【转】U-BOOT的启动流程及移植

1 Bootloader及u-boot简介

　　Bootloader代码是芯片复位后进入操作系统之前执行的一段代码，主要用于完成由硬件启动到操作系统启动的过渡，从而为操作系统提供基本的运行环境，如初始化CPU、堆栈、存储器系统等。Bootloader 代码与CPU芯片的内核结构、具体型号、应用系统的配置及使用的操作系统等因素有关，其功能类似于PC机的BIOS程序。由于bootloader和CPU及电路板的配置情况有关，因此不可能有通用的bootloader，开发时需要用户根据具体情况进行移植。嵌入式Linux系统中常用的bootloader有armboot、redboot、blob、u-boot等，其中u-boot是当前比较流行、功能比较强大的bootloader，可以支持多种体系结构，但相对也比较复杂。bootloader的实现依赖于CPU的体系结构，大多数bootloader都分为stage 1和stage 2两大部分。Bootloader的基本原理见参考文献。

　　u-boot是sourceforge网站上的一个开放源代码的项目。它可对PowerPC(MPC5xx、MPC8xx、MPC82xx、MPC7xx、MPC74xx) 、ARM(ARM7、ARM9、StrongARM、Xscale) 、MIPS(4kc、5kc) 、X86等处理器提供支持，支持的嵌入式操作系统有Linux、Vx-Works、NetBSD、QNX、RTEMS、ARTOS、LynxOS等，主要用来开发嵌入式系统初始化代码bootloader。软件的主站点是http://sourceforge.net/projects/u-boot。u-boot最初是由denx(www.denx.de) 的PPC-boot发展而来的，它对PowerPC系列处理器的支持最完善，对Linux操作系统的支持最好。源代码开放的u-boot软件项目经常更新，是学习硬件底层代码开发的很好样例。

　　2 u-boot系统启动流程

　　大多数bootloader都分为stage1和stage2两大部分，u-boot也不例外。依赖于CPU体系结构的代码(如设备初始化代码等) 通常都放在stage1，且可以用汇编语言来实现，而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且有更好的可读性和移植性。

　　2.1 stage1 (start.s代码结构)

　　u-boot的stage1代码通常放在start.s文件中，它用汇编语言写成，其主要代码部分如下:

　　(1) 定义入口由于一个可执行的Image必须有一个入口点，并且只能有一个全局入口，通常这个入口放在ROM(Flash) 的0x0地址，因此，必须通知编译器以使其知道这个入口，该工作可通过修改连接器脚本来完成。
　　(2) 设置异常向量(Exception Vector) 。
　　(3) 设置CPU的速度、时钟频率及中断控制寄存器。
　　(4) 初始化内存控制器
　　(5) 将ROM中的程序复制到RAM中。
　　(6) 初始化堆栈
　　(7) 转到RAM中执行，该工作可使用指令ldr pc来完成。

　　2.2 stage2 C语言代码部分

　　lib_arm/board.c中的start_armboot是C语言开始的函数，也是整个启动代码中C语言的主函数，同时还是整个u-boot(armboot) 的主函数，该函数主要完成如下操作:

　　(1) 调用一系列的初始化函数。
　　(2) 初始化Flash设备。
　　(3) 初始化系统内存分配函数。
　　(4) 如果目标系统拥有NAND设备，则初始化NAND设备。
　　(5) 如果目标系统有显示设备，则初始化该类设备。
　　(6) 初始化相关网络设备，填写IP、MAC地址等。
　　(7) 进入命令循环(即整个boot的工作循环) ，接受用户从串口输入的命令，然后进行相应的工作。

3 移植实例

　　本系统开发板主要由S3C44B0X嵌入式微处理器、2MB的Flash (SST39VF160) 、8MB的SDRAM(HY57V641620) 、4个LED以及ARM JTAG接口组成。该开发板上与S3C44B0X相关部分的功能框图如图1所示。

　　3.1 u-boot文件下载

　　u-boot文件的下载有两种方法，第一种是在Linux环境下通过CVS下载最新的文件，方法是:

$ cvs -d :pserver:anonymous@cvs.sourceforge.net:/cvsroot/u-boot login

　　当要求输入匿名登录的密码时，可直接按回车键

$ cvs -z6 -d :pserver:anonymous@cvs.sourceforge.net:/cvsroot/u-boot co -P modulename

　　第二种是通过ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/下载正式发布的压缩文件。

　　3.2 u-boot文件的结构

　　初次下载的文件有很多，解压后存放在u-boot文件目录下，具体内容已在readme文件中做了详细的介绍，其中与移植相关的主要文件夹有:

