽所有的中斷。為中斷

11、提供服務(wù)通常是 OS 設(shè)備驅(qū)動程序的責(zé)任，因此在 Boot Loader 的執(zhí)行全過程中可以不必響應(yīng)任何中斷。中斷屏蔽可以通過寫 CPU 的中斷屏蔽寄存器或狀態(tài)寄存器（比如 ARM 的 CPSR 寄存器）來完成。 2 設(shè)置 CPU 的速度和時鐘頻率。 3 RAM 初始化。包括正確地設(shè)置系統(tǒng)的內(nèi)存控制器的功能寄存器以及各內(nèi)存庫控制寄存器等。 4 初始化 LED。典型地，通過 GPIO 來驅(qū)動 LED，其目的是表明系統(tǒng)的狀態(tài)是 OK 還是 Error。如果板子上沒有 LED，那么也可以通過初始化 UART 向串口打印 Boot Loader 的 Logo 字符信息來完成這一點。 5 關(guān)閉 CPU

12、內(nèi)部指令數(shù)據(jù) cache。 第17頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三2 為加載 stage2 準(zhǔn)備 RAM 空間 為了獲得更快的執(zhí)行速度，通常把 stage2 加載到 RAM 空間中來執(zhí)行，因此必須為加載 Boot Loader 的 stage2 準(zhǔn)備好一段可用的 RAM 空間范圍。 由于 stage2 通常是 C 語言執(zhí)行代碼，因此在考慮空間大小時，除了 stage2 可執(zhí)行映象的大小外，還必須把堆?？臻g也考慮進(jìn)來。此外，空間大小最好是 memory page 大小(通常是 4KB)的倍數(shù)。一般而言，1M 的 RAM 空間已經(jīng)足夠了。具體的地址范圍可以任意安排，比如 b

13、lob 就將它的 stage2 可執(zhí)行映像安排到從系統(tǒng) RAM 起始地址 0 xc0200000 開始的 1M 空間內(nèi)執(zhí)行。但是，將 stage2 安排到整個 RAM 空間的最頂 1MB(也即(RamEnd-1MB) - RamEnd)是一種值得推薦的方法。 第18頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三為了后面的敘述方便，這里把所安排的 RAM 空間范圍的大小記為：stage2_size(字節(jié))，把起始地址和終止地址分別記為：stage2_start 和 stage2_end(這兩個地址均以 4 字節(jié)邊界對齊)。因此： stage2_endstage2_startstage2

14、_size 第19頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三另外，還必須確保所安排的地址范圍的的確確是可讀寫的 RAM 空間，因此，必須對你所安排的地址范圍進(jìn)行測試。具體的測試方法可以采用類似于 blob 的方法，也即：以 memory page 為被測試單位，測試每個 memory page 開始的兩個字是否是可讀寫的。為了后面敘述的方便，我們記這個檢測算法為：test_mempage，其具體步驟如下： 第20頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三1 先保存 memory page 一開始兩個字的內(nèi)容。 2 向這兩個字中寫入任意的數(shù)字。比如：向第一個字寫入 0

15、 x55，第 2 個字寫入 0 xaa。 3 立即將這兩個字的內(nèi)容讀回。顯然，我們讀到的內(nèi)容應(yīng)該分別是 0 x55 和 0 xaa。如果不是，則說明這個 memory page 所占據(jù)的地址范圍不是一段有效的 RAM 空間。 4 再向這兩個字中寫入任意的數(shù)字。比如：向第一個字寫入 0 xaa，第 2 個字中寫入 0 x55。 第21頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三3-2 操作系統(tǒng)相關(guān)的概念5 然后，立即將這兩個字的內(nèi)容立即讀回。顯然，我們讀到的內(nèi)容應(yīng)該分別是 0 xaa 和 0 x55。如果不是，則說明這個 memory page 所占據(jù)的地址范圍不是一段有效的 RAM

16、 空間。 6 恢復(fù)這兩個字的原始內(nèi)容。測試完畢。為了得到一段干凈的 RAM 空間范圍，我們也可以將所安排的 RAM 空間范圍進(jìn)行清零操作。 第22頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三3、拷貝 stage2 到 RAM 中 拷貝時要確定兩點：(1) stage2 的可執(zhí)行映象在固態(tài)存儲設(shè)備的存放起始地址和終止地址；(2) RAM 空間的起始地址。 第23頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三4 、設(shè)置堆棧指針 sp 堆棧指針的設(shè)置是為了執(zhí)行 C 語言代碼作好準(zhǔn)備。通常我們可以把 sp 的值設(shè)置為(stage2_end-4)，也即在所安排的那個 1MB 的 R

17、AM 空間的最頂端(堆棧向下生長)。 此外，在設(shè)置堆棧指針 sp 之前，也可以關(guān)閉 led 燈，以提示用戶我們準(zhǔn)備跳轉(zhuǎn)到 stage2。 第24頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三5 、跳轉(zhuǎn)到 stage2 的 C 入口點 在上述一切都就緒后，就可以跳轉(zhuǎn)到 Boot Loader 的 stage2 去執(zhí)行了。比如，在 ARM 系統(tǒng)中，這可以通過修改 PC 寄存器為合適的地址來實現(xiàn)。 第25頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三bootloader 的 stage2 可執(zhí)行映象剛被拷貝到 RAM 空間時的系統(tǒng)內(nèi)存布局第26頁，共40頁，2022年，5月20日

