Bootloader设计

引导加载程序是系统加电后运行的第一段代码。我们熟悉的 PC 中的引导程序一般由BIOS(Basic Input/Output System) 和位于 MBR(Master boot record) 的 OS bootloader（例如 LILO 或者 GRUB）一起组成。然而在嵌入式系统中通常没有像 BIOS 那样的固件程序，因此整个系统的加载启动任务就完全由 bootloader 来完成。设计bootloader的主要目的在于初始化系统的软硬件环境进行引导启动（“启动加载”模式）以及系统的升级维护（“下载”模式）。

bootloader 是依赖于硬件而实现的，不同的体系结构及板级配置的bootloader 是不同的，比如常见的简单的无外部存储器的STM32所使用的IAP（In Application Programming）及使用外部存储的u-boot。但它们的基本设计原理都是一样的。

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阶段设计

由于 Boot Loader 的实现依赖于 CPU 的体系结构，因此大多数 Boot Loader 都分为 stage1 和 stage2 两大部分。依赖于 CPU 体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在 stage1 中，而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍的目的。而 stage2 则通常用C语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性（对于相同的 CPU 以及存储设备，要增加外设支持，阶段 1 的代码可以维护不变，只对阶段 2 的代码进行修改）。

Stage1

1. 硬件设备初始化

   a． 屏蔽所有的中断。
       为中断提供服务通常是 OS 设备驱动程序的责任，因此在 Boot Loader 的执行全过程中可以不必响应任何中断。中断屏蔽可以通过写 CPU 的中断屏蔽寄存器或状态寄存器（比如 ARM 的 CPSR 寄存器）来完成。       
   b． 设置 CPU 的速度和时钟频率。
   c． RAM 初始化。     
   d． 初始化 LED。
   e． 关闭 CPU 内部指令／数据 cache。
       Bootloader 中所有对地址的操作都是使用物理地址，是实在的实地址，不存在虚拟地址，因此 MMU 必须关闭。Bootloader 主要是装载内核镜像，镜像数据必须真实写回 SDRAM 中，所以数据 cache 必须关闭；而对于指令 cache，不存在强制性的规定，但是一般情况下，推荐关闭指令 cache。

2. 为加载 Boot Loader 的 stage2 准备 RAM 空间

3. 拷贝 Boot Loader 的 stage2 到 RAM 空间中

4. 设置好堆栈

5. 跳转到 stage2 的 C 入口点

Stage2

1. 初始化本阶段要使用到的硬件设备

2. 检测系统内存映射(memory map)

3. 将 kernel 映像和根文件系统映像从 flash 上读到 RAM 空间中

4. 设置启动参数

5. 调用内核

地址规划设计

当 bootloader 阶段设计好之后，需要考虑的是镜像存储的地址分配：总镜像保存在什么地方，阶段 2 对应的镜像会被拷贝到什么地方；内核镜像原先存放在什么地方，bootloader会把它又重新加载到什么地方。

Nor Flash启动

    Norflash像内存一样是直接挂在系统总线上的，这样有足够多的地址线使得CPU能够寻址到每一个存储单元上去，这也意味着CPU能够直接通过总线访问Norflash上存储的内容，同时他还支持XIP(即Execute in place，不用将代码搬到内存中，直接在Norflash上就能运行)。所以在这种启动模式下，可以将整个bootloader放置其中，然后将地址映射到0x00000000，CPU从0x00000000直接启动完成整个bootloader过程。

Nand Flash启动

    Nand flash不能直接挂到系统总线上（一般为8位，数据、指令共用地址线），且他其读写，擦除操作必须依赖Nand flash控制器，这也就意味着Nand flash的存储空间永远不能映射到0x00000000这个地址上去。这时，常见的方式是Nand flash控制器会自动将其前4k内容拷贝到CPU内部的SRAM中。因此stage1的代码就放在这最前面的4k空间中，它先完成外部SDRAM、Nand Flash等必要外设的初始化工作使它们可用之后将整个bootloader从Nand Flash拷贝到SDRAM中，为C语言设置好栈，然后跳转到新拷贝的stage2的C人口处，开始stage2阶段。

由于成本的问题，在发布的产品中我们一般直接唯一使用Nand Flash。

模式设计

对于普通用户来说只需要 bootloader 的启动加载模式，但是对于开发者来说，则需要下载模式，因为他们需要时时刻刻地进行一些镜像的更新。

    具体思路：在 bootloader 做完一些硬件初始化工作后，在加载内核镜像之前，先在一定的时间内等待有没有用户有键盘输入，如果没有，则为启动加载模式，直接加载内核镜像进行启动；如果有，则进入命令行格式，这时开发者就可以根据自己的需要以及 bootloader 的支持情况，做一些其他的工作。模式的转换设计主要在阶段 2 中实现。