第七章嵌入式BootLoard技术及Linux根文件系统

第七章

BootLoard及根文件系统第一节嵌入式BootLoard技术Bootloader的概念BootLoader的操作模式主要任务与典型结构框架的Bootloader(vivi)BLOB简介7.1Bootloader的概念BootLoader就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过它，我们可以初始化硬件设备、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准备好正确的环境。通常，BootLoader是严重地依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式世界。因此，在嵌入式世界里建立一个通用的BootLoader几乎是不可能的。尽管如此，我们仍然可以对BootLoader归纳出一些通用的概念来，以指导用户特定的BootLoader设计与实现。7.1.1BootLoader所支持的

CPU和嵌入式板通常，每种CPU体系结构都有不同的BootLoader。有些BootLoader也支持多种体系结构的CPU，比如U-Boot就同时支持ARM体系结构和MIPS体系结构。移植的工作，Bootloader的板级移植7.1.2BootLoader的安装媒介系统加电或复位后，所有的处理器通常都从某个预先安排的地址上取指令。比如，ARM在复位时从地址0x0取指。嵌入式系统中通常都有某种类型的固态存储设备（比如：ROM、EEPROM或FLASH等）被映射到这个预先安排的地址上。因此在系统加电后，处理器将首先执行BootLoader程序Bootloader是最先被系统执行的程序7.1.3固态存储设备的典型空间分配结构Bootloader参数系统内核根文件系统Flash从低地址到高地址方向7.1.4BootLoader的控制方式主机和目标机之间一般通过串口建立连接，BootLoader软件在执行时通常会通过串口来进行通讯，比如：输出打印信息到串口，从串口读取用户控制字符也可以通过JTAG等其他接口通讯7.2BootLoader的操作模式大多数BootLoader都包含两种不同的操作模式：启动加载模式下载模式最终用户的角度看，BootLoader的作用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的启动加载模式与下载工作模式的区别7.2.1启动加载模式启动加载模式，称为“自主”（Autonomous）模式

BootLoader从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程并没有用户的介入。这种模式是BootLoader的正常工作模式，因此在嵌入式产品发布的时侯，BootLoader显然必须工作在这种模式下。7.2.2下载模式在下载模式下，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：下载内核映像和根文件系统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FLASH类固态存储设备中。这种模式通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用；此外，以后的系统更新也会使用BootLoader的这种工作模式。工作于这种模式下的BootLoader通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。7.2.3BootLoader

与主机通信串口传输，传输协议通常是xmodem／ymodem／zmodem

。程序简单，传输的速度比较慢，115200bps通过以太网传输是个好方法。TFTP协议是最常见的方式

7.3BL的主要任务与典型结构框架大多数BootLoader都分为stage1和stage2两大部分。依赖于处理器体系结构和板级初始化的代码，通常都放在stage1中，用汇编言实现而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现更复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。7.3.1BootLoader的stage1通常包括以下步骤(以执行的先后顺序)：硬件设备初始化。为加载BootLoader的stage2准备RAM空间。拷贝BootLoader的stage2到RAM空间中。设置好堆栈。跳转到stage2的C入口点。

7.3.2BootLoader的stage2（1/2）通常包括以下步骤(以执行的先后顺序)：初始化本阶段要使用到的硬件设备。检测系统内存映射(memorymap)。将kernel映像和根文件系统映像从flash上读到RAM空间中。为内核设置启动参数。调用内核。7.3.2BootLoader的stage2确（2/2）stage2的代码通常用C语言来实现，以便于实现更复杂的功能和取得更好的代码可读性和可移植性。与普通C语言应用程序不同的是，在编译和链接bootloader这样的程序时，我们不能使用glibc

库中的任何支持函数。7.4Linux的Bootloader系统配置、中断接管、引导装载内核、根文件系统、参数传递、内核调试、内核和根文件系统的下载等等常见的uClinux(Linux)的Bootloader：RedbootBlobViviUbootarmBoot…7.4.1vivi

