基于S3C44B0X的U-Boot分析與移植

1.引言

嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲器及外設(shè)器件和I/O端口等。軟件部分包括Bootloader、操作系統(tǒng)（OS）和應(yīng)用程序。嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計、量體裁衣、去除冗余，這樣才能在具體應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的處理性能。其中，Bootloader是基于特定硬件平臺來實(shí)現(xiàn)的，負(fù)責(zé)硬件的初始化、嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)加載等工作，是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中的一個重要環(huán)節(jié)。嵌入式開發(fā)的硬件平臺是根據(jù)應(yīng)用需要定制的，因此不存在一個通用的Bootloader。U-Boot是一個支持多種CPU體系結(jié)構(gòu)的 Bootloader。本文就是針對在自制開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)U-Boot的移植。

2.U-Boot概述

Bootloader是一種引導(dǎo)加載程序。它是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段代碼。從功能上說，Bootloader就是操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前用來初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖的程序。它將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境設(shè)定在一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核，運(yùn)行用戶應(yīng)用程序準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。圖 1是Flash上同時裝有Bootloader、內(nèi)核啟動參數(shù)、內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像的典型空間分配結(jié)構(gòu)示意圖。Bootloader啟動后，初始化硬件設(shè)備，并將嵌入式Linux內(nèi)核和根文件系統(tǒng)映像分別加載到內(nèi)核中的正確地址，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的起始地址啟動內(nèi)核。

大多數(shù) Boot Loader 都包含兩種不同的操作模式：啟動加載模式和下載模式[1]。

啟動加載（Boot loading）模式：這種模式也稱為“自主”（Autonomous）模式。也即 Boot-

loader從目標(biāo)機(jī)上的某個固態(tài)存儲設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到 RAM 中運(yùn)行，整個過程并沒有用戶的介入。

下載（Downloading）模式：在這種模式下，目標(biāo)機(jī)上的Bootloader將通過串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機(jī)（HOST）下載文件。從主機(jī)下載的文件通常首先被 Bootloader 保存到目標(biāo)機(jī)的 RAM 中，然后再被 Bootloader 寫到目標(biāo)機(jī)上的FLASH 類固態(tài)存儲設(shè)備中。Bootloader 的這種模式通常在第一次安裝內(nèi)核與根文件系統(tǒng)時被使用；此外，以后的系統(tǒng)更新也會使用 Bootloader 的這種工作模式。

U-Boot作為一種可以支持多種體系結(jié)構(gòu)CPU的Bootloader，同時支持上述兩種工作模式，而且允許用戶在這兩種工作模式之間進(jìn)行切換。它是由德國工程師Wolfgang Denk 從8XXROM 代碼發(fā)展起來，遵循GPL條款的開放源碼項(xiàng)目，支持多種處理器，如ARM，PowerPC，MIPS和x86等。

3.U-Boot的啟動流程

由于Bootloader的實(shí)現(xiàn)依賴于 CPU 的體系結(jié)構(gòu)，因此大多數(shù)Bootloader都分為 stage1和stage2 兩大部分。依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼，比如設(shè)備初始化代碼等，通常都放在 stage1中，而且通常都用匯編語言來實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到短小精悍的目的。而 stage2 則通常用C語言來實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，而且代碼會具有更好的可讀性和可移植性。U-Boot也是如此。

3.1 stage1

此階段相應(yīng)的代碼在cpu/s3c44b0/start .s下。主要功能是完成硬件的初始化，主要包括屏蔽所有中斷，設(shè)置CPU的速度和時鐘頻率，RAM初始化，為加載stage 2準(zhǔn)備RAM空間，拷貝stage2到RAM中，設(shè)置堆棧指針SP，跳轉(zhuǎn)到stage2的C程序入口點(diǎn)。其工作流程如圖2所示：

3.2 stage2

 stage2完成的功能是：初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備，檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射，將kernel映像和根文件系統(tǒng)映像從FLASH上讀到RAM空間中，為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)，調(diào)用內(nèi)核。

4.移植過程

本系統(tǒng)開發(fā)板主要由S3C44B0X嵌入式微處理器、2MB的FLASH (HY29LV160)、8MB的SDRA M(HY57V641620)、2路串口、RTL8019網(wǎng)卡芯片以及ARM JTAG接口組成。系統(tǒng)的工作主頻是66MHz。該開發(fā)板上與S3C44B0X相關(guān)部分的功能框圖如圖3所示。

4.1建立交叉編譯移植開發(fā)環(huán)境。

若能編譯生成在ARM板上可運(yùn)行的二進(jìn)制代碼，首先建立編譯工具鏈[2]。所用主機(jī)（HOST）安裝的Linux操作系統(tǒng)版本是Fedora Core 6。

