内容总结自B站Up【蛋饼嵌入式】我提着鞋带拎自己？嵌入式芯片启动过程全解析，彻底理解bootloader

当你按下电源开关的那一瞬间，第一行代码如何在芯片上运行起来的呢？嵌入式软件代码需要一定的方式烧录到芯片中才能运行，除了物理刻蚀，无论是通讯端口的传输或者调试端口的烧录，都需要驱动程序的支持。所以说是程序烧录了程序，软件启动了软件。

这就像自己提着自己的鞋带，把自己拎起来。靴子（Boot）,鞋带（Strap），提鞋带（Loader）。这就是Boot Strap Loader的命名来源。通常称BootLoader，中文翻译为自举。

BootLoader是芯片最初运行的代码吗？当然不是，其实每一块芯片在出厂时都在其内部的ROM中，烧录了它最基础的软件。CPU搬运并运行的第一条代码的默认位置，就在ROM的地址空间。所以一切的起始都在硬件上。

以X86架构的鼻祖8086芯片为例，按下开关的一瞬间，芯片Reset引脚接收到了电平跳变，在一连串电路的作用下，代码段寄存器CS恢复成0XFFFF，指令指针寄存器IP恢复成0X0000，他们组合成20位的地址正好等于ROM中存放第一条代码的位置。 之后取出这里的指令在跳转到别处。

ARM架构的芯片也是类似的过程，对于32位的芯片，通电后，PC指针寄存器复位至零地址，随后从中断向量表表头的reset向量处获取下一个跳转的地址。这时候的代码已经以二进制形式存储，处理器可以直接搬到自身缓存中运行。有了这部分代码，就能跳转到存放有更多更复杂的代码的地址。执行硬件自检，基本的初始化操作，提供基础的输入输出支持。之后可以将操作系统从外部的存储空间加载到内部。代码就这样接力式的流转起来。

所以我们把出厂就写在ROM里，负责启动后续用户软件的软件，称为Boot ROM或者ROM Code。现在不一定是用只读存储器（Read Only Memory），但是至少是一块掉电不易失的存储器，现在主要用EEPROM，NOR Flash。我们一般没有权限修改它，但是它也不完全是黑盒，大部分芯片都会有外部启动配置引脚，通常是以拨码快关的形式。对于PC机来说，Boot ROM就是我们常说的BIOS，它也有启动配置途径。而且提供了交互界面，用于配置部分功能和选择后续的引导设备。

除了芯片自带的Boot ROM，还需要再给自己实际的应用程序，写一个二次引导代码或者N次引导代码，用作操作系统，文件系统加载等等。我们所说的Bootloader时，其实大多数就是这样的二次引导代码。

这些事其实Boot ROM它也能做，但是Boot ROM实现的功能和配置方法不灵活，但是Bootloader是开发人员可以而完全控制的引导代码。

在设计Bootloader时，MCU的引导步骤就开始和嵌入式Linux或者PC有所不同。这一定程度与芯片架构所采用的的存储方案有关。

先来说MCU，与SOC相比MCU的主要特征是单核和或多核同构的微处理器，单核或多核同构，主频 < 1GHz，没有MMU内存管理单元，只能运行实时操作系统。常见MCU内核：

程序的主要运行介质为NOR Flash，因为和RAM一样有分离的地址线和数据线。并且可以以字节长度精确寻址，所以程序不需要拷贝到RAM中运行的。

以英飞凌家的TC27x系列MCU为例，上电后的默认取址位置是0x8FFF 8000，这就是他的Boot ROM在NorFlash中的地址。并且这块Boot Rom分为SSW，BSL，TF。

SSW每次上电必须运行，他会根据写在program flash，PFO地址的前32byte中的配置字，来决定SSW执行完的跳转地址。我们可以选择一个合适的跳转地址，比如0x80000020，放上自己写的Bootloader。也可以选择不跳转，运行厂家提供的Bootloader（BSL）。

MCU下的Bootloader主要完成的事情有以下：

• 关闭看门狗,初始化中断和trap向量表,进行时钟和外设初始化,让芯片正常运行起来。
• 提供CAN, UART, ETH等用于通讯功能的驱动,能够接收外部数据传输请求。
• 提供FLASH的读写与擦除驱动,设计服务来对通讯端口接收到的更新代码进行校验、存储,以及跳转操作系统或后续应用程序代码。
• 如有必要,还会开发一些基础诊断服务,串口交互程序等等。

那么运行Linux的SOC和PC的这一过程有何不同呢。还是先看存储方案，运行嵌入式Linux的SOC。一般将它的操作系统，文件系统和他的应用程序放在nand flash中。运行代码前，现将代码搬运到SRAM中，相比MCU多了一道步骤。

对于SOC的Boot ROM 和PC的BIOS而言，他们结束运行前的最终任务，是将某些代码从nand flash搬运到SRAM中，其中最重要的内容就是Boot Loader。

而一般SOC的Bootloader，又分为SPL（Secondary Program Loader）和uBOOT两个阶段。SPL的Secondary就是相对于BootROM而言，他就像是接力赛中的第二棒选手。SPL会初始化更大空间的外部DRAM，再把uBoot搬运到外部DRAM中去运行。uBoot作为第三棒选手，开始运行它的初始化程序。之后再根据系统环境变量，将OS内核搬运到外部DRAM中去运行。OS再完成根文件系统的加载等等等等。