uboot研读笔记 | 00 - 嵌入式Linux系统中Bootloader的作用和基本运行原理

项目开源地址：https://github.com/Mculover666/uboot-jz2440

0. 教程完整目录

• 00 - 嵌入式Linux系统中Bootloader的作用和基本运行原理
• 01 - 下载uboot源码并使用VSCode远程查看源码、编译uboot（2012.04.01版本）
• 02 - 详细探索uboot启动过程（基于S3C2410处理器）
• 03 - 初步移植uboot 2012.04到JZ2440（修改时钟，配置串口）
• 04 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（支持Nor Flash读写）
• 05 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（支持Nand Flash读写）
• 06 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（支持DM9000C网卡）
• 07 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（裁剪uboot大小）
• 08 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（设置mtd分区表）
• 09 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（设置默认环境变量参数）
• 10 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（烧写Linux内核、烧写yaffs2文件系统）
• 11 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（移植完成，制作uboot补丁）

1. 嵌入式Linux系统开发架构

一个嵌入式Linux的系统的架构如下图：

软件程序开发中，从下往上每一次的作用依次为：

• Bootloader：将硬件初始化，并将内核引导起来；
• Linux Kernel：定制、裁剪之后的Linux内核；
• 根文件系统：提供文件系统，更好的使用存储空间；
• 设备驱动：完成设备操作，并向上层软件提供设备的调用接口；
• 应用程序：Linux系统编程、网络编程、shell编程、图形界面编程等等；

2. Bootloader的作用

Bootloader在上图中处于最底层，有以下两个作用：

• ①Bootloader和硬件息息相关：直接和CPU、外围硬件设备（存储器、网卡、LCD等）打交道，负责初始化硬件设备；
• ② Bootloader负责拉起内核：建立内存空间映射图，为内核的启动运行做好一切准备，最后将Linux内核代码加载到RAM中运行；

3. Bootloader的操作模式

一般来说，bootload都会提供两种操作模式：

• ① 正常启动模式：无需开发者和用户干涉，上电后自动开始运行，完成启动内核的任务；
• ② 下载模式（开发者模式）：需要用户干预，进入下载模式，使用uboot命令进行操作；

4. Bootloader运行基本原理

BootLoader程序是分级载入机制，通常分为 stage1 和 stage2 两大部分。

Stage1

BootLoader 的 stage1 依赖于CPU体系结构的代码，例如CPU相关初始化代码等， 通常都用汇编语言来实现，达到高效操作的目的。

stage1 包括以下步骤：

• ①硬件设备初始化
  • 屏蔽所有的中断
  • 设置CPU的速度和时钟频率
  • 设置内存控制器
  • 关闭 CPU 内部指令／数据 cache
• ②为加载 stage2 准备 RAM 空间
• ③拷贝 stage2 到 RAM 空间中
• ④设置好堆栈指针sp，为执行 C 语言代码作好准备；
• ⑤跳转到 stage2 阶段的C程序入口处；

Stage2

BootLoader 的 stage2 通常用C语言来实现，可以实现更复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。

stage2 包括以下步骤：

• ①初始化本阶段要使用到的硬件设备；
  • 串口设备：以便输出信息
  • ……
• ②检测系统内存映射(memory map)：准备识别在整个 4GB 物理地址空间中有哪些地址范围被分配用来寻址系统的 RAM单元；
• ③将 kernel 映像和根文件系统映像从 flash 上读到 RAM 空间中；
• ④为内核设置启动参数；
• ⑤调用内核：跳至内核代码入口开始执行；

5. 常用Bootloader

目前常用的Bootloader中，uboot是主流使用的，本系列文章着重讲述uboot的源码和移植。

uboot

U-Boot是由开源项目PPCBoot发展起来的，ARMboot并入了PPCBoot，和其他一些arch的Loader合称U-Boot，2002年12月17日第一个版本U-Boot-0.2.0发布，同时PPCBoot和ARMboot停止维护，但是截至目前，uboot一直在不断的更新中。

uboot的特色是“u”- universal（通用的）：

• 在处理器层面：支持PowerPC系列的处理器，支持MIPS、 x86、ARM、NIOS、XScale等诸多常用系列；
• 在内核层面：除了Linux之外，还支持NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS,LynxOS, android嵌入式操作系统等；
• 在设备驱动层面：支持串口、以太网、SDRAM、FLASH、LCD、NVRAM、EEPROM、RTC、键盘等常用硬件设备；

这些丰富的支持依赖于uboot的源码开源，开源许可协议遵循GNU通用公共许可证。

其它

除了uboot之外，还有一些不常用的bootloader，在此作以介绍：

• Redboot：Redboot是Redhat公司随eCos发布的一个bootloader方案，也是一个开源项目；
• Blob(Boot Loader Object)：由Jan-Derk Bakker and Erik Mouw发布，功能比较齐全，代码较少，比较适合做修改移植，用来引导Liunx，目前大部分S3C44B0板都用Blob修改移植后来加载uClinux；
• vivi：vivi是韩国mizi 公司开发的bootloader, 适用于ARM9处理器。

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