嵌入式实时操作系统的设计与开发 （启动内核学习）

RTOS的引导模式

RTOS的引导是指将操作系统装入内存并开始执行的过程。
时间限制主要包括：系统要求快速启动和系统启动后要求程序能实时运行。
空间限制主要包括：Flash等非易失性存储空间限制和RAM等易失性存储空间限制。

通常不可能同时满足两种要求，需根据具体情况进行折中处理，由此，RTOS的引导分为如下两种模式。

需要BootLoader的引导模式

BootLoader是在RTOS内核运行之前执行的一段小程序，它将RTOS内核从外部存储介质复制到内存中，并让PC跳转到刚复制到内存的内核的首条指令。

在嵌入式系统中，BootLoader依赖于硬件，几乎不可能建立一个通用的BootLoader。不同的CPU体系结构都有不同的BootLoader，另外，BootLoader还依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。

对于采用高性能RAM的系统，出于成本因素，RAM空间有一定限制，此时一般采用Bootloader引导方式：由Loader程序把RTOS内核中的数据段复制到RAM中，代码段在Flash中运行。
因为代码段在低速的Flash中运行，该方式在节省空间的同时，牺牲了时间。这种引导方式适合于硬件成本低、运行速度相对较慢的嵌入式系统，但是启动时间却较快。

如果RAM空间没有限制，足够程序运行时，由Loader程序把RTOS内核从非易失性存储介质全部复制到RAM中，对于某些压缩的内核，复制后还需要解压。此时，不能满足对启动速度要求特别高的系统，但是系统的运行速度却能得到保障。

不需要BootLoader的引导模式

对于实时性要求较高的系统，通常要求系统能够快速启动。由于将Flash中的代码复制到RAM中的操作会带来一定的时间开销，因此，对于此类系统启动时无须BootLoader，而直接在NorFlash或ROM等可以做主存的非易失性存储介质中运行，以达到较快的启动速度。但这种引导模式不能满足运行速度的要求，因为Flash的访存时间与RAM的访存时间存在数量级上的差距。

通常，除了上述两种引导模式中考虑时间、空间效率以外，出于空间效率的要求，需要对RTOS内核使用压缩工具进行压缩，在RTOS引导时，采用逆向解压缩算法解压。
同时，出于实时性的考虑，压缩算法不能过于复杂，否则压缩、解压过程消耗大量时间将与启动时间限制发生严重冲突。
采用压缩策略并不一定会增加系统启动时间，因为压缩、解压过程虽然消耗了一定的时间，但是由于内核体积小，由Flash复制到RAM中的时间相应减少，有可能反而减少了时间消耗。

以VxWorks操作系统为例，VxWorks Image分为在ROM中运行和RAM中运行两种，而且在ROM中运行的VxWorks Image是非压缩的，不需要解压；但在RAM中运行的VxWorks Image是压缩的，引导时需要解压COPY所有的text和data到RAM中。

BootLoader

BootLoader可以拆分成两部分：一个是Boot，另一个是Loader。

1. Boot：Boot意味着系统启动时会从这里启动，具体一定就是当大家按下开机键时，CPU执行的第一条指令就是Boot的代码，也就是说Boot的代码要存储在CPU第一条指令的地址处。
2. Loader：加载代码程序，这个程序就是内核映像。

从上面可以看出，在PC上，BIOS满足上面的特性，因为PC启动时就是从BIOS的地址处启动的，然后BIOS的代码读取硬盘的第一扇区的数据，即引导程序，然后将控制权交给引导程序，再由引导程序加载操作系统内核代码运行。

而在嵌入式系统中，Vivi、Uboot等就是BootLoader，这些程序都是开机时就启动，启动后，会从NAND Flash或SD卡等存储设备中奖RTOS内核程序代码复制到SDRAM中，然后执行内核代码。

aCoral的BootLoader就是start.s，代码很少。
Vivi，Uboot代码量大的原因主要是：它们都支持多种嵌入式平台，都可以看成是一个通用的BootLoader，除了提供上面启动、RTOS加载两个功能外，它们还支持更多功能，如支持各种命令，这些命令主要分为以下两大类：

1. 操作设备类：支持板载设备的操作，如操作Flash等。
2. 数据相关类（通信和管理）：支持FTP、NFS等网络协议，支持USB下载等。

有些BootLoader，如ARM公司的Bootmonitor还支持文件系统，能以文件系统的方式管理NANDFlash、SDCARD上的数据。
有了上面两大类操作的支持后，BootLoader不再是纯粹的BootLoader了，它已具备了一些操作系统的功能，只是不支持操作系统支持的任务管理、调度、切换等功能。

其实像Vivi，Uboot这些BootLoader在电子产品很少用到，因为电子产品强调性能、成本，且不愿意用户有太大的修改权利，且Vivi，Uboot尺寸很大，启动时间长，严重影响系统的性能和成本，因此商用后，BootLoader肯定越小越好。

