BootLoader啟動引導方式分析

在中大規模的嵌入式系統開發中，往往需要BootLoader對系統內核進行加載和啟動引導。現有的加載啟動引導方式大多需要目標機與宿主機間的線路連接，使用起來不方便且效率不高。本文在分析現有的加載和啟動引導方式的基礎上，提出一種改進方法，即采用基于FAT文件系統的可移動設備作為加載和啟動引導內核的載體，并分析其加載和啟動引導的具體過程。

關鍵詞? BootLoader? FAT文件系統? 啟動引導? LPC2294

引言

　　BootLoader通常稱為“系統的引導加載程序”，是系統加電或復位后執行的第一段程序代碼[1]。這段程序的主要任務是，實現硬件設備初始化并建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環境帶到一個合適的狀態，以便為最終調用操作系統內核或用戶應用程序準備好正確的環境。通常，BootLoader包含兩種不同的加載和啟動引導方式，即啟動加載方式和下載方式。

　　① 啟動加載（boot loading）方式。這種引導方式也稱為“自主（autonomous）引導方式”，也即BootLoader從目標機的某個固態存儲設備上將操作系統加載到RAM中并引導運行，整個過程并沒有用戶的介入。這種引導方式是BootLoader的正常工作模式下普遍采用的一種引導方式。因此在嵌入式產品發布的時候，BootLoader一般以這種引導方式對內核代碼進行啟動引導。
　　② 下載（down loading）方式。在這種引導方式下目標機上的BootLoader將通過串口連接或網絡連接等通信手段從主機下載文件，如下載應用程序、數據文件、內核映像等。從主機下載的文件通常首先被BootLoader保存到目標機的RAM中，然后再被BootLoader寫到目標機上的固態存儲設備中，其后完成內核的引導運行。BootLoader的這種引導方式通常在系統研發和更新時使用。

　　在嵌入式系統研發階段，現有的BootLoader下載引導方式又可根據加載途徑的不同細分為以下幾種：

　　① 通過Ethernet網口從宿主機下載內核到目標板，從而實現軟件系統啟動；
　　② 通過串口從宿主機下載內核到目標板從而實現軟件系統啟動；
　　③ 直接從Flash中提取已存儲的內核，從而實現軟件系統的啟動。

　　總結以上幾種引導方式會發現，它們有些共同的弊端；在系統調試時需要進行宿主機與目標板間的硬件線路的實際連接，使用起來不夠方便，且燒片的速度比較緩慢，調試的效率不高；硬件方面需要大容量的Flash的支持，增加了研發成本；進行內核更新時顯得不夠靈活。為此，采用可移動的存儲介質對系統內核進行存儲（如SD卡、CF卡等），從而實現對系統內核的靈活調試和引導。這種引導方式的好處是，在調試時無需把宿主機和目標板進行硬件連接，提高了調試的效率，使用起來更便捷、更靈活；進行內核更新時顯得更為靈活，只需把更新內核轉存到指定目錄，此外它的實現也比較簡單。進行這方面的改進時只需做以下工作：在硬件方面，增加針對特定移動存儲介質的硬件電路，而在中大型系統中，有關移動存儲介質的硬件電路（如SD卡、CF卡等相關的電路）是現成的，所以硬件部分也可忽略；在BootLoader程序內部，只需添加對移動存儲介質（如CF卡、SD卡等）基于文件系統進行存儲訪問的指令。按此思路，在已有硬件平臺的基礎上針對移動設備SD卡對原有BootLoader進行了改進。下面介紹實現過程。

1? 硬件平臺

　　本次改進測試的硬件平臺是由英蓓特公司開發的基于LPC2294 ARM控制器的LPC22EB06I實驗平臺。其上的主要功能模塊有：

　　① 2 MB的Flash、1 MB的SRAM（可擴展到4 MB）、256B具有I2C接口的E2PROM等存儲器；
　　② 2個RS232（其中一路可接Modem）、RS485、CAN等通信總線接口；
　　③ 2個調試接口：LPT和JTAG調試接口；
　　④ 支持CF卡、SD/MMC等移動存儲介質；
　　⑤ 支持128×128真彩顯示。