18、，3點10分，星期三7.3.2 Boot Loader 的 stage2 stage2 的代碼通常用 C 語言來實現(xiàn)，以便于實現(xiàn)更復(fù)雜的功能和取得更好的代碼可讀性和可移植性。但是與普通 C 語言應(yīng)用程序不同的是，在編譯和鏈接 boot loader 這樣的程序時，我們不能使用 glibc 庫中的任何支持函數(shù)。 這就帶來一個問題，那就是從那里跳轉(zhuǎn)進(jìn) main() 函數(shù)呢？直接把 main() 函數(shù)的起始地址作為整個 stage2 執(zhí)行映像的入口點或許是最直接的想法。但是這樣做有兩個缺點：1)無法通過main() 函數(shù)傳遞函數(shù)參數(shù)；2)無法處理 main() 函數(shù)返回的情況。 第27頁，共40頁，

19、2022年，5月20日，3點10分，星期三 一種更為巧妙的方法是利用 trampoline(彈簧床)的概念。也即，用匯編語言寫一段trampoline 小程序，并將這段 trampoline 小程序來作為 stage2 可執(zhí)行映象的執(zhí)行入口點。然后我們可以在 trampoline 匯編小程序中用 CPU 跳轉(zhuǎn)指令跳入 main() 函數(shù)中去執(zhí)行；而當(dāng) main() 函數(shù)返回時，CPU 執(zhí)行路徑顯然再次回到我們的 trampoline 程序。簡而言之，這種方法的思想就是：用這段 trampoline 小程序來作為 main() 函數(shù)的外部包裹(external wrapper)。 第28頁，共4

20、0頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三trampoline 程序示例(來自blob)： .text .globl _trampoline _trampoline: bl main /* if main ever returns we just call it again */ b _trampoline 可以看出，當(dāng) main() 函數(shù)返回后，我們又用一條跳轉(zhuǎn)指令重新執(zhí)行 trampoline 程序當(dāng)然也就重新執(zhí)行 main() 函數(shù)，這也就是 trampoline(彈簧床)一詞的意思所在。 第29頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三1、初始化本階段要使用到的硬件

21、設(shè)備 這通常包括：（1）初始化至少一個串口，以便和終端用戶進(jìn)行 I/O 輸出信息；（2）初始化計時器等。 在初始化這些設(shè)備之前，也可以重新把 LED 燈點亮，以表明我們已經(jīng)進(jìn)入 main() 函數(shù)執(zhí)行。 設(shè)備初始化完成后，可以輸出一些打印信息，程序名字字符串、版本號等。第30頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三 2 檢測系統(tǒng)的內(nèi)存映射（memory map） 所謂內(nèi)存映射就是指在整個 4GB 物理地址空間中有哪些地址范圍被分配用來尋址系統(tǒng)的 RAM 單元。比如，在 SA-1100 CPU 中，從 0 xC000,0000 開始的 512M 地址空間被用作系統(tǒng)的 RAM 地址

22、空間，而在 Samsung S3C44B0X CPU 中，從 0 x0c00,0000 到 0 x1000,0000 之間的 64M 地址空間被用作系統(tǒng)的 RAM 地址空間。第31頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三雖然 CPU 通常預(yù)留出一大段足夠的地址空間給系統(tǒng) RAM，但是在搭建具體的嵌入式系統(tǒng)時卻不一定會實現(xiàn) CPU 預(yù)留的全部 RAM 地址空間。也就是說，具體的嵌入式系統(tǒng)往往只把 CPU 預(yù)留的全部 RAM 地址空間中的一部分映射到 RAM 單元上，而讓剩下的那部分預(yù)留 RAM 地址空間處于未使用狀態(tài)。 第32頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期

23、三由于上述這個事實，因此 Boot Loader 的 stage2 必須在它想干點什么 (比如，將存儲在 flash 上的內(nèi)核映像讀到 RAM 空間中) 之前檢測整個系統(tǒng)的內(nèi)存映射情況，也即它必須知道 CPU 預(yù)留的全部 RAM 地址空間中的哪些被真正映射到 RAM 地址單元，哪些是處于 unused 狀態(tài)的。 第33頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三(1) 內(nèi)存映射的描述 用如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述 RAM 地址空間中的一段連續(xù)(continuous)的地址范圍： 這段 RAM 地址空間中的連續(xù)地址范圍可以處于兩種狀態(tài)之一：(1)used=1，則說明這段連續(xù)的地址范圍已被實現(xiàn)

24、，也即真正地被映射到 RAM 單元上。(2)used=0，則說明這段連續(xù)的地址范圍并未被系統(tǒng)所實現(xiàn)，而是處于未使用狀態(tài)。 第34頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三3 加載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像 （1） 規(guī)劃內(nèi)存占用的布局 這里包括兩個方面： (1)內(nèi)核映像所占用的內(nèi)存范圍； （2）根文件系統(tǒng)所占用的內(nèi)存范圍。 在規(guī)劃內(nèi)存占用的布局時，主要考慮基地址和映像的大小兩個方面。 第35頁，共40頁，2022年，5月20日，3點10分，星期三對于內(nèi)核映像，一般將其拷貝到從(MEM_START0 x8000) 這個基地址開始的大約1MB大小的內(nèi)存范圍內(nèi)(嵌入式 Linux 的內(nèi)核一