　　(1) cpu/ 它的每个子文件夹里都有如下文件:

makefile
config.mk
cpu.c 和处理器相关的代码
interrupts.c 中断处理代码
serial.c 串口初始化代码
start.s 全局开始启动代码

　　(2) board/ 它的每个子文件夹里都有如下文件:

makefile
config.mk
smdk2410.c 和板子相关的代码(以smdk2410为例)
flash.c Flash操作代码
memsetup.s 初始化SDRAM代码
u-boot.lds 对应的连接文件

　　(3) lib_arm/ 体系结构下的相关实现代码，比如memcpy等的汇编语言的优化实现。

　　3.3 交叉编译环境的建立

　　要得到下载到目标板的u-boot二进制启动代码，还需要对下载的u-boot1.1.1进行编译。u-boot的编译一般在Linux系统下进行，可用arm-linux-gcc进行编译。一步一步建立交叉编译环境通常比较复杂，最简单的方法是使用别人编译好的交叉编译工具，方法如下:

　　(1) 在http://handhelds.org/download/toolchain下载arm-linux-gcc-3.3.2.tar.bz2

　　(2) 以用户名root登录，将arm-linux-gcc-3.3.2.tar.bz2 解压到 /root目录下

# tar jxvf arm-linux-gcc-3.3.2.tar.bz2

　　(3) 在http://handhelds.org/download/toolchain下载arm-linux-toolchain-post-2.2.13.tar.gz，只是用了它的头文件而已，主要来自内核/linux-x.x/include下

　　(4) 将arm-linux-toolchain-post-2.2. 13.tar.gz 解压到/skiff/local/ 下

# tar zxvf arm-linux-toolchain-post-2.2.13.tar.gz

　(5) 拷贝头文件到/root/usr/3.3.2/arm-linux/ 下，然后删除/skiff

# cp -dR /skiff/local/arm-linux/include /root/usr/3.3.2/arm-linux
# rm -fr /skiff

　　这样就建立了armlinux 交叉编译环境。

　　(6) 增加/root/usr/local/arm/3.3.2/bin到路径环境变量

# export PATH=$PATH:/root/usr/local/arm/3.3.2/bin

　　可以检查路径变量是否设置正确。

# echo $PATH

　　3.4 移植的预先编译

　　移植u-boot到新的开发板上仅需要修改与硬件相关的部分即可。主要包括两个层面的移植，第一层是针对CPU的移植，第二层是针对board的移植。由于u-boot1.1.1里面已经包含S3C44B0的移植，所以笔者对板子myboard的移植主要是针对board的移植。移植之前需要仔细阅读u-boot目录下的README文件，其中对如何移植做了简要的介绍。为了减少移植的工作量，可以在include/config目录下选一个和要移植的硬件相似的开发板，笔者选的是b2开发板。具体步骤如下:

　　(1) u-boot 1.1.1 下的cpu文件夹里已经包括了s3c44b0的目录，其下已经有start.s、interrupts.c以及cpu.c、serial.c几个文件，因而不需要建立与cpu相关的目录。

　　(2) 在board目录下创建myboard目录以及my-board.c、flash.c、memsetup.s和u-boot.lds等文件。不需要从零开始创建，只需选择一个相似的目录直接复制过来，然后修改文件名及内容即可。笔者在移植u-boot过程中选择的是u-boot1.1.1/board/dave/B2目录。

　　(3) 在include/configs目录下添加myboard.h，在这里可放入全局的宏定义等，也不需要从头创建，可以在include/configs目录下寻找相似的CPU的头文件进行复制，这里笔者用的是B2.h文件来进行相关的修改。

　　(4) 对u-boot根目录下的Makefile文件进行修改，加入

myboard_config: unconfig
        @$(MKCONFIG) $(@:_config=) arm s3c44b0 myboard

　　(5) 修改u-boot根目录下的Makefile文件，加入对板子的申明。然后在Makefile中加入myboard

LIST_ ARM7 = "B2  ep7312  impa7  myboard"

　　(6) 运行make clobber，删除错误的depend文件。

　　(7) 运行make myboard config。

　　(8) 执行到此处即表示整个软件的makefile已建立，这时可修改生成的makefile中的交叉编译选项，然后打开makefile 文件，并找到其中的语句:

ifeq($(ARCH) , arm) 
  CROSS_COMPILE=arm-linux-
end if

　　接着将其改成

ifeq($(ARCH) ,arm) 
  CROSS COMPILE=/root/usr/local/3.3.2/bin/arm-linux-
end if

　　这一步和上面的设置环境变量只要有一个就可以了。

　　执行make，报告有一个错误，修改myboard/flash.c中的#include "../common/flash.c"为"u-boot/board/dave/common/flash.c"，重新编译即可通过。

