原创 Loader，boot，u-boot，linux-kernel是如何引导的？

       上周日，我终于将Linux-<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />2.6.12在我的ARM板上跑起来了！从硬件的调试开始，硬件测试程序的编写，loader程序编写测试，u-boot移植，最后移植Linux、文件系统，并且成功启动系统。整个过程一波三折，有BUG的折磨，有问题的困扰，当然也有很多成功的喜悦。开发过程中，遇到问题之后只能求助google，也从网上的论坛和大家的开发笔记中学到了很多东西，生在网络的时代真好！

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       Linux系统移植成功宣告ARM项目第二个阶段成功结束。接下来的工作将紧紧围绕设备驱动程序的开发、GUI移植及开发工作。

       在这一阶段中，涉及到了很多程序，例如loader，boot，u-boot，busybox以及linux，这些程序都要求我们去修改、移植。说起loader程序需要考虑at91rm9200的体系结构。At91rm9200内部拥有一个启动的一级bootloader，在CPU启动过程中如果没扫描到可启动的介质（通常为外部Flash），那么CPU将控制权交给内部的bootloader，并且将低端1M内存映射给bootloader所在的ROM。一级bootloader所作的工作比较有限，其初始化底层硬件以及DEBUG端口（UART），并且启动xmodem协议提示用户下载程序，此时用户终端将会显示CCC字符。下载的程序将会load到9200内部的SRAM，该SRAM只有16K的空间，所以装载不了较大的程序。并且此时SDRAM还没有被初始化，所以只能加载小程序至内部的SRAM空间。而用于引导linux的u-boot通常体积很大，在100K以上的数量级，所以此时我们需要一个二级bootloader为u-boot程序的下载、运行创造运行环境，这个二级bootloader就是loader程序。Loader程序体积很小，其功能单一，与内部的bootloader相比，其增加了SDRAM的初始化过程。Loader程序可以通过一级bootloader下载到9200内部的SRAM，然后将CPU交给loader程序，loader程序初始化DEBUG端口、SDRAM之后同样启动xmodem协议，请求用户下载u-boot。Loader程序的开发可以基于at91rm9200内置的service固件，该固件程序采用面向对象的程序设计思想，可以很容易使用，具体内容可以参考at91rm9200提供的datasheet。

       在loader程序中需要制定u-boot加载内存的地址，通常u-boot程序被加载到SDRAM的高端地址空间（如果为32MB内存，通常的加载地址为0x21f00000）。U-boot程序是在ppc-boot的基础上修改的，是一个非常优秀的开源项目（http://www.denx.de/wiki/U-Boot/WebHome），支持非常多的CPU系列，对at91rm9200具有非常好的支持。移植u-boot程序本身不是很难，其程序框架做的比较好，用户只需根据自己板子的情况选择相近的board源码，对其进行简单修改就可以了。通常主要修改点在于flash驱动、网卡驱动。因为用户设计的board可能采用了比较个性化的芯片，所以，只能自己写驱动了，常用芯片的驱动在u-boot中都能找到。另外，在编译u-boot的过程中需要采用合适的gcc编译器，我用的u-boot版本是1.3.4，采用arm-linux-gcc3.3.2编译器。U-boot功能是非常强大的，将u-boot启动之后就可以通过网络下载文件系统或者linux kernel了，并且可以通过nfs，tftp等服务与开发用机进行数据交互了，使得arm开发平台的档次向上跨越了一个层次。

       u-boot程序通过loader程序下载到指定SDRAM地址后就可以运行了。系统正常工作时是需要从flash中启动u-boot的，所以下一步工作是需要将u-boot烧录到nor flash中。如果手头有H-JTAG之类的武器，那么可以直接通过H-JTAG将u-boot烧录到flash中，但是，简单的方法是通过u-boot烧录u-boot，即通过上述方法启动的u-boot将u-boot.gz文件下载到flash中。具体方法是通过u-boot的loadb命令启动kermit协议下载u-boot.gz文件到指定的内存单元，然后通过cp命令将内存中的u-boot.gz数据拷贝到flash。当然，写flash数据的时候需要off写保护，并且erase相应的sector。问题讨论到这儿就该boot程序隆重登场了。

