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一种新的BootLoader启动引导方式研究

作者:时间:2008-09-08来源:西安电子科技大学 李波收藏

摘要 在中大规模的系统开发中,往往需要对系统内核进行加载和。现有的加载方式大多需要目标机与宿主机间的线路连接,使用起来不方便且效率不高。本文在分析现有的加载和方式的基础上,提出一种改进方法,即采用基于的可移动设备作为加载和启动引导内核的载体,并分析其加载和启动引导的具体过程。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/87778.htm

关键词      启动引导 

引言

  通常称为“系统的引导加载程序”,是系统加电或复位后执行的第一段程序代码[1]。这段程序的主要任务是,实现硬件设备初始化并建立内存空间的映射图,从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态,以便为最终调用操作系统内核或用户应用程序准备好正确的环境。通常,BootLoader包含两种不同的加载和启动引导方式,即启动加载方式和下载方式。

  ① 启动加载(boot loading)方式。这种引导方式也称为“自主(autonomous)引导方式”,也即BootLoader从目标机的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中并引导运行,整个过程并没有用户的介入。这种引导方式是BootLoader的正常工作模式下普遍采用的一种引导方式。因此在产品发布的时候,BootLoader一般以这种引导方式对内核代码进行启动引导。

  ② 下载(down loading)方式。在这种引导方式下目标机上的BootLoader将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机下载文件,如下载应用程序、数据文件、内核映像等。从主机下载的文件通常首先被BootLoader保存到目标机的RAM中,然后再被BootLoader写到目标机上的固态存储设备中,其后完成内核的引导运行。BootLoader的这种引导方式通常在系统研发和更新时使用。

  在系统研发阶段,现有的BootLoader下载引导方式又可根据加载途径的不同细分为以下几种:

  ① 通过Ethernet网口从宿主机下载内核到目标板,从而实现软件系统启动;
  ② 通过串口从宿主机下载内核到目标板从而实现软件系统启动;
  ③ 直接从Flash中提取已存储的内核,从而实现软件系统的启动。

  总结以上几种引导方式会发现,它们有些共同的弊端;在系统调试时需要进行宿主机与目标板间的硬件线路的实际连接,使用起来不够方便,且烧片的速度比较缓慢,调试的效率不高;硬件方面需要大容量的Flash的支持,增加了研发成本;进行内核更新时显得不够灵活。为此,采用可移动的存储介质对系统内核进行存储(如SD卡、CF卡等),从而实现对系统内核的灵活调试和引导。这种引导方式的好处是,在调试时无需把宿主机和目标板进行硬件连接,提高了调试的效率,使用起来更便捷、更灵活;进行内核更新时显得更为灵活,只需把更新内核转存到指定目录,此外它的实现也比较简单。进行这方面的改进时只需做以下工作:在硬件方面,增加针对特定移动存储介质的硬件电路,而在中大型系统中,有关移动存储介质的硬件电路(如SD卡、CF卡等相关的电路)是现成的,所以硬件部分也可忽略;在BootLoader程序内部,只需添加对移动存储介质(如CF卡、SD卡等)基于文件系统进行存储访问的指令。按此思路,在已有硬件平台的基础上针对移动设备SD卡对原有BootLoader进行了改进。下面介绍实现过程。

1  硬件平台

  本次改进测试的硬件平台是由英蓓特公司开发的基于 ARM控制器的LPC22EB06I实验平台。其上的主要功能模块有:

  ① 2 MB的Flash、1 MB的SRAM(可扩展到4 MB)、256B具有I2C接口的E2PROM等存储器;
  ② 2个RS232(其中一路可接Modem)、RS485、CAN等通信总线接口;
  ③ 2个调试接口:LPT和JTAG调试接口;
  ④ 支持CF卡、SD/MMC等移动存储介质;
  ⑤ 支持128×128真彩显示。

  图1是其硬件功能框图。


图1  LPC22EB06I开发平台功能框图

2  BootLoader的改进设计

2.1  原有BootLoader功能

  原来的BootLoader具有如下功能:

  ① 串口下载功能,通过串口下载内核到指定RAM区;
  ② Flash烧写功能,从RAM区烧写数据到Flash中;
  ③ 数据区内块搬移功能;
  ④ 其他功能。其指令封装结构如下:

struct _CMD_TBL {
  char *cmd;//命令字
  bool(*run)(struct _CMD_TBL*cptr,int argc,char**argv);//指向具体的功能处理函数
  char*usage;//命令使用方法信息
  char*help;//帮助信息
  char*helpMore;
};

