基于x86的Redboot启动流程分析

Redboot是Redhat公司随eCos发布的一个BOOT方案，是一个开源项目。

当前Redboot的最新版本是Redboot-2.0.1，Redhat公司将会继续支持该项目
Redboot支持的处理器构架有ARM，MIPS，MN10300，PowerPC， Renesas SHx，v850，x86等，是一个完善的嵌入式系统Boot Loader。

Redboot是在ECOS的基础上剥离出来的，继承了ECOS的简洁、轻巧、可灵活配置、稳定可靠等品质优点。它可以使用X-modem或Y- modem协议经由串口下载，也可以经由以太网口通过BOOTP/DHCP服务获得IP参数，使用TFTP方式下载程序映像文件，常用于调试支持和系统初 始化（Flash下载更新和网络启动）。Redboot可以通过串口和以太网口与GDB进行通信，调试应用程序，甚至能中断被GDB运行的应用程序。 Redboot为管理FLASH映像，映像下载，Redboot配置以及其他如串口、以太网口提供了一个交互式命令行接口，自动启动后，REDBOOT用 来从TFTP服务器或者从Flash下载映像文件加载系统的引导脚本文件保存在Flash上。当前支持单板机的移植版特性有：

-          支持ECOS，Linux操作系统引导

-          在线读写Flash

-          支持串行口kermit，S-record下载代码

-          监控(minitor)命令集:读写I/O，内存，寄存器、 内存、外设测试功能等

Redboot是标准的嵌入式调试和引导解决方案，支持几乎所有的处理器构架以及大量的外围硬件接口，并且还在不断地完善过程中。

 

 

现在将通过阅读代码，看看redboot是如何启动的，这是每个系统执行的第一步，也是不可缺少的一步。这部分会分几篇完成，这是第一部分，主要是一个概要介绍。

由于系统启动跟硬件的紧密关系，所以在不同的硬件平台下，这部分都会有相应不同的处理。

下面这幅图来自《EMBEDDED SOFTWARE DEVELOPMENT WITH ECOS》书中，介绍了一款PowerPC的设备启动流程。

而这里，仍将介绍PC下的启动流程，通过阅读代码可以了解其具体的执行步骤，也可以通过修改代码重新编译、运行前面介绍的实验，查看结果。在阅读代码的过程中，最好结合实验，这样能够证实系统是否象我们理解的那样运行。

在今后，会进一步分析eCos操作系统的其他部分代码结构，比如：调度，驱动等等。
也会对其他不同体系架构（如 mips arm）下的代码进行分析阅读。

在Redboot最先执行的文件通常命名为 vectors.S

因为我们是i386架构下，所以可以在下面目录下找到相应文件：
package/hal/i386/arch/v2_0/src/vectors.S
 
 程序执行的入口是 _start 。
从 _start 处开始执行，至   call cyg_start 完成启动部分。
在函数 cyg_start 中，将进入 Redboot的执行流程。

这并不是很长的一段代码，却完成了整个PC的启动和初始化的部分。其中相当部分代码为汇编，所以要阅读这些代码必须首先对i386体系结构有基本的了解。

虽然 Redboot的启动过程已经相对简单，它没有使用分页机制，也没有区分内核态和用户态。
所有的代码都被放在一个段中统一编址。只使用了两个段（selector）一个为code，另一个为data。这个对于redboot的size（大概在100k左右吧）已经足够了。

如果对于一个操作系统来讲，这是一个相当程度简化的操作系统。即便如此，启动过程也不是一目了然的清晰。所以，这里仍然会忽略掉一些不太必要的内容，比如对SMP，FPU，GDB的支持等等。

整个启动过程中大概分为以下几个部分：

1. boot-loader: 这部分的工作就是将代码加载（load）到内存中，对于不同的设备，代码会装在不同的地方，通常PC会放在硬盘里面，某些嵌入式设备会把代码放在 ROM(一般是flash)里面，而这里是放在软盘里面。boot-loader就是把软盘的代码load至内存，然后运行它们。

2. 进入保护模式，对于i386体系架构的cpu上电后缺省时实模式，内存访问空间也只有1M，这只是为了跟最初的8086兼容，所以要进入保护模式。

3. 初始化中断向量和异常。

4. 初始化基本的输入输出设备，如显示器，键盘，串行口等等。

5. 其他还有一些零散的初始化工作。

下面开始将按运行次序对启动过程进行介绍。

 

