Bootloader的啟動方式

Bootloader的啟動

Linux系統是通過Bootloader引導啟動的。一上電，就要執行Bootloader來初始化系統。

系統加電或復位後(即Reset)，所有CPU都會從某個地址開始執行，這是由處理器設計決定的。比如，X86的復位向量在高地址端，ARM處理器在復位時從地址 0x00000000取第一條指令。嵌入式系統的開發板都要把板上ROM或Flash映射到這個地址。因此，必須把Bootloader程序存儲在相應的 Flash位置。系統加電後，CPU將從這裡開始執行。

主機和目標機之間一般有串口(RS232或是RJ-45)可以連接，Bootloader軟件通常會通過串口來輸入輸出。例如：輸出出錯或者執行結果信息到串口終端，從串口終端讀取用戶控制命令等。

Bootloader啟動過程通常是多階段的(Vivi分成兩階段head.S(組合語言寫成)與init/main.c(C語言寫成))，這樣既能提供復雜的功能，又有很好的可移植性。例如：從Flash啟動的Bootloader多數是兩階段的啟動過程。

大多數Bootloader都包含2種不同的操作模式：本地加載模式和遠程下載模式。這2種操作模式的區別僅對於開發人員才有意義，也就是不同啟動方式的使用。從最終用戶的角度看，Bootloader的作用就是用來加載操作系統，而並不存在所謂的本地加載模式與遠程下載模式的區別。

因為Bootloader的主要功能是引導操作系統啟動，所以我們詳細討論一下各種啟動方式的特點。

1．網路啟動方式

這種方式開發板不需要配置較大的存儲介質，跟無硬碟的工作站有點類似。但是使用這種啟動方式之前，需要把Bootloader安裝到板上的EPROM或者 Flash中。Bootloader通過以太網接口遠程下載Linux內核映像或者文件系統。

使用這種方式也有前提條件，就是目標板有串口、以太網接口或者其他連接方式。串口一般可以作為控制台，同時可以用來下載內核影像和RAMDISK文件系統。串口通信(RS232)傳輸速率過低，不適合用來掛接NFS文件系統。所以以太網接口成為通用的互連設備，一般的開發板都 可以配置10M乙太網接口(RJ-45)。

對於PDA等手持設備來說，以太網的RJ-45接口顯得大了些，而USB接口，特別是USB的迷你接口，尺寸非常小。對於開發的嵌入式系統，可以把USB接口虛擬成以太網接口來通訊。這種方式在開發主機和開發板兩端都需要驅動程序。

另外，還要在服務器上配置啟動相關網路服務。Bootloader下載文件一般都使用TFTP網路協議，還可以通過DHCP的方式動態配置IP地址。

2．硬碟啟動方式

傳統的Linux系統運行在桌機或者伺服器上，這些電腦一般都使用BIOS引導，並且使用硬碟作為存儲介質。如果進入BIOS設置菜單，可以探測處理器、內存、硬碟等設備，可以設置BIOS從軟碟片、光碟機或者某顆硬碟啟動。也就是說，BIOS並不直接引導操作系統。那麼在硬碟的主引導區，還需要一個 Bootloader。這個Bootloader可以從硬碟文件系統中把操作系統引導起來。

Linux傳統上是通過LILO（LInux LOader）引導的，後來又出現了GNU的軟件GRUB（GRand Unified Bootloader）。這2種Bootloader廣泛應用在X86的Linux系統上。你的開發主機可能就使用了其中一種，熟悉它們有助於配置多種系統引導功能。

LILO軟件工程是由Werner Almesberger創建，專門為引導Linux開發的。現在LILO的維護者是John Coffman，最新版本下載站點：http://lilo.go.dyndns.org。LILO有詳細的文檔，例如LILO套件中附帶使用手冊和參考手冊。此外，還可以在LDP的“LILO mini-HOWTO”中找到LILO的使用指南。

GRUB 是GNU計劃的主要bootloader。GRUB最初是由Erich Boleyn為GNU Mach操作系統撰寫的引導程序。後來有Gordon Matzigkeit和Okuji Yoshinori接替Erich的工作，繼續維護和開發GRUB。GRUB的網站http://www.gnu.org/software/grub/上有對套件使用的說明文件，叫作《GRUB manual》。GRUB能夠使用TFTP和BOOTP或者DHCP通過網路啟動，這種功能對於系統開發過程很有用。

除了傳統的Linux系統上的引導程序以外，還有其他一些引導程序，也可以支持硬碟引導啟動。例如：LoadLin可以從DOS下啟動Linux；還有ROLO、LinuxBIOS，U-Boot也支持這種功能。

3．Flash啟動方式

大多數嵌入式系統上都使用Flash存儲介質。Flash有很多類型，包括NOR Flash、NAND Flash和其他半導體盤。其中，NOR Flash使用最為普遍。

NOR Flash可以支持隨機訪問，所以程式是可以直接在Flash上執行的。Bootloader一般是存儲在Flash芯片上的。

Bootloader一般放在Flash的底端或者頂端，這要根據處理器的復位向量（Reset）設置。要使Bootloader的入口位於處理器上電執行第一條指令的位置。

接下來分配參數區，這裡可以作為Bootloader的參數保存區域。

再下來內核映像區。Bootloader引導Linux內核，就是要從這個地方把內核映像解壓到RAM中去，然後跳轉到內核映像入口執行。

然後是文件系統區。如果使用Ramdisk文件系統，則需要Bootloader把它解壓到RAM中。

最後還可以分出一些數據區，這要根據實際需要和Flash大小來考慮了。

這些分區是開發者定義的，Bootloader一般直接讀寫對應的偏移地址。到了Linux內核空間，可以配置成MTD設備來訪問Flash分區。

除了NOR Flash，還有NAND Flash、Compact Flash、DiskOnChip等。這些Flash具有芯片價格低，存儲容量大的特點。但是這些芯片一般通過專用控制器的I/O方式來訪問，不能隨機訪問，因此引導方式跟NOR Flash也不同。在這些芯片上，需要配置專用的引導程序。通常，這種引導程序起始的一段程式就把整個引導程序複製到RAM中運行，從而實現自行啟動，這跟從硬碟上啟動相似。