　　圖1是其硬件功能框圖。

圖1? LPC22EB06I開發平臺功能框圖

2? BootLoader的改進設計

2.1? 原有BootLoader功能

　　原來的BootLoader具有如下功能：

　　① 串口下載功能，通過串口下載內核到指定RAM區；
　　② Flash燒寫功能，從RAM區燒寫數據到Flash中；
　　③ 數據區內塊搬移功能；
　　④ 其他功能。其指令封裝結構如下：

struct _CMD_TBL {
　　char *cmd;//命令字
　　bool(*run)(struct _CMD_TBL*cptr,int argc,char**argv);//指向具體的功能處理函數
　　char*usage;//命令使用方法信息
　　char*help;//幫助信息
　　char*helpMore;
};

　　例如，Flash燒寫命令封裝如下：

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為其處理方法的方法名；flash {loader/kernel/root} {block1/.../block16}和flash [dest] [src] [len]為其命令的使用格式（其中“{}”內為可選項，“[]”內為必選項）。

2.2? BootLoader改進實驗

　　此次改進就是在原有BootLoader的基礎上，增加對移動存儲介質SD卡以FAT格式進行讀取數據的指令來實現的。命令封裝如下：
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卡中把指定目錄下的內核文件提取到SDRAM區域中，從而完成內核的加載。

　　另增加3條輔助指令，一條完成SD卡的格式化，另一條完成對系統內核的保存，最后一條完成對系統內核的啟動加載。命令封裝如下：
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的功能是完成對SD卡的格式化，CMD_TBL_SD_STORE的功能是把SDRAM區域中的內核代碼備份到SD卡的固定存儲區，CMD_TBL_SD_LOAD的功能是把SD卡的固定存儲區中的內核代碼加載到指定的SDRAM區域中。

　　下面分析一下其基于FAT文件系統的具體讀取和備份方法。首先看一下FAT文件系統的基本結構。FAT文件系統的整體結構大體由4大部分組成：MBR區（主引導記錄區）、DBR區（DOS引導記錄區）、FAT區（文件分配表區，FAT1為主文件分配表區，FAT2為備份文件分配表區）和DATA區（數據區，包含FDT區——文件目錄表區）。FAT文件系統結構如下：

　　其各個區域基扇區地址（把MBR區的基扇區地址作為0）計算如下：

　　DBR區的基扇區地址=MBR基扇區地址+63
　　FAT表的基扇區地址=DBR的基扇區地址+保留扇區數
　　FDT區基扇區地址=每FAT表扇區數×FAT表個數+（FDT區的開始簇號2）×每簇扇區數+FAT表基扇區地址。（簇是系統進行文件管理的單位，FAT表中的每一項對應一個簇，文件的存取按簇進行，一簇包含若干個扇區。）

　　從FAT文件系統的組織結構可以看出，從SD卡中讀取系統內核代碼數據到指定的RAM區比較容易，就是根據系統內核文件名在文件系統中進行查找定位，隨后完成讀取。對于內核代碼的備份和加載，需要在深入分析FAT文件系統的組織結構的基礎上對SD卡格式化作一些處理。在格式化時，通過設置MBR區和DBR區的數據實現不對SD卡存儲區的最末8 MB區域（根據實際需要可增減）作格式化處理的目的，即把它置為RAW區。所以系統內核備份的實現，就是把系統內核代碼通過SD卡的寫入指令填充到RAW區。系統內核的加載是從RAW區直接讀取備份的內核代碼。

3? 總結

　　本文所述的內核加載啟動引導方式已經過實踐驗證。它實現了目標板與宿主機間硬件線路連接的完全脫離，為系統調試者提供了便利，有效地提高了系統調試的效率；與此同時，它還能方便地實現系統的在線更新。可以說要進行系統啟動引導設計，此方法是一個不錯的選擇。最后說明一點，本文介紹的BootLoader改進方法是在LCP2294芯片開發的LPC22EB06I實驗平臺上完成的。由于BootLoader與處理器的體系結構和具體嵌入式板級設備的配置密切相關，若要在其他的處理器芯片或平臺上采用上述方法，還需對BootLoader中與處理器體系結構相關的代碼作適當的修改。這部分不是本文探討的主要內容，所以在此不再詳述，若有讀者還想詳細了解相關內容，請查閱相關論文或書籍。