（1/2）UP-NETARM2410-S平台的引导程序结构简单基本功能：xmodem，Flash（Nand、Nor）坏块管理保存参数7.4.1vivi

（2/2）支持Linux内核引导，可以传递内核参数支持分区（bon）命令行7.4.2引导装载程序的详细设计第1阶段代码设计第2阶段入口代码设计FLASH的驱动设计串口驱动设计XMODEM协议的设计存储器空间分布设计编译、连接脚本设计网络接口（可选）7.4.3阅读Linux源码的工具在windows平台下SourceInsight（读C代码）UltraEdit（读汇编）7.4.4vivi的启动过程vivi从vivi/arch/s3c2410/head.S开始配置PLL、SDRAM、IO、中断等查看连接文件vivi/arch/vivi.lds程序定位在0x33f00000ARM指令的特点跳转到第二阶段on_the_ram7.4.5vivi的第二阶段流程设置复位模式板上其他外设初始化内存映射，MMU初始化系统堆（heap）空间初始化MTD设备（分区）初始化初始化vivi命令进入命令行或者引导系统7.4.6vivi的启动流程－装载主要组件初始化文件系统装载组件：boot_kernel.c:copy_kernel_img(to,(char*)from,size,media_type);运行装载后文件：boot_kernel.c:call_linux(0,mach_type,to);loaderrambitsflashbitsvivi的内存映射7.4.7vivi的命令命令处理在lib/command.c文件中add_commandfind_cmdexeccmdcommand_help1.vivi的命令使用vivi>help

cpu[{cmds}]--Managecpuclocksbon[{cmds}]--Managethebonfilesystemreset--Resetthesystem

param[set|show|save|reset]--set/getparameterpart[add|del|show|reset]--ManageMTDpartitions

mem[{cmds}]--ManageMemoryload{...}--LoadafiletoRAM/Flashgo<addr><a0><a1><a2><a3>--jumpto<addr>dump<addr><length>--Display(hexdump)arangeofmemory.call<addr><a0><a1><a2><a3>--jump_with_returnto<addr>boot[{cmds}]--Bootinglinuxkernel

bootucos[{cmds}]--Bootingucossystemhelp[{cmds}]--Helpabouthelp?2.添加vivi的命令命令初始化流程：main.cinit_builtin_cmdsadd_command添加命令的流程示例：cp–af./arch/s3c2410/smdk2410_test.c./lib/my_test.c

编辑./lib/Config_cmd.inbool'built-inmytestcommand'CONFIG_MY_TEST编辑./lib/Makefileobj-$(CONFIG_TEST)+=my_test.o编辑my_test.c文件init_builtin_cmds中添加命令：externuser_command_t

my_test_cmd;add_command(&my_test_cmd);makemenuconfig

中添加命令的配置[*]built-inmytestcommand7.4.7vivi

bootloader的下载1、loadflashucosx

（注意：不是loadflashvivix）2、使用x-modem协议下载3、bootucos4、help命令：mytest[{cmds}]--Testfunctions5、mytest命令：vivi>mytestUsage:testsleep--Testsleepmode.(pwbtiseint0)testint--Testexternalinterrupt0testled--TestLEDs7.4.8在跳到内核时要满足的条件1．CPU寄存器的设置：

R0＝0；

R1＝机器类型ID；关于MachineTypeNumber，可以参见linux/arch/arm/tools/mach-types。

R2＝启动参数标记列表在RAM中起始基地址；2．CPU模式：

·必须禁止中断（IRQs和FIQs）；

·CPU必须为Supervisor的保护模式；3．Cache和MMU的设置：

·MMU必须关闭；

·指令Cache可以打开也可以关闭；

·数据Cache必须关闭；7.4.9各种模式下的可见寄存器7.4.10linux内核的引导lib/boot_kernel.c中的boot_kernel函数传递启动参数退出vivi，处理cachevoidcall_linux(longa0,longa1,longa2)

