Bootloader設計

引導加載程序是系統加電後運行的第一段代碼。我們熟悉的 PC 中的引導程序一般由BIOS(Basic Input/Output System) 和位於 MBR(Master boot record) 的 OS bootloader（例如 LILO 或者 GRUB）一起組成。然而在嵌入式系統中通常沒有像 BIOS 那樣的固件程序，因此整個系統的加載啟動任務就完全由 bootloader 來完成。設計bootloader的主要目的在於初始化系統的軟硬件環境進行引導啟動（“啟動加載”模式）以及系統的升級維護（“下載”模式）。

bootloader 是依賴於硬件而實現的，不同的體系結構及板級配置的bootloader 是不同的，比如常見的簡單的無外部存儲器的STM32所使用的IAP（In Application Programming）及使用外部存儲的u-boot。但它們的基本設計原理都是一樣的。

階段設計

由於 Boot Loader 的實現依賴於 CPU 的體系結構，因此大多數 Boot Loader 都分為 stage1 和 stage2 兩大部分。依賴於 CPU 體系結構的代碼，比如設備初始化代碼等，通常都放在 stage1 中，而且通常都用匯編語言來實現，以達到短小精悍的目的。而 stage2 則通常用C語言來實現，這樣可以實現復雜的功能，而且代碼會具有更好的可讀性和可移植性（對於相同的 CPU 以及存儲設備，要增加外設支持，階段 1 的代碼可以維護不變，只對階段 2 的代碼進行修改）。

Stage1

1. 硬件設備初始化

   a． 屏蔽所有的中斷。
       為中斷提供服務通常是 OS 設備驅動程序的責任，因此在 Boot Loader 的執行全過程中可以不必響應任何中斷。中斷屏蔽可以通過寫 CPU 的中斷屏蔽寄存器或狀態寄存器（比如 ARM 的 CPSR 寄存器）來完成。       
   b． 設置 CPU 的速度和時鐘頻率。
   c． RAM 初始化。     
   d． 初始化 LED。
   e． 關閉 CPU 內部指令／數據 cache。
       Bootloader 中所有對地址的操作都是使用物理地址，是實在的實地址，不存在虛擬地址，因此 MMU 必須關閉。Bootloader 主要是裝載內核鏡像，鏡像數據必須真實寫回 SDRAM 中，所以數據 cache 必須關閉；而對於指令 cache，不存在強制性的規定，但是一般情況下，推薦關閉指令 cache。

2. 為加載 Boot Loader 的 stage2 准備 RAM 空間

3. 拷貝 Boot Loader 的 stage2 到 RAM 空間中

4. 設置好堆棧

5. 跳轉到 stage2 的 C 入口點

Stage2

1. 初始化本階段要使用到的硬件設備

2. 檢測系統內存映射(memory map)

3. 將 kernel 映像和根文件系統映像從 flash 上讀到 RAM 空間中

4. 設置啟動參數

5. 調用內核

地址規劃設計

當 bootloader 階段設計好之後，需要考慮的是鏡像存儲的地址分配：總鏡像保存在什麼地方，階段 2 對應的鏡像會被拷貝到什麼地方；內核鏡像原先存放在什麼地方，bootloader會把它又重新加載到什麼地方。

Nor Flash啟動

    Norflash像內存一樣是直接掛在系統總線上的，這樣有足夠多的地址線使得CPU能夠尋址到每一個存儲單元上去，這也意味著CPU能夠直接通過總線訪問Norflash上存儲的內容，同時他還支持XIP(即Execute in place，不用將代碼搬到內存中，直接在Norflash上就能運行)。所以在這種啟動模式下，可以將整個bootloader放置其中，然後將地址映射到0x00000000，CPU從0x00000000直接啟動完成整個bootloader過程。

Nand Flash啟動

    Nand flash不能直接掛到系統總線上（一般為8位，數據、指令共用地址線），且他其讀寫，擦除操作必須依賴Nand flash控制器，這也就意味著Nand flash的存儲空間永遠不能映射到0x00000000這個地址上去。這時，常見的方式是Nand flash控制器會自動將其前4k內容拷貝到CPU內部的SRAM中。因此stage1的代碼就放在這最前面的4k空間中，它先完成外部SDRAM、Nand Flash等必要外設的初始化工作使它們可用之後將整個bootloader從Nand Flash拷貝到SDRAM中，為C語言設置好棧，然後跳轉到新拷貝的stage2的C人口處，開始stage2階段。

由於成本的問題，在發布的產品中我們一般直接唯一使用Nand Flash。

模式設計

對於普通用戶來說只需要 bootloader 的啟動加載模式，但是對於開發者來說，則需要下載模式，因為他們需要時時刻刻地進行一些鏡像的更新。

    具體思路：在 bootloader 做完一些硬件初始化工作後，在加載內核鏡像之前，先在一定的時間內等待有沒有用戶有鍵盤輸入，如果沒有，則為啟動加載模式，直接加載內核鏡像進行啟動；如果有，則進入命令行格式，這時開發者就可以根據自己的需要以及 bootloader 的支持情況，做一些其他的工作。模式的轉換設計主要在階段 2 中實現。