\input{confighandout}

\subsection{Der Linux-Boot-Prozess}

\subsubsection{Aufgaben des Bootloaders}

Hauptaufgabe des Bootloaders ist die rudiment"are Initialisierung der
Hardware, so dass mindestens das RAM benutzt werden kann. Dazu ist auf den
meisten Boards die Initialisierung eines (S)DRAM-Controllers erforderlich.

Soll das Board aus einem NAND-Flash booten k"onnen, so muss auch dessen
Controller initialisiert werden.

Viele Prozessoren beinhalten PLLs, die aus dem Prozessortakt andere Clocks
f"ur verschiedene Peripherie-Einheiten generieren. Auch diese m"ussen
initialisiert werden.

Anschlie\ss end m"ussen die Peripherie-Einheiten initialisiert werden, die
der Bootloader ben"otigt, um den Kernel laden zu k"onnen. F"ur TFTP-Boot w"are
dies beispielsweise der Netzwerk-Chip.

Meist ist es auch erw"unscht, dass der Bootloader eine serielle Schnittstelle
initialisiert. Dies erm"oglicht nicht nur hilfreiche Meldungen aus dem
Bootloader, es erm"oglicht auch dem Kernel bereits im fr"uhen Stadium des
Bootvorgangs die Ausgabe von Meldungen (und nicht erst nach dem Laden seines
UART-Treibers und der Konsole). Viele Bootloader bieten ausserdem eine Art
Monitorprogramm, mit dem man mit Hilfe eines Terminalprogramms interaktiv
Einstellungen "andern oder Speicher lesen und schreiben kann.

Nach erfolgreicher Initialisierung l"adt der Bootloader von der gew"ahlten
Quelle das komprimierte Kernel-Image ins RAM. Am Anfang eines komprimierten
zImage steht (nat"urlich unkomprimiert) der Dekompressor-Code. Der Bootloader
springt diese Adresse an und hat damit seine Arbeit beendet. Alles weitere
l"auft im Kernel ab.

\subsubsection{G"angige Bootloader}

Die Wahl des Bootloaders ist weitgehend eine Geschmacksfrage. Die
verbreiteten Bootloader U-Boot und Redboot bieten im Wesentlichen die gleiche
Funktionalit"at. Die Bedienung unterscheidet sich zwar deutlich, aber der
ohnehin n"otige Einarbeitungsaufwand d"urfte bei beiden etwa gleich sein.

Auch beim Kompilieren dieser Bootloader sind die Unterschiede nicht gross.
Beide zeichnen sich durch schwer durchschaubaren Sourcecode und ein
eigenwilliges Buildsystem aus.

Es gibt aber auch die M"oglichkeit, ganz auf einen derartigen Bootloader zu
verzichten. Statt dessen verwendet man einen minimalen \emph{Initial Program
Loader (IPL)}, der lediglich die rudiment"aren Initialisierungsaufgaben
erf"ullt und danach einen minimalen Bootkernel l"adt und ausf"uhrt. Dieser
l"adt wiederum den eigentlichen Produktiv-Kernel nach.

Vorteile der letztgenannten Vorgehensweise sind hohe Flexibilit"at und die
Tatsache, dass man im Bootkernel schon nach wenigen hundert Millisekunden
jeden gew"unschten Treiber zur Verf"ugung hat. Dadurch k"onnen in elegante
Weise Anforderungen wie das Anzeigen eines Bildes auf einem TFT (500
Millisekunden nach dem Einschalten) gel"ost werden. Wollte man dies mit
einem der oben erw"ahnten Bootloader erreichen, m"usste man zun"achst die
f"ur das TFT ben"otigten Treiber vom Kernel in den Bootloader portieren und
dort zum Laufen bringen. "Ahnliches gilt f"ur andere g"angige Forderungen,
wie das Booten von einem USB-Stick.

Es erscheint als "uberfl"ussige M"uhe, einen im Kernel bereits
funktionierenden Treiber in den Bootloader portieren zu m"ussen. Mit IPL und
Bootkernel sind ausserdem komplexe Aufgaben w"ahrend des Bootvorgangs,
beispielsweise automatisierte und sichere Firmware-Updates leicht
realisierbar.

\subsubsection{Bootprobleme: Im Bootloader}

W"ahrend der Entwicklungsphase sind Probleme im Bootloader besonders
unangenehm. Falls dieser bereits abst"urzt, ehe er die serielle Schnittstelle
initialisieren konnte, so sieht man schlichtweg gar nichts. Aber auch bei
sp"ateren Fehlern ist der Entwicklungszyklus m"uhsam, da man den Bootloader
meist erst mit einem JTAG-Adapter oder "ahnlichen Werkzeugen ins Flash des
Boards bef"ordern muss, bevor man den n"achsten Versuch machen kann. Bei
"Anderungen am Bootloader-Code ist daher gro\ss e Sorgfalt geboten. Wenn m"oglich,
sollte man zu zweit an solchem Code arbeiten und sich st"andig gegenseitig
kontrollieren.

