摘要： 本文对Boot Loader的功能、操作模式等作了简单的介绍，重点对基于S3C44B0X内核的UP-NetARM3000上移植uCOS所设计的Boot Loader代码进行了深入的分析和研究，详细的介绍了这款Boot Loader的运行流程和工作机理，为成功装载嵌入式操作系统建立良好的软硬件环境。
一个完整的嵌入式系统包括嵌入式微处理器和外围支撑硬件，以及嵌入式操作系统、系统软件和应用软件构成。在嵌入式系统中，移植一款合适的操作系统非常重要，而系统的引导程序就显得尤为重要。这段运行于操作系统内核运行之前，初始化硬件设备，将系统的软硬件环境带到一个合适状态的小程序就是Boot Loader。
Boot Loader概述
Boot Loader的概念及功能
在以ARM为代表的嵌入式系统中，操作系统内核运行前的硬件初始化、建立内核镜像等都是由Boot Loader来完成的。在PC机上，最先启动的是主板上的BIOS，BIOS负责对硬件初始化，给操作系统提供硬件的接口函数等等，但在嵌入式操作系统中并没有BIOS，因此整个嵌入式操作系统的加载启动任务就完全由Boot Loader来完成。
图1 Boot Loader流程图
Boot Loader通常存放于目标平台的非易失存储介质中，主要用于完成由硬件启动到操作系统启动的过渡，能够在上电后对SDRAM、CACHE、FLASH等硬件部分进行检测，建立内存空间的映射图和内核镜像，建立通讯通道和调试通道等，还能够提供Shell Menu检测设置菜单和相应的检测程序，引导操作系统及应用程序，从而为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。
目前，嵌入式系统中广泛应用的UBoot、vivi、blob、armboot等Boot Loader在原有功能的基础上，增加了更多的功能并大大增强了移植性。嵌入式系统中硬件的种类繁多，差距较大，而Boot Loader是严重依赖于硬件而实现的。不同的CPU体系需要不同的Boot Loader，即便是同一种体系结构，由于其它硬件设备配置的不同，如板卡硬件地址的分配、RAM芯片的型号等，也需要对Boot Loader作一定的修改才能使用。因此，开发人员需针对不同的处理器和开发板，对Boot Loader进行定制，来实现不同的功能。
Boot Loader的操作模式
Boot Loader通常包括"启动加载(Boot loading)"和"下载(Downloading)"两种模式。这两种操作模式仅对开发人员具有一定的意义。
启动加载模式：Boot Loader从目标机上的固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，无需用户介入。此模式是Boot Loader正常的工作模式。
下载模式：在这种模式下，目标机上的Boot Loader通过串口连接或网络连接等手段从主机上下载文件到目标机的RAM中，然后再烧写到目标机上的固态存储设备中。通常在第一次安装内核与根文件系统以及系统的更新时使用此模式。
Boot Loader的具体实现
硬件配置
本文以UP-NetARM3000为例来介绍Boot Loader的工作机理和运行流程。UP-NetARM3000使用的是三星公司生产的S3C44B0X芯片，这是三星公司推出的一款高性价比和高性能的微控制器。它具有32位的ARM7TDMI内核，外部时钟为8MHz，内部倍频最高可达72MHz，工作频率为64MHz。S3C44B0X通过提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统中处理器以外的元器件配置，从而使系统的成本大大降低，它集成的各种片上功能包括：8KB Cache、扩展内存控制器、2通道UART带有握手协议、1通道SIO、2个通用DMA、2个外设用DMA、外部存储控制器、LCD控制器、 IIC/IIS总线接口、5个通道PWM定时器和一个内部定时器、看门狗定时器、71个通用I/O口、8个外部中断源、8通道10位ADC、片上PLL时钟产生器等。
Boot Loader的启动流程
大多数Boot Loader通常都分为Stage1和Stage2两大部分。Stage1通常由汇编语言编写，即Boot Loader的启动代码，旨在对部分硬件设备进行初始化。Stage2即Boot Loader的主代码，为了实现更加复杂的功能，使代码具有更好的可读性和可移植性，通常由Ｃ语言来实现，主要用来加载操作系统内核。具体启动流程如图1所示。
· Stage1部分
设置CPU的速度、时钟频率及中断控制寄存器
Boot Loader的启动代码首先定义了一个全局入口，然后对异常向量进行设置。由于Boot Loader严重的依赖于硬件而实现，因此根据CPU体系结构和具体的硬件配置来设置CPU的速度、时钟频率及中断控制寄存器。除完成上述功能，启动代码还需要实现禁止看门狗定时器、设置时钟控制寄存器、设置锁相环控制寄存器、使能所有功能单元块时钟等功能。另外，系统中断的设置也是在这部分实现的，主要是中断向量表和IRQ中断入口地址的设置。
//设置处理器时钟PLL的LOCKTIME
ldr r0,=LOCKTIME
ldr r1,=0xfff
str r1,[r0]
//设置时钟频率
ldr r0,=PLLCON ldr
r1,= ((M_DIV<<12) (P_DIV<<4) S_DIV)
str r1,[r0]
存储器的分配
S3C44B0X 的存储系统具有一些主要特征，如：支持数据存储的大、小端选择；地址空间具有8个存储体，每个存储体可达32MB；对所有存储体的访问大小均可以进行改变；7个存储器的起始地址固定，1个存储器的起始地址可变。在本文介绍的这款Boot Loader中，启动代码通过对BUSWIDTH的赋值来使能各个存储器。其具体对应情况如右面所示：
启动代码还有一个重要的任务—初始化内存控制寄存器，它主要通过设置13 个从0x01c80000开始的寄存器来实现，包括BWSCON总线宽度与等待状态控制寄存器、BANKCONn块控制寄存器。标号SMRDATA处为将要赋予内存控制寄存器的具体值。以ResetHandler标号地址为参照，根据其偏移地址推算出SMRDATA标号地址的实际位置，然后读取该处的数据对内存控制寄存器进行赋值。
adr r0, ResetHandler //将ResetHandler在代码中的实际地址加载到r0
ldr r1,=Resethandler //将ResetHandler链接时决定的值放入r1
sub r0, r1, r0,
ldr r0,=SMRDATA //设定存储器控制寄存器
ldmia r0,{r1-r13}
ldr r0,=0x01c80000 //内存寄存器组第一个寄存器基地址
stmia r0,{r1-r13}
图2 映像文件地址映射
形成可执行文件
在嵌入式系统应用程序中，可执行文件通常包括RO(Read_Only)段、RW(Read_Write)段和BSS段。当需要烧写内存中的映像文件到FLASH中时，通常都会把Boot Loader代码先移到FLASH的高地址空间中，因为通常RO的地址都是0x0，防止在烧写时覆盖本来在FLASH中已有的Boot Loader代码。程序编译、链接时要求编译器设置的Read_Only地址要和最终代码下载的地址相同，如图2所示。
Boot Loader映像文件最终运行的地址空间是0Bank，因此将RO Base设置为0x0,RW Base设置为0x0c60000，经编译后生成bin格式的可执行文件烧写到FLASH0地址处。在程序运行之前，RO段和RW段全部放在FLASH 中，RO段可以直接在FLASH中运行，而RW必须调入SDRAM中才可以运行，因此，程序运行过程中RO段保持已设置完毕的0x0地址不变，而必须将 RW段拷贝到RW Base即0x0c60000地址处，并将ZI段进行零初始化。
LDR r0, =|Image$$RO$$Limit|
LDR r1, =|Image$$RW$$Base|
LDR r3, =|Image$$ZI$$Base|
CMP r0, r1 //对R0和R1进行比较
BEQ