Bootloader详解，理解Bootloader看这篇就够了

一、Bootloader作用（目的）

Bootloader=Boot + loader

Boot的目的：
最终目的：跳到C语言中；为了C语言运行程序会进行一系列的初始化，系统一上电后如何通过一系列的设置让软件程序员进入C语言/更高级语言环境的开发，这个过程就是boot的主要目的。

Loader的目的：
主要目的是开始执行应用逻辑，比如点灯：需要灯的接口开发；串口输入输出：需要串口编程；加载linux的内核：flash的编程、网卡的编程、内核启动前的初始化部分。根据不同的应用会有不同的变化。

一个开发板要想执行loader，要先看boot做了什么事。

二、完成Boot最终目的的前提条件

围绕boot的最终目的，对执行最终目的的前提条件进行说明：
前提条件：
（1）让SP指向可读可写的设备空间中

（2）满足递减栈的规则—SP想办法放在内存的高段地址

（3）配置SDRAM的控制器。首选空间为SDRAM，SDRAM不是系统一上电就好，所以在做（1）、（2）之前要配置SDRAM的控制器，使SDRAM可以正常工作。

（4）配置系统工作时钟，通过代码对相应寄存器进行相关配置即可实现。

（5）关闭看门狗、中断、MMU、CACHE，通过汇编语言对相应的寄存器进行置位即可实现。

开发时前提条件的执行顺序：（5）、（4）、（3）、（1）、（2）

三、对前提条件的详细说明

3.1、对前提条件（1）的说明：

先看代码：

int main()
{
	abc();//main函数中调用abc函数
}

int abc()
{
	int  a = 10;//假设用r0寄存器保存了立即数10，接下来跳到fun函数中
	fun();//abc函数中调用fun函数
	if(a xx)//函数fun返回后再判断a的情况，发现a不再是10
}

int fun()
{
	int  b = 20;/*假设同样用寄存器r0保存20，不用内存保存是因为寄存器的访问速度比内存访问速度快，
				函数abc中的变量a在整个代码执行区中不需要再往回传给main函数了，a是一个临时的值，
				寄存器r0只有一个，也只能保存一个，所以a只是出现一次，然后就不用了。当abc函数调用fun函数后，
				寄存器r0中的值10会被20替换*/
}
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在上述代码运行过程中，一旦函数abc又调用了函数fun，寄存器r0中的值会被替换，从10变成了20，函数fun在返回后就会出现问题：这时用if语句判断a的情况，会发现a已经不再等于10了。

如果按照上述逻辑去设计汇编的话问题会有很多。于此问题，C语言给我们提供了栈的概念—stack

栈的逻辑：先进后出、后进先出，压栈出栈是通过代码对指向栈区指针的值进行更新、赋值，进而对指针指向的内存空间进行读和写。由此有了栈指针概念—该指针必须指向一个具备可以进行读写的硬件空间。在Arm体系架构中，栈指针用寄存器SP来描述。何为可读可写——与应用程序思路不同，硬件上的可读可写如代码：

int  a = 10;//这句话执行完后让以a为首地址的那段空间/设备把10赋进去
*(&a)==10;//进行解引用后将值取出来和10是相等的相当于将10写进去了
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如果a的地址有问题，比如它指向的是一个不存在的空间。何为不存在的空间——0x2000 0000是内存机地址，但硬件公司只买了一个16M的内存，现在软件工程师想把a放在地址0x2100 0000，这个地址发出去后显然没有落到16M的范围内，那么对a的赋值就无法进行了。这时C语言无法帮我们进行压栈入栈的操作。

小结：栈指针一定要指向一个合法的设备——可读可写的地址空间。

3.2、对前提条件（2）的说明：

系统刚上电时SP指向的是0地址，即ROM，显然写不进去。所以在跳到C语言之前一定要让SP指向一个可读可写的设备区间中，SP首选指向地址是SDRAM中。如果用汇编写Bootloader：
代码为：

MOV  SP, #0x2000  0000//跳之前将sp赋值
BL  MAIN//跳到MAIN中
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这样会出现问题，我们在学Arm基础时知道栈指针在C语言中有一个规范，称之为ATPCS，它规定C语言默认将SP作为栈指针，且SP指向的是一个向下压栈的过程，所以把栈指针指向内存的低地址不合适，SP指针一定要往上指，所以要满足递减栈的规则。
代码应为：

MOV  SP, #0x2100  0000//跳之前将sp赋值
BL  MAIN//跳到MAIN中
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问题没完。既然指向地址0x2100 0000，而这个地址是内存，内存是一上电就能干活？不行，内存涉及到一个动态的充电过程。内存的访问：发出地址——直接把数据发给它——将数据写过去。
假设内存大小是16M，地址总线数计算：

