嵌入式系统Boot Loader技术内幕
(1) 内存映射的描述
可以用如下数据结构来描述 RAM 地址空间中的一段连续(continuous)的地址范围：
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typedef struct memory_area_struct { u32 start; /* the base address of the memory region */ u32 size; /* the byte number of the memory region */ int used; } memory_area_t;?
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这段 RAM 地址空间中的连续地址范围可以处于两种状态之一：(1)used=1，则说明这段连续的地址范围已被实现，也即真正地被映射到 RAM 单元上。(2)used=0，则说明这段连续的地址范围并未被系统所实现，而是处于未使用状态。
基于上述 memory_area_t 数据结构，整个 CPU 预留的 RAM 地址空间可以用一个 memory_area_t 类型的数组来表示，如下所示：
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memory_area_t memory_map[NUM_MEM_AREAS] = { [0 ... (NUM_MEM_AREAS - 1)] = { .start = 0, .size = 0, .used = 0 }, };?
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(2) 内存映射的检测
下面我们给出一个可用来检测整个 RAM 地址空间内存映射情况的简单而有效的算法：
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/* 数组初始化 */ for(i = 0; i < NUM_MEM_AREAS; i++) memory_map[i].used = 0; /* first write a 0 to all memory locations */ for(addr = MEM_START; addr < MEM_END; addr += PAGE_SIZE) * (u32 *)addr = 0; for(i = 0, addr = MEM_START; addr < MEM_END; addr += PAGE_SIZE) { /* * 检测从基地址 MEM_START+i*PAGE_SIZE 开始,大小为 * PAGE_SIZE 的地址空间是否是有效的RAM地址空间。 */ 调用3.1.2节中的算法test_mempage()； if ( current memory page isnot a valid ram page) { /* no RAM here */ if(memory_map[i].used ) i++; continue; } /* * 当前页已经是一个被映射到 RAM 的有效地址范围 * 但是还要看看当前页是否只是 4GB 地址空间中某个地址页的别名？ */ if(* (u32 *)addr != 0) { /* alias? */ /* 这个内存页是 4GB 地址空间中某个地址页的别名 */ if ( memory_map[i].used ) i++; continue; } /* * 当前页已经是一个被映射到 RAM 的有效地址范围 * 而且它也不是 4GB 地址空间中某个地址页的别名。 */ if (memory_map[i].used == 0) { memory_map[i].start = addr; memory_map[i].size = PAGE_SIZE; memory_map[i].used = 1; } else { memory_map[i].size += PAGE_SIZE; } } /* end of for (…) */?
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在用上述算法检测完系统的内存映射情况后，Boot Loader 也可以将内存映射的详细信息打印到串口。
3.2.3 加载内核映像和根文件系统映像
(1) 规划内存占用的布局
这里包括两个方面：(1)内核映像所占用的内存范围；（2）根文件系统所占用的内存范围。在规划内存占用的布局时，主要考虑基地址和映像的大小两个方面。
对于内核映像，一般将其拷贝到从(MEM_START＋0x8000) 这个基地址开始的大约1MB大小的内存范围内(嵌入式 Linux 的内核一般都不操过 1MB)。为什么要把从 MEM_START 到 MEM_START＋0x8000 这段 32KB 大小的内存空出来呢？这是因为 Linux 内核要在这段内存中放置一些全局数据结构，如：启动参数和内核页表等信息。
而对于根文件系统映像，则一般将其拷贝到 MEM_START+0x0010,0000 开始的地方。如果用 Ramdisk 作为根文件系统映像，则其解压后的大小一般是1MB。
（2）从 Flash 上拷贝
由于像 ARM 这样的嵌入式 CPU 通常都是在统一的内存地址空间中寻址 Flash 等固态存储设备的，因此从 Flash 上读取数据与从 RAM 单元中读取数据并没有什么不同。用一个简单的循环就可以完成从 Flash 设备上拷贝映像的工作：
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while(count) { *dest++ = *src++; /* they are all aligned with word boundary */ count -= 4; /* byte number */ };?
