一种新的BootLoader启动引导方式研究

引 言
    BootLoader通常称为“系统的引导加载程序”，是系统加电或复位后执行的第一段程序代码。这段程序的主要任务是，实现硬件设备初始化并建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核或用户应用程序准备好正确的环境。通常，BootLoader包含两种不同的加载和启动引导方式，即启动加载方式和下载方式。
    ①启动加载(boot loading)方式。这种引导方式也称为“自主(autonomous)引导方式”，也即BootLoader从目标机的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中并引导运行，整个过程并没有用户的介入。这种引导方式是BootLoader的正常工作模式下普遍采用的一种引导方式。因此在嵌入式产品发布的时候，BootLoader一般以这种引导方式对内核代码进行启动引导。
    ②下载(down loading)方式。在这种引导方式下目标机上的BootLoader将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机下载文件，如下载应用程序、数据文件、内核映像等。从主机下载的文件通常首先被BootLoader保存到目标机的RAM中，然后再被BootLoader写到目标机上的固态存储设备中，其后完成内核的引导运行。BootLoader的这种引导方式通常在系统研发和更新时使用。在嵌入式系统研发阶段，现有的BootLoader下载引导方式又可根据加载途径的不同细分为以下几种：
    ①通过Ethernet网口从宿主机下载内核到目标板，从而实现软件系统启动；
    ②通过串口从宿主机下载内核到目标板从而实现软件系统启动；
    ③直接从Flash中提取已存储的内核，从而实现软件系统的启动。
    总结以上几种引导方式会发现，它们有些共同的弊端；在系统调试时需要进行宿主机与目标板间的硬件线路的实际连接，使用起来不够方便，且烧片的速度比较缓慢，调试的效率不高；硬件方面需要大容量的Flash的支持，增加了研发成本；进行内核更新时显得不够灵活。为此，采用可移动的存储介质对系统内核进行存储(如SD卡、CF卡等)，从而实现对系统内核的灵活调试和引导。这种引导方式的好处是，在调试时无需把宿主机和目标板进行硬件连接，提高了调试的效率，使用起来更便捷、更灵活；进行内核更新时显得更为灵活，只需把更新内核转存到指定目录，此外它的实现也比较简单。进行这方面的改进时只需做以下工作：在硬件方面，增加针对特定移动存储介质的硬件电路，而在中大型系统中，有关移动存储介质的硬件电路(如SD卡、CF卡等相关的电路)是现成的，所以硬件部分也可忽略；在BootLoader程序内部，只需添加对移动存储介质(如CF卡、SD卡等)基于文件系统进行存储访问的指令。按此思路，在已有硬件平台的基础上针对移动设备SD卡对原有BootLoader进行了改进。下面介绍实现过程。

1 硬件平台
    本次改进测试的硬件平台是由英蓓特公司开发的基于LPC2294 ARM控制器的LPC22EB06一I实验平台。其上的主要功能模块有：
    ①2 MB的Flash、1 MB的SRAM(可扩展到4 MB)、256B具有I2C接口的E2PROM等存储器；
    ②2个RS232(其中一路可接Modem)、RS485、CAN等通信总线接口；
    ③2个调试接口：LPT和JTAG调试接口；
    ④支持CF卡、SD／MMC等移动存储介质；
    ⑤支持128×128真彩显示。
    图1是其硬件功能框图。

2 BOOtLoader的改进设计
2．1 原有BootLoader功能
    原来的：BootLoader具有如下功能：
    ①串口下载功能，通过串口下载内核到指定RAM区；
    ②Flash烧写功能，从RAM区烧写数据到Flash中；
    ③数据区内块搬移功能；
    ④其他功能。其指令封装结构如下：

2．2 BootLoader改进实验
    此次改进就是在原有BootLoader的基础上，增加对移动存储介质SD卡以FAT格式进行读取数据的指令来实现的。命令封装如下：

其功能是，在SD卡中把指定目录下的内核文件提取到SDRAM区域中，从而完成内核的加载。
    另增加3条辅助指令，一条完成SD卡的格式化，另一条完成对系统内核的保存，最后一条完成对系统内核的启动加载。命令封装如下：

    其中，CMD_TBL_SD_FORMAT的功能是完成对SD卡的格式化，CMD_TBL_SD_STORE的功能是把SDRAM区域中的内核代码备份到SD卡的固定存储区，CMD_TBL_SD_LDAD的功能是把SD卡的固定存储区中的内核代码加载到指定的SDRAM区域中。
    下面分析一下其基于FAT文件系统的具体读取和备份方法。首先看一下FAT文件系统的基本结构。FAT文件系统的整体结构大体由4大部分组成：MBR区(主引导记录区)、DBR区(DOS引导记录区)、FAT区(文件分配表区，FATl为主文件分配表区，FAT2为备份文件分配表区)和DATA区(数据区，包含FDT区——文件目录表区)。FAT文件系统结构如下：

    其各个区域基扇区地址(把MBR区的基扇区地址作为O)计算如下：
    DBR区的基扇区地址=MBR基扇区地址+63
    FAT表的基扇区地址=DBR的基扇区地址+保留扇区数
    FDT区基扇区地址=每FAT表扇区数×FAT表个数+(FDT区的开始簇号一2)×每簇扇区数+FAT表基扇区地址。(簇是系统进行文件管理的单位，FAT表中的每一项对应一个簇，文件的存取按簇进行，一簇包含若干个扇区。)
    从FAT文件系统的组织结构可以看出，从SD卡中读取系统内核代码数据到指定的RAM区比较容易，就是根据系统内核文件名在文件系统中进行查找定位，随后完成读取。对于内核代码的备份和加载，需要在深入分析FAT文件系统的组织结构的基础上对SD卡格式化作一些处理。在格式化时，通过设置MBR区和DBR区的数据实现不对SD卡存储区的最末8MB区域(根据实际需要可增减)作格式化处理的目的，即把它置为RAW区。所以系统内核备份的实现，就是把系统内核代码通过SD卡的写入指令填充到RAW区。系统内核的加载是从RAW区直接读取备份的内核代码。

3 总 结
    本文所述的内核加载启动引导方式已经过实践验证。它实现了目标板与宿主机间硬件线路连接的完全脱离．为系统调试者提供了便利，有效地提高了系统调试的效率；与此同时，它还能方便地实现系统的在线更新。可以说要进行系统启动引导设计，此方法是一个不错的选择。最后说明一点，本文介绍的BootLoader改进方法是在LCP2294芯片开发的LPC22EB06一I实验平台上完成的。由于BootLoader与处理器的体系结构和具体嵌入式板级设备的配置密切相关，若要在其他的处理器芯片或平台上采用上述方法，还需对BootLoader中与处理器体系结构相关的代码作适当的修改。这部分不是本文探讨的主要内容，所以在此不再详述，若有读者还想详细了解相关内容，请查阅相关论文或书籍。