bootloader如何固化

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bootloader如何固化 [复制链接]

文章说明：calmarrow（lqm）原创

关于bootloader，先简要地总结一下。经过了第一个阶段的学习，对bootloader有了一个整体的认识，其实把它当作一个功能单元就可以了，职责就是完成从硬件加电到操作系统内核运行之前的所有工作，这些工作包括硬件检测、硬件初始化、加载kernel。这些工作怎么完成呢？按照功能分为两个部分比较合适，硬件检测和初始化功能实现作为stage1；加载kernel作为stage2。stage1完全依赖于硬件，这一部分用汇编语言实现；stage2与操作系统有关，一般用C语言来实现。在嵌入式系统的开发过程中，bootloader有两种选择，要么自行开发，要么移植。我还没有写过bootloader，只是移植过U-boot，使用过Redboot。

这里讨论一个问题，bootloader如何烧写（固化）到非易失性存储介质（比如Nor Flash，NAND Flash等）里呢？

讨论之前，先要理解编程器的概念。虽然学通信工程，应该对这些工具不陌生，但是本科下来，对这些概念确实没有深刻的印象。实际用到，才发现自己基础太差，只能努力的弥补。我写blog，很大程度上是对基础知识的巩固，相信基础扎实了，知识体系才可以慢慢的完善，才能最终胜任更高难度的工作。

编程器也叫device programmer，是对非易失性存储介质和其他电可编程设备进行编程的工具。传统的编程器，需要把Flash（举例）从电路板上取下来，插到编程器的接口上，以完成擦除和烧写。现在的编程器发展的方向是ISP（In-System Programming，在系统可编程），就是指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件。已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程，如Nor Flash支持重复擦写10万次左右。可见，ISP，智能编程器是发展的方向。

利用编程器可以解决前面提高的问题，不仅可以烧写bootloader，还可以烧写kernel，fs等等。也就是都属于固化最终用户代码的过程。

下面考虑两种实际情况：
1、厂商已经提供固化的程序代码，不允许对其修改。那么这种情况下，用不到编程器。
2、厂商提供的硬件没有固化代码，或者固化了部分代码（后面举例说明），这样就需要用到编程器。

第一种情况是对最终用户而言，第二种情况则对开发者而言。也就是在嵌入式开发过程中，我们总是需要用到编程器，不管原来是否知道这个概念，即使是下载线，也可以认为是简单的编程器。要想利用编程器进行数据交换，完成烧写擦除等操作，就必须硬件连接、软件操作。当然，复杂的地方在软件操作，因为对不同的硬件，软件操作是不同的。有些厂商把编程器、编辑器、编译器、汇编器、链接器、调试器集成在一起，提供软硬件解决方案，在学校学习大多是这种集成环境了。比如51单片机的仿真器和Keil开发环境。也因为这个原因，对于每个环节反而没有了概念。在Linux下开发的时候，这些问题就都凸现出来了。不过早出来早解决，这样无论对于自己的认识，还是对于以后的发展，都是有利的。

有些厂商为了方便用户下载代码和调试，在其处理器内部集成了一个小的ROM，事先固化一小段代码。因为容量有限，所以代码的功能有限，一般只是初始化串口，然后等待从串口输入数据。这样，串口线实际上就成为了编程器的硬件连接了。比如，Cirrus Logic 的EP93XX系列，它内部集成了一个BootROM，固化代码初始化串口，支持从串口下载数据。那么在Host端只需要相应的开发一个相同串口协议的download程序，就可以完成bootloader（EP93XX系列使用的是Redboot）烧写到Falsh里【注：这里的编程器就可以认为是download+RS-232交叉线】，然后从Falsh启动，有Redboot进行下面的工作。因为Redboot实现了串口传输协议和TFTP协议，就可以通过RS-232来进行控制，通过Ethernet完成大的映象文件如kernel和fs的下载固化。这样，从硬件上电，到最后系统启动的所有环节就都很清晰了。ATMEL的AT91RM9200内部也集成了一个ROM，固化代码，同样初始化串口，启动串口传输协议Xmodem，等待输入【注：这里的编程器就可以认为是loader+RS-232交叉线】。官方提供的loader就是完成把U-boot下载固化到flash里面。因为kernel和fs比较大，可以采用压缩，官方提供boot来完成从flash启动后自动解压过程。这样，从flash启动就慢了许多。

还有些厂商为了节省ROM空间，提高集成度，不支持从ROM启动模式。比如三星公司的S3C2410等。这样一种简单的方法就是采用JTAG下载线作为编程器的硬件连接，完成其Bootloader（如Vivi）的烧写。在Windows环境下，针对JTAG硬件连接，编程器的软件有JFlash（JTAG for Flash），SJF，Flash Programmer等，还是比较丰富的。在Linux环境下，我所知道的有JFlash的Linux版本【注：在Linux下，这里的编程器就可以认为是JFlash+JTAG下载线，S3C2410是提供JTAG接口的】。因为学校实验室有S3C2410的实验箱，所以下个阶段会尝试以S3C2410为中心，进行详细深入的学习。其中之一就是bootloader的研究。那么就可以分成两个部分：一是Linux环境下Flash烧写工具JFlash的工作原理，完成移植工作。二是移植Vivi（U-boot）。在这个过程中，重点学习一下U-boot的移植和组织形式，掌握JTAG对应的软件JFlash的源代码编写方法。然后尝试自己写一个简单的bootloader。我想，这样学习会更加有效。

总结完之后，对bootloader的理解有了一个新的概念。把bootloader理解成烧写工具和功能实现两个部分，对于实际理解会更有帮助。这样，拿到一块板子，首先看它提供的启动方式有那些，是否支持从ROM启动，是否支持从Flash启动等等，针对启动方式，选择bootloader固化方式，如果提供编程器软件资源最好，如果不提供，那么要么编写，要么移植。不过，大而全在商业中是行不通的，如同周立功所说，专注于自己最擅长的，其他的外包。这是工作后应该信奉的原则。现在还是以研究为目的，尽量弄明白每个环节的工作原理，形成清晰的认识，然后选择自己最为擅长的，作为谋生的手段。即使工作后，各个环节还是应该有所射猎，知识都是相通的，可能从别的方面得到启发，解决自己手头的难题。