bootloader（深入了解Bootloader）

深入了解Bootloader

引言

Bootloader是操作系统启动过程中的一个关键组件，通常位于存储介质的开头，其主要任务是初始化硬件设备、加载操作系统内核，使系统能够正常运转。本文将介绍Bootloader的定义、分类、功能和工作原理，帮助读者更好地了解Bootloader。

什么是Bootloader

Bootloader即启动加载程序，是一些特殊软件，用于为操作系统（OS）启动做准备。通常情况下，Bootloader程序是一个小型的自包含软件，它存在于计算机或移动设备的启动存储介质的最开始的几个扇区位置，如硬盘或闪存。主要功能是启动系统并加载操作系统内核，并且它通常担任操作系统与计算机或移动设备之间的桥梁。

Bootloader分类

Bootloader按照其运行环境可分为两类：硬件平台和firmware。

在硬件平台中，Bootloader运行在具体的系统硬件平台上。一些嵌入式系统未配备操作系统，我们可以采用基于裸机环境的bootloader来启动系统。而在PC机中，存在各种不同基于硬件平台，如x86、amd64、ARM等，每个基于不同平台的Bootloader都需针对相应架构进行设计和开发。

而firmware则是完成更多的任务，为设备启动提供了更全面的支持，例如初始化必要的硬件、读取flash块等。在此类平台上，Bootloader作用的重点在于复杂的设备检测和自我初始化，因为必须复杂地设置硬件及设备存储器，一旦初始化成功，Bootloader就能轻松启动特定的操作系统。

Bootloader功能

Bootloader执行的主要任务是装载操作系统。具体来说，Bootloader的主要任务如下所示：

•引导程序的硬件初始化：这包括所有计算机硬件的设备探测，如确定电池状态、检查内存大小、验证键盘和鼠标的状态等。

•回溯到适当的位置：新计算机发展得越来越快，为了保证不同时期的软件兼容，Bootloader必须能够执行某个旧代码段，这个旧代码段是不同固件版本共享的。

•提供执行位置：Bootloader应该准确地推断出内核在内存中的位置，通常内核在创建时会根据特定的格式指定内核起始位置和内核所占的大小，Bootloader需要将内核正确地加载到内存中。

•切换执行环境：有些Bootloader需要在进入保护模式之前调整内核的程序代码以适应运行环境。

Bootloader工作原理

Bootloader的工作原理主要分为四个阶段：

1.上电自检（Post）和加电复位（Power-OnReset，POR）

计算机加电后，Bootloader首先会执行上电自检并寻址CPU，BIOS确定引导存储器设备，并按一定优先级顺序寻找其中的启动区。

2.Bootloader检测

Bootloader程序的启动扇区确定后，计算机开始启动Bootloader，Bootloader程序会对计算机进行硬件设备探测，并使用相关的驱动程序进行初始化，将操作系统所需的驱动程序和数据加载到内存中，为操作系统的启动做准备。

3.操作系统装载

在Bootloader执行完成必要初始化后，它将装载内核。Bootloader会根据内核的大小确定所需的内存空间，然后将内核复制到该内存空间，在此过程中，Bootloader会通知内核自己所在的位置和内核所在的位置。在操作系统成功装载后，Bootloader会通过跳转指令跳转到内核代码的开始位置。

4.操作系统启动

内核开始运行后，操作系统启动，Bootloader被替换为内核的一个部分。内核将控制权交还给操作系统，并启动适当的进程，最终将控制权交给用户。

Bootloader作为操作系统启动过程中的一个重要组成部分，承担着很多任务，其中包括初始化硬件设备、加载内核文件等。在深刻理解如何构建和使用Bootloader的过程中，了解其分类、功能和工作原理是必要的，让我们的系统启动更加稳定、高效。