存储总量=存储单元个数×存储字长，
然后：
$$存储单元个数=2^{地址总线位数}$$

另：
$$1MB=1024KB=1024B\ast 1024=1048576B==2^{20}B$$

存储字长是什么：
存储字长：存储单元中的二进制代码（存储字）位数，存储字长可以是8位、16位、32位等。
早期计算机的存储字长一般和机器的指令字长与数据字长相等，故访问一次主存便可取一条指令或一个数据。随着计算机的应用范围的不断扩大，解题精度的不断提高，往往要求指令字长是可变的，数据字长也要求可变。为了适应指令和数据字长的可变性，其长度不由存储字长来确定，而由字节的个数来表示。1个字节（Byte)被定义为由8位（Bit）二进制代码组成。
存储字是指存放在一个存储单元中的二进制代码组合。一个存储字可代表一个二进制数，也可代表一串字符，如存储字为0011011001111101，既可表示为由十六进制字符组成的367DH（ASCII码），又可代表16位的二进制数，此值对应十进制数为13 949，还可代表两个ASCII码：“6”和“}”。一个存储字还可代表一条指令。 字长就是在同一时间中处理二进制数的位数叫字长。通常称处理字长为8位数据的CPU叫8位CPU，32位CPU就是在同一时间内处理字长为32位的二进制数据。
存储字长是在内存中存储字的长度，可以是16bit或8bit

故：
$$16M=2^{地址总线位数}\times 存储字长$$

即：
$$(2^4\ast 2^{20})B=2^{地址总线位数}\times 存储字长$$

存储字长为1，所以地址总线数为24。

所以这个内存有24根地址总线，用这24根地址总线就可以对16兆进行逐一编址。现在CPU只要发出对应的地址，就会进行数据的读写。

如果一个芯片的内存比较大，为了减小芯片的体积，需要减少地址总线的数目。如何用较少的地址线来将较大的内存全访问到？利用C语言中一维数组、二维数组的概念。
如代码：

int  a[16];//在这里定义了16个字节（2^4），用4根线就能找到它（用4bit可以表示）
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即用这4根线就能表示这16种状态。
现在想办法减少这4根线的数目，对于同样的空间我还可以怎样访问？如代码：

int  b[4][4];//将16个字节分为4行4列
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用这种方式访问时需要知道行数和列数，范围都是0~3，4个字节大小，现在用2bit就能表示（2根线访问）。先发出行坐标，再发出列坐标。
通过改成2维数组使得外部接口上的位数变少了。数组维数越大，在表示相同大小的内存时，需要的位数越小。

芯片内存的内部结构可以理解为一个多维数组，它由多个面构成，要想访问其中的一块空间，要先知道它在哪一个面上，然后知道它在这个面上的行、列坐标（地址）。内部结构大致如下图所示：

引出问题：现在发出地址0x2100 0000，要将这个地址转换为在这个芯片中的哪一个面上、哪一行上、那一列上。这个转换过程可以由软件程序员来自行分解，也可以由硬件做。软件做成本高、意义也不大，故而让硬件来帮我们确定。要让硬件做会引出另外一个概念：在芯片的datasheet中的DRAM CONTROLLER中规定了这一过程：见对前提条件（3）的说明中的内容。

细节补充说明：SP指针要往上指，但是不是随便指。在ARM体系中ARM工作分了7个工作空间。第一个：SVC模式，在系统复位后默认会用的一个模式，工作在Linux的kernel空间；第二个：IRQ模式，中断一旦发生后的运行模式；第三个：FIQ模式；第四个：USR模式，它对应的实际上就是Linux下的app，就是应用程序空间。
…等七个工作空间。
其中USR模式和SVC模式工作的空间都有自己的sp指针，这样用户空间操作的代码不会影响内核。这样会出现一个问题，内存假如只有一块，两个sp指针在遵循指向高地址的原则时可能会重复指向一个地址，所以在对sp赋值时要考虑用哪一个模式时要将sp分开，如何分开：对应每一个工作模式划分相应的可供使用的内存空间，如下图所示，但这时可能会出现另一个问题，如果USR的内存空间没有设计好，一旦发生死循环递归，栈会慢慢的往下延伸，会发生栈的溢出，溢出后会将SVC的空间内容修改了，那么在执行SVC时结果就错了，程序就跑得乱七八糟。

所以在执行前提条件（1）（2）的时候要考虑几个问题，首先要考虑用哪些空间/模式，就要初始化哪些模式下的sp，如何初始化：有一套专门用于模式切换的指令。其次在对sp赋值时有原则：每个模式的值不能重复、不能覆盖其他模式。

3.3、对前提条件（3）的说明：

CPU直接发出地址后现在要访问SDRAM，让CPU把想做的事情告诉给控制器，控制器根据我的配置（行地址数、列地址数、多少块、周期性充电问题、计算多久让它充一次电）

