Bootloader详解

Bootloader基本认识

每一种不同的CPU系统结构都有不同的BootLoader，除了依赖于CPU的体系结构外，Bootloader还依赖于具体的嵌入式板级设备的配置，比如板卡的硬件地址分配，外设芯片的类型等。也就是说，对于两块不同的开发板而言，即使他们是基于同一种CPU而构建的，但如果他们的硬件资源或配置不一样的话，想要在一块开发板上运行的Bootloader程序也能在另一块开发板上运行的话，Bootloader仍然需要修改。

BootLoader的启动过程分为单阶段（Single-stage）和多阶段（Multi-Stage）两种，通常多阶段的BootLoader具有更复杂的功能，更好的可移植性。从固态存储设备上的Bootloader大多采用两阶段，即启动过程分为Stage1和Stage2：

stage1：完成初始化硬件，为stage2准备内存空间，并将stage2复制到内存中，设置stage2运行需要的堆栈，然后跳转到stage2运行。注意：在该阶段执行bootloader代码时，C语言的运行环境还没建立起来（主要是堆栈还没设置好，所以该阶段的代码都是采用汇编语言编写）

stage2：初始化本阶段要使用到的硬件设备，将内核映像（镜像）和根文件系统映像（镜像）从flash上读到RAM中，然后调用内核。注意：stage1阶段已经为该阶段建立好了C语言的运行环境，所以该阶段大多采用C语言编写，当然也可以用汇编！

 

知识扩展

一、堆栈空间分配区别：

       1、栈（习惯上也称为堆栈）：由操作系统自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等；

　　2、堆： 由程序员动态分配和释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收，分配方式倒是类似于链表。

　　二、堆栈缓存方式区别：

　　1、栈使用的是一级缓存，他们通常都是被调用时处于存储空间中，调用完毕立即释放；

　　2、堆是存放在二级缓存中，生命周期由虚拟机的垃圾回收算法来决定（并不是一旦成为孤儿对象就能被回收）。所以调用这些对象的速度要相对来得低一些。

　　三、堆栈数据结构区别：

　　堆（数据结构）：堆可以被看成是一棵树，如：堆排序；

　　栈（数据结构）：一种先进后出的数据结构。

“栈“的深入理解

1.什么是栈？
栈（也称为堆栈，注意和堆的区别）是一种特殊的线性表，是一种只允许在表的一端进行插入或删除操作的线性表。表中允许进行插入、删除操作的一端称为栈顶。表的另一端称为栈底。栈顶的当前位置是动态的，对栈顶当前位置的标记称为栈顶指针。当栈中没有数据元素时，称之为空栈。栈的插入操作通常称为进栈或入栈，栈的删除操作通常称为退栈或出栈。

简易理解：
客栈，即临时寄存的地方，计算机中的堆栈主要用来保存临时数据，局部变量和中断/调用子程序程序的返回地址。程序中栈主要是用来存储函数中的局部变量以及保存寄存器参数的，如果你用了操作系统，栈中还可能存储当前进线程的上下文。设置栈大小的一个原则是，保证栈不会下溢出到数据空间或程序空间.CPU在运行程序时，会自动的使用堆栈，所以堆栈指针SP就必须要在调用C程序前设定。

CPU的内存RAM空间存放规律一般是分段的，从地址向高地址，依次为：程序段（.text），BSS段，然后上面还可能会有堆空间，然后最上面才是堆栈段，这样安排堆栈，是因为堆栈的特点决定的，所以堆栈的指针SP初始化一般在堆栈段的高地址，也就是内存的高地址，然后让堆栈指针向下增长（其实就是递减）。这样做的好处就是堆栈空间远离了其他段，不会跟其他段重叠，造成修改其他段数据，而引起不可预料的后果，还有设置堆栈大小的原则，要保证栈不会下溢出到数据空间或者程序空间。所谓堆栈溢出，是指堆栈指针SP向下增长到其他段空间，如果栈指针向下增长到其他段空间，称为堆栈溢出。堆栈溢出会修改其他空间的值，严重情况下可造成死机.

2.堆栈指针的设置
开始将堆栈指针设置在内部RAM，是因为不是每个板上都有外部RAM，而且外部RAM的大小也不相同，而且如果是SDRAM，还需要初始化，在内部RAM开始运行的一般是一个小的引导程序，基本上不怎么使用堆栈，因此将堆栈设置在内部RAM,但这也就要去改引导程序不能随意使用大量局部变量。

片内4K的SRAM，SDRAM大小64M，从0x30000000到0x33FFFFFF，当程序在片内SRAM运行的时候，sp的值设置为4096，当程序在SDRAM内运行的时候sp设置为0x34000000，当然当程序在内部SRAM运行，若已经初始化SDRAM，此时也可以将堆栈指针设置为0x34000000，更加防止了堆栈溢出。

3.  栈的整体作用
1) 保存现场；
2) 传递参数:汇编代码调用 C 函数时，需传递参数；
3) 保存临时变量:包括函数的非静态局部变量以及编译器自动生成的其他临时变量；

1)  保存现场
现场，意思就相当于案发现场，总有一些现场的情况，要记录下来的，否则被别人破坏掉之后，你就无法恢复现场了。而此处说的现场，就是指 CPU 运行的时候，用到了一些寄存器，比如 r0,r1 等等，对于这些寄存器的值，如果你不保存而直接跳转到子函数中去执行，那么很可能就被其破坏了，因为其函数执行也要用到这些寄存器。因此，在函数调用之前，应该将这些寄存器等现场，暂时保持起来(入栈 push)，等调用函数执行完毕返回后(出栈 pop)，再恢复现场。这样CPU就可以正确的继续执行了。保存寄存器的值，一般用的是 push 指令，将对应的某些寄存器的值，一个个放到栈中，把对应的值压入到栈里面，即所谓的压栈。然后待被调用的子函数执行完毕的时候，再调用 pop，把栈中的一个个的值，赋值给对应的那些你刚开始压栈时用到的寄存器，把对应的值从栈中弹出去，即所谓的出栈。其中保存的寄存器中，也包括 lr 的值（因为用 bl 指令进行跳转的话，那么之前的 PC 的值是存在 lr 中的），然后在子程序执行完毕的时候，再把栈中的 lr 的值 pop 出来，赋值给 PC，这样就实现了子函数的正确的返回

2)  传递参数

C 语言进行函数调用的时候，常常会传递给被调用的函数一些参数，对于这些 C 语言级别的参数，被编译器翻译成汇编语言的时候，就要找个地方存放一下，并且让被调用的函数能够访问，否则就没发实现传递参数了。对于找个地方放一下，分两种情况。一种情况是，本身传递的参数不多于 4 个，就可以通过寄存器 r0~r3 传送参数。因为在前面的保存现场的动作中，已经保存好了对应的寄存器的值，那么此时，这些寄存器就是空闲的，可以供我们使用的了，那就可以放参数。另一种情况是，参数多于 4 个时，寄存器不够用，就得用栈了。

3)  临时变量保存在栈中
包括函数的非静态局部变量以及编译器自动生成的其他临时变量。