真正在商用产品中，BootLoader这部分代码直接写到操作系统，这个简单的BootLoader是和内核一起编译，并且通过链接器链接在一起的。

存储介质的划分方法

1. 按存储介质分类。作为存储介质的基本要求，必须具备能够显示两个有明显区别的物理状态的性质，分别用来表示二进制码的0和1。另一方面，存储器的存取速度又取决于该物理状态的改变速度。目前主要是半导体器件和磁性材料，用半导体器件组成的存储器称为半导体存储。
2. 按存取方式分类。如果存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关，这种存储器称为随机存储器。半导体存储器和磁芯存储器都是随机存储器。如果存储器只能按某种顺序来存取，也就是说存取时间和存储单元的物理位置有关，这种存储器称为顺序存储器。例如，磁带存储器就是顺序存储器。一般来说，顺序存储器的存取周期较长，磁盘存储器是半顺序存储器。
3. 按存储器的读写功能分类。有些半导体存储器存储的内容是固定不变的，即只能读出而不能写入，因此这种半导体存储器称为只读存储器（ROM）。既能读出又能写入的半导体存储器，称为随机存储器（RAM）。
4. 按信息的可保存性分类。断电后信息即消失的存储器，称为非永久记忆的存储器。断电后仍能保存信息的存储器，称为永久性记忆的存储器。磁性材料做成的存储器是永久性存储器，半导体读写存储器RAM是非永久性存储器。
5. 按串、并行存取方式分类。目前使用的半导体存储器大多为并行存取方式，但也有以串行存取方式工作的存储器，如电耦合器件（CCD）、串行移位寄存器和镍延迟线构成的存储器等。

为什么会出现这么多种类呢？这是价格和用户需求平衡的结果。
例如，大家知道程序最后运行必须要有随机可读写存储器来存储变量，且速度要快，这导致了RAM的产生，但是RAM价格昂贵，于是又导致了SDRAM的产生，SDRAM和RAM的区别就是它是靠电容的值来保存0,1信息，时间一长就会丢失数据，故需要周期性刷新，这个在SDRAM控制器芯片的控制下能很好解决，且不太影响性能，但是它的速度比RAM低一些，复杂一些，但是价格低很多，容量可以做到很大，故是一种很好的存储器，因此目前无论是嵌入式还是PC设备都广泛使用到了SDRAM。

虽然SDRAM解决了可读写和速度问题。但是它们都是非永久记忆的存储器，断电后信息即消失，明显不能满足用户永久保存代码和数据的需求，因为用户总不至于每次启动计算机都要下载一次程序吧，于是就产生了NAND Flash、硬盘等永久记忆的存储器（硬盘容量很大，但是很少用在嵌入式系统中）。
这些存储器是永久记忆的，且能做到很大容量，但是速度慢，不过某种程序上还是可以承受的，因为有办法可以解决这个问题。
在启动阶段，Boot的工作完成后，Loader程序将系统程序和用户程序从这些存储介质上复制到SDRAM中，这样程序真正运行时，代码和数据就是从SDRAM中读取的了，也就没有速度问题。

有了NANDFlash、硬盘等永久记忆的存储器还不够，因为它们是按块访问的，而不是按地址访问，这种块模式访问往往需要有硬件控制器，而硬件控制器又需要有程序来控制，那这个控制器的驱动从何而来？这就是鸡生蛋、蛋生鸡的问题，正因如此，又出现了一种存储器ROM，如NorFlash等只读存储器。

NORFlash这种存储器也是永久记忆的存储器，但它和NANDFlash等不一样，它是按地址随机访问的，也就是说不需要驱动，和SDRAM的访问方式一样，可以很简单地访问数据，这就解决了这个问题，但是这种按地址访问的永久记忆的存储器相比有点贵，做不到很大容量。其实也没有必要过多使用这种存储器，因为它是只读的，没法修改，不会过多使用，所以只要能够容纳BootLoader程序就可以了，其它的代码交给廉价的可读写的NANDFlash。

BootLoader所选用的存储器肯定得是按地址随机存取的永久性记忆的存储器，当然对于支持NANDFlash启动的SOC，这可以存储在NANDFlash。

刚才不是说NANDFlash、SDCARD都是需要控制器才能访问数据的，控制器又需要驱动程序，那如何做到从这些地方启动呢？
其实，解决方法和上面讨论的一样，就是必须有一个复制过程，该复制过程可以有三种方式，硬件方式、软件方式、内存映射。

1. 硬件方式。就是硬件实现对存储设备控制器的控制，读取指定大小的数据，它没法做的控制器的驱动程序那样，可以随机读取任意大小的数据，但是只要能够复制指定地址，指定大小的数据就已经够了，硬件可以看成是简化版的驱动。
2. 软件方式。这种方式就更简单了，芯片自带一个ROM，往往是片内ROM，里面装有驱动程序，这个驱动程序负责将BootLoader从NAND Flash等存储器复制到RAM中，然后跳转到BootLoader中运行。这样方式其实和我们把BootLoader存储在ROM中是一样的，只不过板子自带了一个BootLoader，实现小量数据复制。
3. 内存映射。当用户使用跳线选择启动方式后，硬件自动开启了内存映射，将其它地址映射到CPU启动地址。
   如ARM11的PB11MPCore，CPU的启动地址是0x0，如果配置为NOR Flash启动，则可将NORFlash的原本地址0x40000000_{0x43FFFFFF映射到0x0}0x3FFFFFFF，这样就相当于从NORFlash启动，这种方式是经常用的方式。
   由于NOR Flash原本内存空间映射到地址0x0了，导致地址0x0对应的内存没法使用，因此启动后需将映射取消，这就是取消地址映射。需要有按地址随机存储器的支持，即将存储启动代码的存储器的地址映射到启动地址。

RTOS映像文件的存储介质

RTOS这类操作系统一般比较小，存储介质选择余地有很多，可以放在ROM中，也可以放在NAND Flash中，无论放在哪里，只要BootLoader能找到RTOS映像文件，再将其复制到SDRAM就可以了。所以关键是看BootLoader是否强大，对于强大的BootLoader，其实RTOS都可以放在主机上，然后BootLoader可以通过网络将RTOS下载到SDRAM上，再从SDRAM上启动。

对于BootLoader和内核链在一起的RTOS，操作系统内核是跟BootLoader一起存储在一种存储介质中的。