_start 之后的第一行是一个宏 hal_cpu_init ， 该宏定义在package/hal/i386/pcmb/v2_0/include/pcmb.inc 文件中。   由于从软盘引导，所以 hal_cpu_init分为两部分： 一部分是引导分区部分（以0xAA55结束），另一部分的功能是使CPU进入保护模式。

解释：PC上电后会进入BIOS, BIOS会检测磁盘（软盘和硬盘），如果软盘（或硬盘）的第一个分区是引导分区（以 0xAA55结束为标志）则将软盘的第一个分区内容加载到内存 0x7c00处，并运行它。

引导分区被运行之后，将整个redboot逐个分区地加载到0x3000为起始地址的内存空间。

注意：这个过程，引导分区内容会再次被加载到0x3000处，且马上会跳转到0x3000处执行引导分区的代码。而0x7c00处的内容会在后面被覆盖掉。

在执行加载工作前，会先执行两个小任务：
   1. 设置栈，栈顶为0x3000
   2. 通过BIOS提供的中断，得到扩展内存和标准内存大小，压入栈中

引导分区代码结束后，程序将进入保护模式。大概次序如下:
  1. 关中断
  2. 初始化GDT和IDT
  3. 进入保护模式
  4. 设置数据段
  5. 重新设置栈段（因为保护模式和实模式，内存编址方式不同）

GDT主要用两个Selector分别是 0x08 (code) 和 0x10 (data)。

寻址空间都是从0x00000000 - 0xFFFFFFFF

特权级(DPL)为 0

IDT的地址为：0x1000

这部分比较复杂，这里不在详细说明，如果有时间，会在讨论i386架构的文章里，详细说明。而有关这部分的资料也相当丰富，可以在网上搜寻。

到这里hal_cpu_init 已经执行结束了 ，不过进入保护模式还需要 激活A20地址线 。不激活A20地址线只能访问1M空间内的内存，激活A20才能访问所有内存。这个任务在另外一个宏 hal_memc_init 中实现，它位于文件 packages/hal/i386/arch/v2_0/include/arch.inc

这样，就完成了加载和进入保护模式的任务。

 

进入保护模式之后做以下工作：

•  设置中断栈空间，在之前栈定义在小于0x3000的内存空间中。通过
   movl $__interrupt_stack, %esp
   将栈重新设置在__interrupt_stack处，并分配了4096kB的栈空间。
   栈大小也可以通过改变cdl文件进行调整。

 

• hal_idt_init（packages/hal/i386/pc/v2_0/include/platform.inc） 
    设置idt向量， 回头会在介绍中断的文章中介绍这部分。
  
• BSS段初始化（清零）
  解释： BSS（Block Started by Symbol）用来存放程序中未初始化的全局变量的一块內存区域，属于静态內存分配。

 

• hal_platform_init（packages/hal/i386/pc/v2_0/src/plf_misc.c）
    这部分是内容比较多，也比较重要。主要为 初始化 中断，异常 以及虚拟向量表。
    初始化虚拟向量表的工作通过调用函数 hal_if_init 来完成
  在eCos中设置了3张向量表，idt, hal_vsr_table, hal_virtual_vector_table
  内存地址如下：
  idtStart = 0x00001000;
  hal_vsr_table = 0x00001800;
  hal_virtual_vector_table = 0x00001c00;

idt 是硬件实际设置的中断区域，当中断发生后进入调用idt的中断向量。而eCos将idt的中断向量有指向 hal_vsr_table
（猜测是为了隔离不同的cpu中断机制不同，专门设置了hal_vsr_table，使其中断处理方式一致）

在 hal_platform_init 函数中，初始化所有中断（和异常），设定为缺省的中断处理例程，以防止有中断意外发生，造成程序进入未知状态。

有关中断，异常，虚拟向量等相关处理机制内容比较多，会在以后的文章具体介绍。

• cyg_hal_invoke_constructors

这个函数主要执行相关的构造函数，因为ecos一部分代码是用c++写的，所以有些类具有构造函数，需要在首先执行，这里面做这部分的处理。

 

• cyg_start
  最后则进入主函数 cyg_start， 这个函数中，首先执行外围设备的初始化，之后就开始轮询处理用户输入的命令。