函数负责启动7.5BLOB简介BootLoaderOBject

缩写结构简单功能完整：xmodem，tftp，flash等支持Linuxkernel引导，可以传递内核参数支持分区7.5.1Blob从哪里开始？正常的启动是从src/blob/start.S开始xlli接口，则和平台相关XLLI:LowLevelInitializationxlli的优点：增强了平台的移植性XLLI示例EXPORTxlli_GPIO_init;InitializetheGPIOpinsforthisplatformEXPORTxlli_MFPR_init;InitializetheMultiFunctionPinRegistersEXPORTxlli_MFPR_offset_table;MFPRoffsetloouptableEXPORTxlli_Dmem_initP1;DynamicMemoryControllerInitializationPart#1EXPORTxlli_Rcomp;RunRcompcalibrationEXPORTxlli_DDR_HCAL;HardwaredelaylinecalibrationroutineEXPORTxlli_DDR_SCAL;SoftwaredelaylinecalibrationroutineEXPORTxlli_Dmem_initP2;DynamicMemoryControllerInitializationPart#2EXPORTxlli_Smem_init;StaticMemoryControllerInitializationEXPORTxlli_intr_init;Interruptinitialization(masksallinterrupts)EXPORTxlli_freq_change;FrequencychangesequenceEXPORTxlli_icache_enable;EnableI-Cache,D-Cache,andBranchTargetBufferEXPORTxlli_setPTB;SetthePageTabeBaseaddress(usedforsleepresets)EXPORTxlli_initPageTable;InitializePageTableforMMUunitEXPORTxlli_initPageTable_var;InitializePageTableforMMUunit(baseaddrinr1)EXPORTxlli_MMU_init;InitializetheMemoryManagementUnitEXPORTxlli_goVirtual;Makethetransitionfromphysicaladdresstovirtualaddress从XLLI接口启动src/blob/xlli/mainstone/start.s区分上电复位和休眠IO初始化内存初始化配置锁频环相关include文件xlli_Mainstone_defs.incxlli_Bulverde_defs.inc标准的Blob启动从src/blob/start-pxa.S开始IO初始化内存初始化normal_boot完成的工作normal_boot在src/blob/start.s中定义复制blob后半部到内存为什么要复制？Blob的两个连接配置脚本start-ld-script，启动部分的定位。入口是_startrest-ld-script，后半部的定位。入口是_trampoline_trampoline负责初始化C代码空间，跳转到C代码中运行Blob的C代码中的初始化工作init_subsystems完成的任务，初始化initlist中的函数——驱动程序初始化的好地方Blob中串口驱动程序结构src/blob/mainstone.cserial_driver_t

pxa_serial_driver={ init: pxa_serial_init, read: pxa_serial_read, write: pxa_serial_write, poll: pxa_serial_poll,

flush_input: pxa_serial_flush_input,

flush_output: pxa_serial_flush_output};Blob的存储器区域分配FLASHSDRAM大小Blob0-256KB0xA0020000256KB参数256-512KB0xA01ff000256KB内核512KB-2MB0xA02000001.5MB根文件系统2-16MB0xA040000014MBmain.c流程图Blob中添加命令使用__commandlist宏#define__command__attribute__((unused,__section__(".commandlist")))#define__commandlist(fn,nm,hlp)\staticcommandlist_t__command_##fn__command={\ magic:COMMAND_MAGIC,\ name:nm,\ help:hlp,\ callback:fn}举例__commandlist(Reload,"reload",reloadhelp);被替换为：staticcommandlist_t__command_Reload__attribute__((unused,__section__(".commandlist")))={ magic:COMMAND_MAGIC, name:“reload”, help:reloadhelp, callback:Reload}第二节

构建嵌入式Linux根文件系统Linux根文件系统介绍根文件系统的目录结构使用Busybox生成工具集根文件系统启动流程根文件系统烧写流程Linux根文件系统介绍内核启动的最后步骤－－挂载根文件系统，包含：Init进程Shell文件系统、网络系统等等的工具集系统配置文件链接库Linux根文件系统目录结构bin 必要的用户命令（二进制文件）*boot

引导加载程序使用的静态文件dev

设备文件及其他特殊文件etc系统配置文件*home用户主目录lib必要的链接库，例如：C链接库、内核模块mnt

临时挂载的文件系统的挂载点“*”目录在嵌入式Linux上为可选的。Linux根文件系统目录结构*opt附加软件的安装目录proc提供内核和进程信息的proc文件系统*rootroot用户主目录sbin

必要的系统管理员命令tmp

临时文件目录usr

大多数用户使用的应用程序和文件目录var

监控程序和工具程序存放的可变数据Linux根文件系统目录结构/dev目录设备文件及其他特殊文件当配置内核支持设备文件系统devfs时，此目录中的设备节点由内核和驱动程序自动创建Linux根文件系统目录结构/lib目录存放系统必要的动态链接库，支持系统的正常启动：ld 动态链接器 必要libc

主C链接器进程 必要libm

数学进程 数学函数需要用到libcrypt

密码学进程 多数涉及认证的应用程序需要使用完整说明参见glibc使用手册Linux根文件系统目录结构/etc目录－－系统配置文件fstab

挂载文件系统的配置文件passwd Password文件inetd.conf

Inetd守护进程的配置文件group Group文件init.d/rcS

缺省的sysinit

脚本使用Busybox生成工具集很小的应用程序提供完整的工具集的功能Init进程Shell文件系统、网络系统等等的工具集http:///Busybox的配置和交叉编译（1）在http:///downloads/

下载Busybox：busybox-1.1.0.tar.bz2解压后，进入配置菜单：

makemenuconfigBusybox的配置和交叉编译（2）Busybox的配置和交叉编译（3）选择Busybox的编译方式：BuildOptions BuildBusyBoxasastaticbinary(nosharedlibs)

