BootLoader引导程序

BootLoader引导程序一、实验目的1.学会配置linux下的minicom和windows下的超级终端2.了解bootloader的基本概念和框架结构3.了解bootloader引导操作系统的过程4.掌握bootloader程序的编译方法5.掌握bootloader程序的使用方法二、实验内容1.学习x-loader作用和编译过程2.学习uboot作用和编译过程3.学习bootloader的操作三、实验设备PentiumII以上的PC机，LINUX操作系统四、BOOTLOADER程序说明完整的系统由x-loader、u-boot、kernel（内核）、rootfs（根文件系统）组成，x-loader是一级引导程序，其作用是初始化CPU，拷贝u-boot到内存，然后把控制权交给u-boot。当OMAP3530上电时，memorycontroller(内存控制器)还未初始化，这个任务便由完成的x-loader。初始化外部RAM控制器，把u-boot读到外部RAM，之后把控制入口交给。u-boot是二级引导程序，其作用主要是引导内核，提供映像更新，同用户进行交互。系统结构图如下：1.BootLoader的作用在嵌入式系统中，BootLoader的作用与PC机上的BIOS类似，其主要作用：（1）初始化硬件设备；（2）建立内存空间的映射图；（3）完成内核的加载，为内核设置启动参数。通过BootLoader可以完成对系统板上的主要部件如CPU、SDRAM、Flash、串行口等进行初始化，也可以下载文件到系统板上，对Flash进行擦除与编程。当运行操作系统时，它会在操作系统内核运行之前运行，通过它，可以分配内存空间的映射，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准备好正确的环境。通常，BootLoader是依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式系统中。因此，在嵌入式系统里建立一个通用的BootLoader几乎是不可能的，不同的处理器架构都有不同的BootLoader。BootLoader不但依赖于CPU的体系结构，而且依赖于嵌入式系统板级设备的配置。对于2块不同的嵌入式板而言，即使它们使用同一种处理器，要想让运行在一块板子上的BootLoader程序也能运行在另一块板子上，一般也都需要修改BootLoader的源程序。正如前面所述，BootLoader是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备，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准备好正确的环境，最后从别处（Flash、以太网、UART）载入内核映像并跳到入口地址。但是，仍然可以对BootLoader归纳出一些通用的概念来，以指导用户特定的BootLoader设计与实现。通常，它们都能够自动从存储介质上启动，都能够引导操作系统，并且大部分都可以支持串口和以太网接口。因此，正确建立linux的移植的前提条件是具备一个与linux配套、易于使用的Bootloader，它能够正确完成硬件系统的初始化和linux的引导。为能够实现正确引导linux系统的运行，以及当编译完内核后，快速的下载内核和文件系统，uboot通过网口下载内核和文件系统。同时，它也具有功能较为完善的命令集，对系统的软硬件资源进行合理的配置与管理。2.BootLoader程序结构框架嵌入式系统中的bootLoader的实现完全依赖于CPU的体系结构，因此大多数BootLoader都分为第一阶段和第二阶段两大部分，依赖于CPU体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在阶段1中，而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍的目的。而阶段2则通常用C语言来实现，这样可以实现一些复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。uboot是功能最多、灵活性最强并且开发最积极的开放源码的bootLoader。下载得到uboot的源码包，解压就可以得到全部uboot源程序。在顶层目录下有18个子目录，分别存放和管理不同的源程序。这些目录中所要存放的文件有一定的规则，可以分为3类。a)第1类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关。b)第2类目录是一些通用的函数或者驱动程序。c)第3类目录是uboot的应用程序、工具或者文档。其各级目录的存放在原则如下表所示：目录特性解释说明board平台依赖存放电路板相关的目录文件cpu平台依赖存入CPU相关的目录文件lib_ppc平台依赖存放对PowerPC体系结构通用的文件，主要用于实现PowerPC平台通用的函数lib_arm平台依赖存放对ARM体系结构通用的文件，主要用于实现ARM平台通用的函数lib_i386平台依赖存放对X86体系结构通用的文件，主要用于实现X86平台通用的函数include通用头文件和开发板配置文件，所有开发板配置文件都在configs目录下common通用通用的多功能函数实现lib_generic通用通用库函数的实现net通用存放网络的程序fs通用存放文件系统的程序post通用存放上电自检程序drivera通用通用的设备驱动程序，主要有以太网接口的驱动disk通用硬盘接口程序rtc通用TRC的驱动程序dtt通用数了温度测量器或者传感器的驱动examples应用例程一些独立运行的应用程序的例子tools工具存放制作s-record或者uboot格式的映像等工具doc文档开发使用文档3、bootLoader程序架构分析bootLoader本质上也是一个程序，也需要通过交叉编译工具生成控制性二进制代码。但是bootLoader和一般C语言程序存在区别。在Linux操作系统中，一般的c语言可执行程序是依赖于操作系统的。