关于计算多久让它充一次电：CPU是一个脉冲波形，这里要引入时序的概念。

时序是芯片的心脏，每一个上升沿触发CPU干一件事，多久充一次电？
控制器凭什么知道经过多久可以充？所以要先配置控制器，在配置中又有一个问题，CPU和控制器都有自己的工作频率，它们共用同一个频率吗？即它们共用同一个时钟吗？因为外围控制器的成本/芯片工艺过程决定了控制器处理数据的能力较弱，导致不能同步接收到发送给它的数据，所以总时钟总线上的频率不会直接给控制器用，而是通过一个分频器，将频率降低后再给它用。所以还要先配置系统工作时钟。只有配置好了工作时钟才能计算出多久充一次电。

3.4、对前提条件（4）的说明：

在嵌入式开发过程中这一步是最耗时的，因为后期Linux内核最终还是运行在RAM，包括很多程序都是在RAM上运行，而RAM中，如果我们给它的频率不符合这款芯片本身的物理特性，那么很容易出现程序跑飞，在PC中就可能出现程序在运行时突然蓝屏，蓝屏的原因有很多，但是大部分都是由于内存的问题，有些时候买的内存的芯片的物理结构/质量不好，响应时间会很慢。举例：现在CPU要发出序列1101，现在芯片要想办法以一定的速度将这4bit发到数据总线上，或者说给到这片SDRAM上，假设CPU工作在1GHZ（这频率很快了），基本上1GHZ分之一再乘以4，这个时间就可以把4个比特发完了。SDRAM价格便宜，根本就不能同步响应1GHZ的CPU给的信息，那么内存工作就有问题，出现蓝屏。

配置SDRAM的难度就在于不仅要看懂SDRAM的芯片手册，同时还要懂得一定的硬件原理，包括一些调试经验，然后去动态的算出针对某一块开发板的SDRAM的具体工作参数。

3.5、对前提条件（5）的说明：

配置系统时钟之前还有一个问题，不是配了就马上工作正常，还要经过一段时间，在这期间还要引入看门狗。看门狗就是一个定时器，在一段时间之内，如果不对定时器进行重新的喂狗，一旦减到0就会触发一个中断/复位，CPU就相当于重启了。所以要保证有足够的长的时间来执行前提条件（1）、（2）、（3）、（4），所以在配置时钟之前为了安全起见还要把看门狗给关了。同时中断也要关了，因为我们还没进入到C或者说还没进到系统处理，即使中断来了，我们还不知道该怎么处理，因为我们的函数还没注册进去，这时最好把中断也关了，在调用main函数时再将中断打开。除此之外还可以关闭MMU、CACHE，MMU一般指的是有操作系统情况下才用，裸机程序上一般情况下为了简单一点可以不要管它，对于CACHE，指令CACHE无所谓可开可关，但是数据CACHE一般情况下在这时最好关了，虽然说速度可以提高，但是由于涉及到数据完整性的问题，有可能CACHE打开后数据的完整性就会有影响，这样给后期的调试带来很大麻烦，所以先关了它。

3.6、Boot阶段基本流程简单总结:

Boot最终目的是跳到C语言，在跳到C语言之前要考虑栈指针的初始化，因为C语言编译器要自动的利用SP指针来作为我们的栈空间，这样我们就必须要把SP指向一个可读可写的设备，具体赋什么值要根据规则来决定，然后再放到SDRAM上，紧接着SDRAM要想工作，在擦之前还要配置SDRAM，这个工作量比较大，包括：行地址数、列地址数、多少块、周期性充电问题，在配置SDRAM之前还要计算多久充一次电，所以还要配置系统时钟，而系统时钟工作还要一些前导，即关闭看门狗、中断、MMU、CACHE。

所以具体的来说，不管什么系统，要想设计一款Bootloader中的Boot阶段基本是要完成上述前提工作。最后根据每个系统的条件不同，还涉及到一个概念就是代码搬移。

为什么要代码搬移？一个芯片，系统启动时它会规定只能处理多少量的代码，如果代码量超过了规定的可处理的量，多余的代码就处理不了了，这时就要程序员自己把代码搬到一个更大的空间上去运行，要程序员自己对控制器进行控制，所以在main函数执行前也还要对相应存储器的控制器进行初始化，在代码搬移前还要初始化对应控制器，这样做软件工程师的工作量大一些，因为首先要看硬件公司用哪一个存储器启动，比如SD卡就要写SD卡的驱动，如果是NAND启动，就要写NAND的驱动，然后考虑怎么把代码快读搬到内存上，跳到内存上执行，一般来说代码搬移到RAM上，所以都要在SDRAM工作正常的基础上。其次是执行速度问题，如果代码本身之前工作在flash上，flash的执行速度比RAM慢得多，所以要把程序从存储器（nor-flash）搬移到快速的内存上运行。这就是我们说的代码搬移。

以上就是完成Bootloader中的Boot工作所要进行的一些事。

四、loader是干啥的

当MAIN函数跳过来之后（进入到C语言后）进行Loader的目的，即开始执行应用逻辑，这个要根据具体的工程代码来决定。