4 移植时的具体修改要点

　　若预先编译没有错误就可以开始硬件相关代码的移植，首先必须要对移植的硬件有清楚地了解，如CPU、CPU的控制寄存器及启动各阶段程序在Flash SDRAM中的布局等。

　　笔者在移植过程中先修改/include/config/my-board.h头文件中的大部分参数(大部分的宏定义都在这里设置) ，然后按照u-boot的启动流程逐步修改。修改时应熟悉ARM汇编语言和C语言，同时也应对u-boot启动流程代码有深入的了解。B2板的CPU频率为75MHz、Flash为4Mbit、SDRAM为16Mbit、串口波特率为115200bit/s、环境变量放在EEPROM中。根据两个开发板的不同，需要修改的有:CPU的频率、Flash和SDRAM容量的大小、环境变量的位置等。由于参考板已经有了大部分的代码，因此只需要针对myboard进行相应的修改就可以了。与之相关的文件有/include/config/myboard.h(大部分的宏定义都在这里设置) 、/board/myboard/flash.c Flash的驱动序、/board/myboard/myboard.c(SDRAM的驱动程序) 、/cpu/s3c44b0/serial.c(串口的驱动使能部分) 等。

　　/include/config/myboard.h是全局宏定义的地方，主要的修改有:

　　将#define CONFIG_S3C44B0_CLOCK_SPEED 75改为

　　#define CONFIG_S3C44B0_CLOCK_SPEED 64

　　将 #define PHYS_SDRAM_1_SIZE 0x01000000 /* 16 MB */ 改为

　　#define PHYS_SDRAM_1_SIZE 0x00800000 /* 8 MB */;

　　将 #define PHYS_FLASH_SIZE 0x00400000 /* 4 MB*改为

　　#define PHYS_FLASH_SIZE 0x00200000 /* 2 MB */;

　　将 #define CFG_MAX_FLASH_SECT 256 /* max number of sectors on one chip */改为

　　#define CFG_MAX_FLASH_SECT 35 ;

　　将 #define CFG_ENV_IS_IN_EEPROM 1 /* use EEPROM for environment vars*/改为

　　#defineCFG_ENV_IS_IN_FLASH 1

　　其它(如堆栈的大小等) 可根据需要修改。

　　由于Flash、SDRAM的容量会发生变化，故应对启动阶段程序在Flash、SDRAM中的位置重新作出安排。笔者将Flash中的u-boot代码放在0x0开始的地方，而将复制到SDRAM中的u-boot代码安排在0xc700000开始的地方。

　　Flash的修改不仅和容量有关，还和具体型号有关，Flash存储器的烧写和擦除一般不具有通用性，应查看厂家的使用说明书，针对不同型号的存储器作出相应的修改。修改过程中，需要了解Flash擦写特定寄存器的写入地址、数据命令以及扇区的大小和位置，以便进行正确的设置。

　　SDRAM要修改的地方主要是初始化内存控制器部分，由start.s文件中的 cpuinit crit完成CPU cache的设置，并由board/myboard/memsetup.s中的memsetup完成初始化SDRAM。S3C44B0提供有SDRAM控制器，与一些CPU需要UPM表编程相比，它只需进行相关寄存器的设置修改即可，因而降低了开发的难度。

　　串口波特率不需要修改(都是115200bit/s) ，直接用B2板的串口驱动即可。串口的设置主要包括初始化串口部分，值得注意的是:串口的波特率与时钟MCLK有很大关系，详见CPU用户手册。

　　配置好以后，便可以重新编译u-boot代码。将得到的u-boot.bin通过JTAG口下载到目标板后，如果能从串口输出正确的启动信息，就表明移植基本成功。实际过程中会由于考虑不周而需要多次修改。移植成功后，也可以添加一些其它功能(如LCD驱动等) ，在此基础上添加功能相对比较容易。

　　5 结束语

　　u-boot是一个功能强大的bootloader开发软件，适用的CPU平台及支持的嵌入式操作系统很多。本文是笔者在实际开发过程中根据相关资料进行摸索，并在成功移植了u-boot的基础上总结出来的。对于不同的CPU和开发板，其基本的方法和步骤是相同的，希望能对相关嵌入式系统的设计人员有所帮助。