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3.2.4 设置内核的启动参数
应该说，在将内核映像和根文件系统映像拷贝到 RAM 空间中后，就可以准备启动 Linux 内核了。但是在调用内核之前，应该作一步准备工作，即：设置 Linux 内核的启动参数。
Linux 2.4.x 以后的内核都期望以标记列表(tagged list)的形式来传递启动参数。启动参数标记列表以标记 ATAG_CORE 开始，以标记 ATAG_NONE 结束。每个标记由标识被传递参数的 tag_header 结构以及随后的参数值数据结构来组成。数据结构 tag 和 tag_header 定义在 Linux 内核源码的include/asm/setup.h 头文件中：
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/* The list ends with an ATAG_NONE node. */ #define ATAG_NONE0x00000000 struct tag_header { u32 size; /* 注意，这里size是字数为单位的 */ u32 tag; }; …… struct tag { struct tag_header hdr; union { struct tag_core core; struct tag_mem32mem; struct tag_videotextvideotext; struct tag_ramdisk ramdisk; struct tag_initrdinitrd; struct tag_serialnrserialnr; struct tag_revisionrevision; struct tag_videolfbvideolfb; struct tag_cmdlinecmdline; /* * Acorn specific */ struct tag_acornacorn; /* * DC21285 specific */ struct tag_memclkmemclk; } u; };?
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在嵌入式 Linux 系统中，通常需要由 Boot Loader 设置的常见启动参数有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。
比如，设置 ATAG_CORE 的代码如下：
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params = (struct tag *)BOOT_PARAMS; params->hdr.tag = ATAG_CORE; params->hdr.size = tag_size(tag_core); params->u.core.flags = 0; params->u.core.pagesize = 0; params->u.core.rootdev = 0; params = tag_next(params);
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其中，BOOT_PARAMS 表示内核启动参数在内存中的起始基地址，指针 params 是一个 struct tag 类型的指针。宏 tag_next() 将以指向当前标记的指针为参数，计算紧临当前标记的下一个标记的起始地址。注意，内核的根文件系统所在的设备ID就是在这里设置的。
下面是设置内存映射情况的示例代码：
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for(i = 0; i < NUM_MEM_AREAS; i++) { if(memory_map[i].used) { params->hdr.tag = ATAG_MEM; params->hdr.size = tag_size(tag_mem32); params->u.mem.start = memory_map[i].start; params->u.mem.size = memory_map[i].size; params = tag_next(params); } }?
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可以看出，在 memory_map［］数组中，每一个有效的内存段都对应一个 ATAG_MEM 参数标记。
Linux 内核在启动时可以以命令行参数的形式来接收信息，利用这一点我们可以向内核提供那些内核不能自己检测的硬件参数信息，或者重载(override)内核自己检测到的信息。比如，我们用这样一个命令行参数字符串"console=ttyS0,115200n8"来通知内核以 ttyS0 作为控制台，且串口采用 "115200bps、无奇偶校验、8位数据位"这样的设置。下面是一段设置调用内核命令行参数字符串的示例代码：
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char *p; /* eat leading white space */ for(p = commandline; *p == ' '; p++) ; /* skip non-existent command lines so the kernel will still * use its default command line. */ if(*p == '/0') return; params->hdr.tag = ATAG_CMDLINE; params->hdr.size = (sizeof(struct tag_header) + strlen(p) + 1 + 4) >> 2; strcpy(params->u.cmdline.cmdline, p); params = tag_next(params);
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请注意在上述代码中，设置 tag_header 的大小时，必须包括字符串的终止符'/0'，此外还要将字节数向上圆整4个字节，因为 tag_header 结构中的size 成员表示的是字数。
下面是设置 ATAG_INITRD 的示例代码，它告诉内核在 RAM 中的什么地方可以找到 initrd 映象(压缩格式)以及它的大小：
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params->hdr.tag = ATAG_INITRD2; params->hdr.size = tag_size(tag_initrd); params->u.initrd.start = RAMDISK_RAM_BASE; params->u.initrd.size = INITRD_LEN; params = tag_next(params);
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下面是设置 ATAG_RAMDISK 的示例代码，它告诉内核解压后的 Ramdisk 有多大（单位是KB）：
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params->hdr.tag = ATAG_RAMDISK; params->hdr.size = tag_size(tag_ramdisk); params->u.ramdisk.start = 0; params->u.ramdisk.size = RAMDISK_SIZE; /* 请注意，单位是KB */ params->u.ramdisk.flags = 1; /* automatically load ramdisk */ params = tag_next(params);
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最后，设置 ATAG_NONE 标记，结束整个启动参数列表：
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static void setup_end_tag(void) { params->hdr.tag = ATAG_NONE; params->hdr.size = 0; }?