缺省配置为使用链接库Busybox的配置和交叉编译（3）配置交叉编译器：BuildOptions[*]DoyouwanttobuildBusyBoxwithaCrossCompiler?(/home/wbn/arm2410/tools/usr/local/arm/3.4.1/bin/arm-linux-)CrossCompilerprefix安装路径：InstallationOptions

(./_install)BusyBoxinstallationprefixBusybox的配置和交叉编译（4）配置其他工具集：ArchivalUtilitiesCoreutilsConsoleUtilitiesDebian

UtilitieEditorsFindingUtilitiesInitUtilitiesLogin/PasswordManagementUtilitiesMiscellaneousUtilitiesLinuxModuleUtilitiesNetworkingUtilitiesProcessUtilitiesShellsSystemLoggingUtilitiesLinuxSystemUtilitiesBusybox的配置和交叉编译（4）配置其他工具集：InitUtilities[*]init[*]Supportreadinganinittabfile?[*]Supportrunninginitfromwithinaninitrd?编译后

/bin

/linuxrc->bin/busybox

/sbinBusybox的配置和交叉编译（4）配置其他工具集：ArchivalUtilities

工具：tar、zip、unzipCoreutils

常用命令：basenamecatchgrp

chmoddatedd

dfechoenv

ln

ls

mkdir

mknod

mv

pwd

rm

rmdirsleepsortsyncwc

whoami等等Editors

编辑命令：viawk

sed等FindingUtilities

查找命令：findgrep

xargsBusybox的配置和交叉编译（4）配置其他工具集：

Login/PasswordManagementUtilities Login：gettyloginpasswd NetworkingUtilities

网络命令集：hostnameifconfig

inetd

netstatpingroute ProcessUtilities

进程命令：freeps

sysctltop Shells shell工具：ash等

SystemLoggingUtilities

日志工具：syslogd

klogd

LinuxSystemUtilities

系统工具：dmesg

fdisk

getoptmoremountumountBusybox的配置和交叉编译（5）编译Busybox：

#makedep

#make

#makeinstallBusybox的配置和交叉编译（6）编译生成的目录结构：/bin/linuxrc/sbin/usr /usr/bin /usr/sbin构建根文件系统在$root/etc目录下，建立配置文件：init.d/rcS

缺省的sysinit

脚本[/etc]cat

init.d/rcS#!/bin/sh/bin/mount-a/bin/mount-n-tramfs

ramfs/var/bin/mount-n-tramfs

ramfs/root/bin/mkdir/var/tmp/bin/mkdir/var/modules/bin/mkdir/var/run/bin/mkdir/var/logexec/usr/etc/rc.local构建根文件系统在$root/etc目录下，建立配置文件：fstab

挂载文件系统的配置文件[/etc]cat

fstabnone/procprocdefaults00none/dev/ptsdevptsmode=062200tmpfs/dev/shm

tmpfsdefaults00/dev/mtdblock/1/mnt/yaffs

yaffsdefaults11/dev/scsi/host0/bus0/target0/lun0/part1/mnt/udisk

vfat

noauto,codepage=936,iocharset=cp93600/dev/ide/host0/bus0/target0/lun0/part1/mnt/hdap1vfat

noauto,codepage=936,iocharset=cp93600/dev/ide/host0/bus0/target0/lun0/part2/mnt/hdap2vfat

noauto,codepage=936,iocharset=cp93600/dev/ide/host0/bus0/target0/lun0/part3/mnt/hdap3vfat

noauto,codepage=936,iocharset=cp93600/dev/ide/host0/bus0/target1/lun0/part1/mnt/hdbp1vfat

noauto,codepage=936,iocharset=cp93600/dev/mmc/disc0/part1/mnt/sdcard

vfat

noauto,codepage=936,iocharset=cp93600构建根文件系统在$root/etc目录下，建立配置文件：inetd.conf

services

protocols

Inetd守护进程的配置文件[/etc]cat

inetd.conf#<service_name><sock_type><proto><flags><user><server_path><args>ftpstreamtcp

nowaitroot/sbin/ftpd

ftpdtelnetstreamtcp

nowaitroot/sbin/in.telnetd

in.telnetdinetd.conf只能使用/etc/services中限定的服务inetd.conf只能使用/etc/protocols中限定的协议构建根文件系统在$root/etc目录下，建立配置文件：profile:ash的配置脚本[/etc]catprofile#/etc/profile:executedbybash(1)forloginsh