H"aufige Problemquellen im Bootloader sind beispielsweise:

\begin{itemize} 
\item Der Bootloader wurde nicht korrekt ins Flash geschrieben. In einem Fall
	passierte dies beispielsweise, wenn der Compiler ein Binary mit
	ungerader L"ange erzeugte. Aber auch falsche Konfiguration des JTAGer
	kann zu solchen Problemen f"uhren.
\item Im Bootloader wurden die Timings f"ur Bus-Schnittstellen wie RAM oder
	Flash nicht korrekt eingestellt. Gerade wenn die Timings nicht ganz
	falsch, sondern nur grenzwertig sind, kann es zu schwer
	reproduzierbaren Bootproblemen kommen.
\item Die Ladeadresse f"ur den Kernel ist nicht korrekt. Bei manchen
	Bootloadern kann es leicht zu Verwechslungen zwischen physikalischen
	und virtuellen Adressen kommen. Weder U-Boot noch Redboot melden
	einen Fehler, wenn man den Kernel an eine Adresse l"adt, an der
	sich "uberhaupt kein RAM befindet...
\item Beim Laden des Kernels per TFTP kann es zus"atzlich weitere Probleme
	geben, die mit dem Netzwerk zusammenh"angen. Diese reichen von falsch
	aufgesetzten TFTP-Servern "uber falsch konfigurierte DHCP-Server oder
	falschen IP-Adressen bis hin zu Treiber- oder Hardware-Problemen.
\end{itemize} 

\subsubsection{Bootprobleme: Im Kernel}

Bootprobleme im Kernel sind vergleichsweise einfach zu finden, sobald man
eine Konsole auf der seriellen Schnittstelle hat. Der Kernel gibt meist recht
aussagekr"aftige Fehlermeldungen und bietet viele zus"atzliche Debug-Funktionen,
die man in der Kernel-Konfiguration aktivieren kann. Falls sich der Kernel
bereits fr"uher aufh"angt, so dass man nach der Meldung

\cmd{Uncompressing Linux.....}

"uberhaupt nichts mehr sieht, dann wird es schwieriger. Man sollte zun"achst
"uberpr"ufen, ob die im Bootloader vorgegebene Commandline f"ur den Kernel
korrekt ist, insbesondere die Einstellung der f"ur die Konsole verwendeten
seriellen Schnittstelle (\cmd{console=tty...}).

Ein weiteres g"angiges Problem ist, dass der Kernel am Ende des Bootvorgangs
kein Root-Filesystem mounten kann. Dies kann daran liegen, dass man bei der
Kernelkonfiguration vergessen hat, dass \emph{alle} f"ur das Rootfs n"otigen
Hardware- und Dateisystem-Treiber in den Kernel einkompiliert sein m"ussen
und nicht etwa als Module gebaut wurden. Bei Medien, die erst detektiert
werden m"ussen (z.B. SD-Karten) kann es passieren, dass das Medium noch nicht
bereit ist, wenn der Kernel es mounten will. In diesem Fall hilft der
Parameter \cmd{rootwait}.

Falls der Kernel zwar das Rootfs mounten kann, aber danach mit einer
Fehlermeldung h"angen bleibt, anstatt \cmd{/sbin/init} zu starten, dann
liegt dies oft an fehlenden Device-Nodes im Verzeichnis \cmd{/dev}.
"Uberpr"ufen Sie dies.

\subsubsection{Bootprobleme: In den Startskripten}

Wenn der Kernel erfolgreich das Rootfs mounten und \cmd{/sbin/init} starten
konnte, wird letzteres versuchen, die in \cmd{/etc/inittab} angegebenen
Anweisungen auszuf"uhren. Dies ist normalerweise zun"achst der Aufruf eines
Startskripts, das in der Regel weitere Skripte und Programme aufruft. Je
nach Art der aufgerufenen Programme kann es hier zu weiteren Problemen
kommen. Dazu geh"oren etwa fehlerhafte Konfigurationsdateien, fehlende
Device-Nodes oder "Ahnliches.  

Ausserdem kommt es bei Startskripten vor, dass diese nicht auf jede Situation
sauber und fehlertolerant reagieren. Man sollte vermeiden, dass sich das
Skript zur Konfiguration des Netzwerks aufh"angt, wenn kein DHCP-Server
gefunden wurde oder kein Netzwerkkabel eingesteckt ist. Des weiteren sollte
das Skript selber erkennen, wenn "uber die Netzwerkschnittstelle das Rootfs
per NFS gemountet wurde, und dann eine Neukonfiguration tunlichst unterlassen.

\input{tailhandout}