可执行程序本身的格式一般不是纯粹的二进制代码，而是包含一些头信息的二进制代码（如ELF格式nux通过文件的头信息运行程序。一般应用程序中还可能使用C语言基础函数的库，这个库以文件的形式放在linux的文件系统中。而bootLoader是不依赖操作系统的。相反，linux内核是由bootloader调用的，从这个角度上看，Linux内核是作为bootloader的一个“应用程序”在执行。因此，在bootloader中不能依赖于任何环境，包括C语言的函数库。Bootloader中所有的功能，都需要在其本身的代码中包含。此外，bootloader编译-链接的结果将是一个目标机的纯二进制代码文件，直接在系统的初始化地址处运行。由于BootLoader的实现依赖与CPU的体系结构，因此大多数的BootLoader都分为stage1和stage2两个阶段：（1）、BootLoader的stage1通常主要包括以下步骤：a)硬件设备初始化；b)代码重定位，为加载BootLoader的stage2准备RAM空间；c)加载bootloaderr第二阶段代码到RAM空间；d)设置堆栈跳转到第二阶段代码入口。（2）、BootLoader的stage2通常主要包括以下步骤：a)初始化本阶段要使用到的硬件设备；b)系统内存映射(memorymap)；c)将kernel映像和根文件系统映像从Flash读到RAM空间中；d)为内核设置启动参数；e)调用内核。4.omap3530中各个引导程序的特征及作用分析1）、x-loader是一级引导程序，系统上电后由CPU内部ROM自动拷贝内部RAM并执行。主要作用为初始化CPU，拷贝U-BOOT到内存中，然后把控制权交给U-BOOT(补充x-load源码分析)。2）、uboot是二级引导程序，主要用于和用户进行交互，提供映像更新，引导内核等功能。5、bootloader移植1）u-boot烧写Uboot能够支持多种体系结构的处理器，支持的开发板也越来越多。因此bootloader完全依赖硬件平台的，所以在新电路板上需要移植uboot程序。开始移植uboot之前熟悉硬件电路板和处理器。确认uboot是否已经支持新开发板的处理器和i/o设备。移植uboot工作就是添加开发板硬件相关的文件、配置选项，然后配置编译。开妈移植之前，需要先分析一下uboot已经支持的开发板，比较出硬件配置最接近的开发板。选择的原则是：首先处理器相同，其次处理器体系结构相同，然后是以太网接口等外接口。还要验证一下这个参考开发板的uboot，至少能够配置编译通过。这里我们使用已经编译通过且和实验箱对应的uboot。u-boot的烧写方法有好几种，这里介绍我们可能会用到的两种方法。1、从UART3烧写u-boot的方法；2、对已经烧写好了u-boot的目标板进行u-boot更新的方法。omap35xx大板上用mini-USB端子引出了两个UART接口，其中P9端子对应omap35xx的UART3，P3端子对应omap35xx的UART1。说明：Omap35xx可以从UART3启动。如果需要利用此启动方式把把u-boot下载到目标板，需要使用公司提供的串口线把P9（UART3）和PC机串口连接起来。UART1一般在调试中使用，调试时使用一根公司提供的串口线连接P3（UART1）和PC机。烧写步骤：1）、断电，设置omap3530CPU小板上的拨码开关SW1为：SW1.1SW1.2SW1.3SW1.4SW1.5SW1.6OFFOFFONOFFONOFF2）、使用串口线一头连接板子的P9另一头连接PC机的串口1（串口号可以根据实际情况来更改）。3)、打开超级终端，选择端口（和板子的P9端口相连的串口端口号，在这里是com1）操作：设置相应的参数如下，点确定打开：4）、把光盘中，实验目录下的UartBootTool目录拷贝到电脑上，运行应用程序/UartBootTool/Utilities/DownloadUtility.exe如下图在Transport栏选择使用的串口号（和板子的P9端口相连的串口端口号，在这里是com1）在File栏点击open，选择u-boot.bin文件(说明：把事先在虚拟机linux操作系统中编译好的存放在/home/u-boot-1.3.3/目录下的u-boot.bin文件复制到windouws操作系统的某个位置)。如下图：点击Download按钮弹出下图所示的确定对话框。如果提示不能下载是因为存在超级终端上两个按钮的切换。5）、点击确定按钮，同时板子上电；如果正常，会看到下载进度条在变动。下载完后回弹出完成对话框。6）、u-boot.bin下载完后会自动启动。在刚才打开的超级终端中可以看到u-boot启动后的信息，提示不能显示是因为存在超级终端上两个按钮的切换。。如果是新板子，系统没有配置过，会自动停止在命令行位置（如上图）；如果以前烧写过u-boot，由于在FLASH中有配置信息，将会继续启动，需要立即点击键盘使u-boot停下来。2）添加uboot命令uboot的命令为用户提供了交互功能，并且已经实现了几十个常用命令。如果需要很特殊的操作，可以添加新的uboot命令。uboot的每一个命令都是能U_Boot_CMD宏定义的。这个宏在include/command.h头文件中定义，每一个命令定义一个cmd_tbl_t结构体。3）uboot的常用命令setenvipaddr192.168.3.157（板子IP，根据实际情况设）setenvserverip192.168.3.166（虚拟机的IP，根据实际情况设）setenvnetmask255.255.255.0setenvbootdelay3setenvethaddr00:50:c2:7e:8A:1Dsetenvgatewayip192.168.3.1（网关，根据实际情况设）setenvbootargsconsole=ttyS2,115200n8ubi.mtd=4root=ubi0:rootfsrootfstype=ubifsvideo=omapfb:mode:8inch_LCDsetenvbootcmdnandread.i80300000280000210000\;bootm80300000savee