U-boot(1) : Booting & Boot Loader

황승우·2023년 5월 1일

컴퓨터구조

컴퓨터 부팅 과정

부팅이란 ⇒ 컴퓨터에 전원을 켰을 때 운영체제를 메모리에 올리는 과정

레지스터 = CPU 내에서 데이터를 기억하는 메모리 장치 / 처리할 명령어나 연산에 사용할 값이나 연산 결과를 일시적으로 기억하는 장치
PC = 다음 번에 실행할 명령어 주소를 기억하는 레지스터

컴퓨터에 전원이 들어오면 ROM이 동작을 시작한다.

ROM에 저장된 BIOS(Basic Input/Output System) 시동 프로그램이 컴퓨터에 연결된 각종 하드웨어를 점검한다.
이를 POST(Power-on Self-test) 라고 한다.

POST 점검에 이상이 없으면, 하드디스크의 마스터 부트 레코드(MBR)에 저장된 부트스트랩 로더(부트로더)를 메모리에 로딩한다.

MBR은 운영체제가 어디에 저장되어있는지를 나타내며, 하드디스크의 첫번째 섹터에 위치하고 있다.
BIOS가 연결된 저장매체를 설정된 부팅 순서대로 돌면서 MBR에 저장된 부트로더를 탐색한다
부트로더 탐색에 성공하면 BIOS는 부트로더 프로그램을 메모리에(0x00007c00) 올린다.
- IBM 사가 메모리의 0x00007c00 ~ 0x00007dff 번지(크기 512바이트) 를 부트 섹터가 읽혀지는 어드레스로 지정했기 때문
- 메모리에 올리는 이유?
  - 프로그램 실행 과정에 대한 이해가 필요.
  - 프로그램의 실행 단계
    1. 실행 파일의 생성
      - 링커 : 실행 가능한 로드 모듈을 만드는 시스템 소프트웨어
    2. 프로그램 실행 과정

메모리에 올라온 부트로더가 운영체제 프로세스를 실행한다.

메모리에 올라온 1차 부트로더(MBR)가 2차 부트로더(BOOTMGR)을 메모리에 올려 운영체제를 실행시킨다
1차, 2차 부트로더가 나뉘어져 있는 이유는 용량 때문
- MBR/VBR의 최대 용량은 512바이트 뿐이므로 도스 같은 운영체제 정도에는 적합했지만 윈도우 같은 복잡한 운영체제의 커널을 로드 할 준비를 하기에는 부족
- 2차 부트로더를 1차 부트로더를 통해 커널을 로드하듯이 로드한 뒤, 2차 부트로더를 통해 커널을 로드하는 방식

부트로더란?

운영체제(이하 OS)가 시동되기 이전에 미리 실행되면서 커널이 올바르게 시동되기 위해 필요한 모든 관련 작업을 마무리하고 최종적으로 운영 체제를 시동시키기 위한 목적을 가진 프로그램
커널을 시동하기 위한 관련 작업들이란?
- 메모리 초기화
- 하드웨어 초기화
  - 직렬포트의 초기화
  - 네트워크초기화
  - 프로세서 속도, 인터럽트의 초기화
- 커널과 램 디스크 적재: 커널과 램 디스크를 램에 적재하여 실행
- 사용자 인터페이스 기능
커널

커널이란?
- 컴퓨터 자원을 관리하는 운영체제의 핵심 부분
- 인터페이스로써 응용 프로그램 수행에 필요한 여러가지 서비스를 제공하고, 여러가지 하드웨어(CPU, 메모리) 등의 리소스를 관리하는 역할

부트 로더 위치

저장 매체의 가장 앞 부분에 존재
하드디스크의 첫 번째 부팅 섹터(부트 섹터)인 MBR(Master Boot Record)에 위치하고 있어, 시스템 부팅 시 MBR에 있는 부트로더를 읽어 들여 운영체제가 부팅이 가능하게 만든다.
부트 섹터 = 디스크의 다른 부분에 저장되는 부팅 프로그램을 담을 수 있는 하드 디스크, 플로피 디스크, 또는 비슷한 기억 장치의 첫 섹터
- 부트 섹터의 마지막 2바이트에는 "0x55AA"라는 값이 있어야 한다.
- 이 값은 '이 디스크에 부트에 필요한 프로그램이 있다'는 것을 의미
- "0x55AA"가 확인되지 않으면 부팅 할 수 없다는 에러가 발생
- "0x55AA"가 확인된 후에는, 이 섹터의 선두부터 프로그램이 써 있을 것이라 판단하여 해당 위치부터 프로그래 실행