       Boot程序就是用来引导flash中的u-boot程序的。实际上该程序不是必然存在的，注意前面下载的u-boot程序是一个gzip文件，也就说明该u-boot是经过GNU ZIP压缩处理过的。此时，需要boot程序对其进行引导。如果用户将一个没有经过压缩的u-boot程序放置到flash的可启动位置，那么boot程序就可以下岗了。Boot程序做的工作比较简单，CPU上电初始化之后，首先执行boot程序，初始化SDRAM等lowlevel硬件，然后其将指定位置的u-boot.gz程序load到内存，并且进行gunzip操作，接着将CPU转交给解压之后的u-boot程序。需要注意，boot程序需要知道u-boot的flash存储地址和解压存放的SDRAM地址，这两个地址就是SRC、DST地址，在移植boot程序的时候需要修改这两个宏定义。Boot程序和loader程序在本站都可以下载J。

       u-boot在arm中run之后，就需要开始移植linux操作系统了。Linux的操作系统源码可以从linux的开源站点上下载（http://www.kernel.org/），然后还需要下载at91rm9200的linux patch，为linux源码打一个补丁，这些操作都可以参考网上非常多的blog。打好补丁的Linux可以采用make menuconfig进行配置，配置选项中有一个cmdline，这个comdline指定了linux系统启动过程中需要的initrd地址，以及挂载点等信息。这个参数考虑到了linux自启动的情况，在自启动时，不存在bootloader，没有人给linux内核传递启动信息，所以这个启动命令需要在linux编译的时候指定。在拥有bootloader情况下，u-boot会通过环境变量给linux传递启动信息，所以会覆盖掉linux内核中的启动命令。Linux内核编译成功之后，在arch/arm/boot目录下会存在Image和zImage两个文件，其中Image是未经压缩的文件，zImage是经过压缩过的文件。如果通过H-JTAG将Image文件直接下载到flash中，linux应该就能够起来（本人没有尝试过，但是通过skyeye启动过该文件）；如果采用u-boot启动linux内核，那么需要通过mkimage工具对linux进行压缩，形成u-boot可引导的uImage.img文件。Mkimage工具在u-boot的tools下，google一下就可以知道该工具使用方法了。Mkimage时需要注意两个老生常谈的参数，-a和-e，-a是程序装载内存地址，-e是程序执行入口地址。-a和-e参数意义与kernel的压缩类型也存在关系。当-a和-e相等时，说明程序装载和执行入口地址相同，-a、-e指定的地址处是一个未经压缩处理的kernel，可以直接启动。在这种情况下，说明下载的内核是经过压缩处理的，这里的压缩处理有两层含义，一层是用户通过gzip工具对编译生成的kernel进行压缩（mkimage命令中通过-C指定压缩类型），另一层含义是直接是一个zImage压缩内核。压缩处理的内核不能直接tftp到-a、-e指定的位置，需要与-a、-e的位置保持一定距离。当-a与-e不相等时（-e后移0x40字节），说明内核是一个未经压缩处理（同样是两种压缩方法）的内核，tftp下载的地址可以与-a、-e保持一致。

       Linux编译成功之后的一个重要话题就是文件系统了，考虑到嵌入式系统资源的紧缺性，可以采用busybox来做文件系统。busybox是嵌入式linux的“瑞士军刀”，它是一个神奇的box，封装了用户所需的绝大部分command，这也是一个开源项目，源代码可以从网上获取（http://www.busybox.net/）。嵌入式linux文件系统可以通过initrd和ramdisk来实现，这两个是有点容易混淆的概念。Ramdisk是Linux中将内存虚拟化成块设备的驱动，initrd是利用了ramdisk机制的一种启动盘。所以，制作文件系统的关键在于制作initrd，并且将busybox中的命令工具和用户启动脚本、程序拷贝到initrd中。制作initrd可以通过mkfs.ext2命令对一个file进行格式化，接着通过loop设备将一个文件虚拟化成块设备，然后mount到挂载点，随后进行数据的拷贝。文件系统制作完成之后下载到内存或者flash，然后通过u-boot进行加载，并且通过环境变量将initrd的信息告诉给linux kernel。Kernel会将initrd加载到ramdisk中，并且挂载到具体的挂载点，启动指定的init启动程序（通常为linuxrc），至此linux就可以起来了。