  例如,Flash烧写命令封装如下:

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为其处理方法的方法名;flash {loader/kernel/root} {block1/.../block16}和flash [dest] [src] [len]为其命令的使用格式(其中“{}”内为可选项,“[]”内为必选项)。

2.2  BootLoader改进实验

  此次改进就是在原有BootLoader的基础上,增加对移动存储介质SD卡以FAT格式进行读取数据的指令来实现的。命令封装如下:
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卡中把指定目录下的内核文件提取到SDRAM区域中,从而完成内核的加载。

  另增加3条辅助指令,一条完成SD卡的格式化,另一条完成对系统内核的保存,最后一条完成对系统内核的启动加载。命令封装如下:
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的功能是完成对SD卡的格式化,CMD_TBL_SD_STORE的功能是把SDRAM区域中的内核代码备份到SD卡的固定存储区,CMD_TBL_SD_LOAD的功能是把SD卡的固定存储区中的内核代码加载到指定的SDRAM区域中。

  下面分析一下其基于的具体读取和备份方法。首先看一下FAT文件系统的基本结构。FAT文件系统的整体结构大体由4大部分组成:MBR区(主引导记录区)、DBR区(DOS引导记录区)、FAT区(文件分配表区,FAT1为主文件分配表区,FAT2为备份文件分配表区)和 DATA区(数据区,包含FDT区——文件目录表区)。FAT文件系统结构如下:

  其各个区域基扇区地址(把MBR区的基扇区地址作为0)计算如下:

  DBR区的基扇区地址=MBR基扇区地址+63
  FAT表的基扇区地址=DBR的基扇区地址+保留扇区数
  FDT区基扇区地址=每FAT表扇区数×FAT表个数+(FDT区的开始簇号2)×每簇扇区数+FAT表基扇区地址。(簇是系统进行文件管理的单位,FAT表中的每一项对应一个簇,文件的存取按簇进行,一簇包含若干个扇区。)

  从FAT文件系统的组织结构可以看出,从SD卡中读取系统内核代码数据到指定的RAM区比较容易,就是根据系统内核文件名在文件系统中进行查找定位,随后完成读取。对于内核代码的备份和加载,需要在深入分析FAT文件系统的组织结构的基础上对SD卡格式化作一些处理。在格式化时,通过设置MBR 区和DBR区的数据实现不对SD卡存储区的最末8 MB区域(根据实际需要可增减)作格式化处理的目的,即把它置为RAW区。所以系统内核备份的实现,就是把系统内核代码通过SD卡的写入指令填充到RAW 区。系统内核的加载是从RAW区直接读取备份的内核代码。

3  总结

  本文所述的内核加载启动引导方式已经过实践验证。它实现了目标板与宿主机间硬件线路连接的完全脱离,为系统调试者提供了便利,有效地提高了系统调试的效率;与此同时,它还能方便地实现系统的在线更新。可以说要进行系统启动引导设计,此方法是一个不错的选择。最后说明一点,本文介绍的 BootLoader改进方法是在LCP2294芯片开发的LPC22EB06I实验平台上完成的。由于BootLoader与处理器的体系结构和具体嵌入式板级设备的配置密切相关,若要在其他的处理器芯片或平台上采用上述方法,还需对BootLoader中与处理器体系结构相关的代码作适当的修改。这部分不是本文探讨的主要内容,所以在此不再详述,若有读者还想详细了解相关内容,请查阅相关论文或书籍。

参考文献

[1]  徐宇清,黄彦平,等.S3C44B0X的Bootloader技术分析[J].上海理工大学学报,2005,27(4):369-372.
[2]  袁建东,赵强,郑见灵. Windows系统下FAT32分区信息分析与获取方法[J].河北工业科技,2007,24(1):11-14.
[3]  Microsoft Corporation. Microsoft Extensible Firmware Initiative FAT32 File System Specification. Version 1.03,200012.
[4]  SanDisk Corporation. SanDisk Secure Digital Card Product Manual. Version 2.2,200409.
[5]  Zeror. 硬盘FAT文件系统原理的详细分析[OL]. http://www.5421.net,200404 .

李波(硕士研究生),研究方向为嵌入式系统设计。

linux操作系统文章专题:linux操作系统详解(linux不再难懂)


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