부트로더 파일 구성

소스파일
- 1개의 어셈블리 소스파일과 여러개의 C소스파일
- makefile : make에서 사용하는 컴파일 스크립트파일
- start.S : 부트로더 초기 코드로 어셈블리 코드, CPU, 메모리, gpio 초기화, 플래시 메모리를 DRAM 영역으로 복사
- main.c 부트로더 메인 소스코드
- commands.c : 명령어처리코드 포함
- lib.c : 부트로더에서 사용하는 라이브러리 포함
- 타겟 보드에 설정된 디바이스에 대한 처리프로그램 : flash.c, serial.c, time.c, net.c, bootp.c, tftp.c
헤더 파일
- 각 소스파일에서 사용하는 변수나 매크로들을 정의한 파일
- ld-xsacle : 링커 스크립트 파일(컴파일된 프로그램의 링크 방법)
- config.h : 부트로더 환경설정파일
부트로더 환경설정 파일
- config.h 매크로 형태로 정의된 변수
- 시리얼 포트 전성속도
- 자동부팅 지연시간
- 메모리 맵 : 부트로더, 커널, 램디스크 등 소프트웨어 컴포넌트를 플래시 메모리나 DRAM 어디에 저장할지 설정
  - 매크로 선언 값을 수정하여 메모리 저장위치를 변경할수있음.
- 프로세서가 메모리 컨트롤러 내장한 경우
  - 메모리 액세스 타이밍정보, 파라미터들이 메모리 제어 레지스터에 정확하게 설정되어야 함

부트로더 종류

LILO (Linux lOder)
- GNU 프로젝트의 부트로더
- 대부분의 OS 커널을 불러올 수 있으며, 인자를 넘겨 주는 것도 가능
GRUB (GNU GRUB)
- GNU 프로젝트의 부트로더
- 현재 대부분의 배포판에서 부트로더로 사용되고 있다.
- 부팅과정
  - 바이오스가 부팅장치를 찾고 MBR을 읽어 온다.
  - MBR에 GRUB 스테이지 1이 있으며, 이는 스테이지 2를 불러 온다.
  - GRUB 스테이지 2는 부트 메뉴나 명령 프롬프트를 보여준다.
  - 기본값 커널이나 사용자가 선택한 커널을 로드한다.
BLOB (Boot Loader OBject)
- 임베디드 리눅스 상에서 LILO와 같이 선택 부팅이 가능하도록 기능을 제공
- 일반 부트로더가 MBR에서 동작하며 운영체제를 실행할 수 있는 기능을 수행한다면 BLOB는 플래시 메모리 0블록 위치에서 작동
U-BOOT
- Universal Bootloader의 약자로 PPC와 ARM에 기반을 둔 임베디드용 부트로더
- PPC, ARM, MIPS, SH, x86 등 다양한 CPU를 지원하며, 오픈 소스
- 실행 흐름
  - 어셈블리어로 되어 있는 StartUp 코드를 실행
  - SDRAM으로 Relocation, start_armboot()를 호출.(cpu/pxa/start.S)
  - C 코드로 되어 있는 start_armboot()를 실행 ⇒ Flash 메모리, 네트워크, Console을 초기화 (lib_arm/board.c)
  - main_loop() 명령어를 처리(common/main.c)
  - Linux_Booting 리눅스 부팅을 한다. (커널의 헤더를 읽어 압축을 풀고 리눅스로 제어권을 넘김)(lib_arm/armlinux.c)
ARMBOOT
- StrongARM을 위한 공개 소스 펌웨어로 현존하는 부트로더 중 RedBoot의 뒤를 이어 가장 강력한 기능을 제공
- 다중형 Flash 메모리 지원, bootp/dhcp/tftp를 사용한 부트, PCMCIA CF 부트 등을 지원
RedBoot
- RedHat에서 개발한 임베디드 운영체제인 eCOS 일부를 사용해 만든 프로그램
- RedBoot는 eCOS 하드웨어 추상화 계층 위에서 동작