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3.2.5 调用内核
Boot Loader 调用 Linux 内核的方法是直接跳转到内核的第一条指令处，也即直接跳转到 MEM_START＋0x8000 地址处。在跳转时，下列条件要满足：
1． CPU 寄存器的设置：
R0＝0；R1＝机器类型 ID；关于 Machine Type Number，可以参见?linux/arch/arm/tools/mach-types。R2＝启动参数标记列表在 RAM 中起始基地址；2． CPU 模式：
必须禁止中断（IRQs和FIQs）；CPU 必须 SVC 模式；3． Cache 和 MMU 的设置：
MMU 必须关闭；指令 Cache 可以打开也可以关闭；数据 Cache 必须关闭；如果用 C 语言，可以像下列示例代码这样来调用内核：
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void (*theKernel)(int zero, int arch, u32 params_addr) = (void (*)(int, int, u32))KERNEL_RAM_BASE; …… theKernel(0, ARCH_NUMBER, (u32) kernel_params_start);
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注意，theKernel()函数调用应该永远不返回的。如果这个调用返回，则说明出错。
4. 关于串口终端
在 boot loader 程序的设计与实现中，没有什么能够比从串口终端正确地收到打印信息能更令人激动了。此外，向串口终端打印信息也是一个非常重要而又有效的调试手段。但是，我们经常会碰到串口终端显示乱码或根本没有显示的问题。造成这个问题主要有两种原因：(1) boot loader 对串口的初始化设置不正确。(2) 运行在 host 端的终端仿真程序对串口的设置不正确，这包括：波特率、奇偶校验、数据位和停止位等方面的设置。
此外，有时也会碰到这样的问题，那就是：在 boot loader 的运行过程中我们可以正确地向串口终端输出信息，但当 boot loader 启动内核后却无法看到内核的启动输出信息。对这一问题的原因可以从以下几个方面来考虑：
(1) 首先请确认你的内核在编译时配置了对串口终端的支持，并配置了正确的串口驱动程序。
(2) 你的 boot loader 对串口的初始化设置可能会和内核对串口的初始化设置不一致。此外，对于诸如 s3c44b0x 这样的 CPU，CPU 时钟频率的设置也会影响串口，因此如果 boot loader 和内核对其 CPU 时钟频率的设置不一致，也会使串口终端无法正确显示信息。
(3) 最后，还要确认 boot loader 所用的内核基地址必须和内核映像在编译时所用的运行基地址一致，尤其是对于 uClinux 而言。假设你的内核映像在编译时用的基地址是 0xc0008000，但你的 boot loader 却将它加载到 0xc0010000 处去执行，那么内核映像当然不能正确地执行了。
5. 结束语
Boot Loader 的设计与实现是一个非常复杂的过程。如果不能从串口收到那激动人心的"uncompressing linux.................. done, booting the kernel……"内核启动信息，恐怕谁也不能说："嗨，我的 boot loader 已经成功地转起来了！"。