BootLoader启动引导方式分析

BootLoader启动引导方式分析

在中大规模的嵌入式系统开发中，往往需要BootLoader对系统内核进行加载和启动引导。现有的加载启动引导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启动引导方式的基础上，提出一种改进方法，即采用基于FAT文件系统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。

关键词  BootLoader  FAT文件系统  启动引导  LPC2294

引言

　　BootLoader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。因此在嵌入式产品发布的时候，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。

　　在嵌入式系统研发阶段，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LPC2294 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FAT文件系统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。