(1)從http://www.handhelds.org/download/projects/toolchain/下載最新編譯工具arm-linux-gcc-3.4.1.tar.bz2。

（2）在下載的當(dāng)前目錄下進(jìn)行解壓：# tar –jxvf arm-linux-gcc-3.4.1.tar.bz2。

（3）將解壓文件目錄下面的arm目錄及文件拷貝到/usr/local/目錄下。

（4）在/etc/profile文件中修改PATH環(huán)境變量。在export之前添加一行：

PATH=$PATH：/usr/local/arm/3.4.1/bin，然后使這項(xiàng)配置生效：# source  /etc/profile

4.2 U-Boot源碼結(jié)構(gòu)

從http://sourceforge.net/projects/u-boot 網(wǎng)站下載U-Boot源碼包：u-boot-1.1.6.tar.bz2，并將下載的壓縮包解壓。

解壓后生成u-boot文件目錄。下面介紹一下與移植相關(guān)的子目錄：

（1）cpu: 該目錄的每個子目錄下都有如下文件：
config.mk
makefile
cpu.c         處理器相關(guān)的代碼
interrupts. c    中斷處理代碼
seria1.c       串口初始化代碼
start.s        全局開始啟動代碼

  (2) board: 該目錄的每個子目錄下都有如下文件：
config.mk
makefile
smdk2410.c    與板子相關(guān)的代碼(以smdk2410為例)
flash.c         FLASH操作代碼
lowlevel_init.s  初始化SDRAM代碼
u-boot.1ds     對應(yīng)的連接文件

(3) includes:

包含頭文件和開發(fā)板配置文件，所有開發(fā)板的配置文件都在configs文件下。

4.3 移植

U-Boot的源碼是通過GCC和Makefile組織編譯的。頂層目錄下的Makefile首先設(shè)置開發(fā)板的定義，然后遞歸地調(diào)用各級子目錄下的Makefile，最后把編譯過的程序鏈接成U-Boot映像。

移植U-Boot工作就是添加開發(fā)板相關(guān)的文件、配置選項(xiàng)，然后配置編譯。開發(fā)移植U-Boot前，要熟悉硬件電路板和處理器。確認(rèn)U-Boot是否已經(jīng)支持新開發(fā)板的處理器和I/O設(shè)備，比較出硬件配置最接近的開發(fā)板。選擇的原則是，首先處理器相同，其次是處理器體系結(jié)構(gòu)相同，然后是以太網(wǎng)等外圍接口。

U-Boot移植過程如下：

(1) 在頂層Makefile中為開發(fā)板添加新的配置選項(xiàng)：
newboard_config：unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm S3C44B0 newboard

其中“arm”是CPU的種類，S3C44B0是ARM CPU對應(yīng)的代碼目錄，newboard是開發(fā)板對應(yīng)的目錄。

（2）創(chuàng)建一個新目錄存放開發(fā)板相關(guān)的代碼，并且添加文件。

在board目錄下創(chuàng)建一個newboard目錄。Board/Dave文件中的B2開發(fā)板的CPU也是S3C44B0X，因此移植可以直接在此開發(fā)板的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。把B2板目錄下的文件拷貝過來，修改相應(yīng)的文件名及其內(nèi)容。修改內(nèi)容如下：

①修改low_level_init.s中的BWSCON寄存器的配置以及SDRAM的刷新率等。

② 修改newboard.c文件中的板級初始化函數(shù)。S3C44B0提供有SDRAM控制器，與一些CPU需要UPM表編程相比，它只需進(jìn)行相關(guān)寄存器的設(shè)置即可修改CPU端口初始化值[3] 。

③ 修改flash.c中的FLASH驅(qū)動程序以支持電路板上的FLASH芯片(HY29LV160)。

(3) 在cpu/s3c44b0/目錄中：

①start.s文件。修改cpu_init_crit完成CPU cache的設(shè)置。

②serial.c文件。這個文件初始化串口，主要是對UART相關(guān)的寄存器進(jìn)行配置。

（4）include/configs/ newboard.h文件

主要修改SDRAM，F(xiàn)LASH的起始地址以及大??；定義RTL8019網(wǎng)卡芯片來代替LAN91C96，定義網(wǎng)卡芯片的基地址；將內(nèi)核參數(shù)的存放設(shè)備由B2開發(fā)板的EEPROM改為FLASH。

4.4編譯

配置好以后，進(jìn)入U-Boot主目錄，運(yùn)行命令[4]：

$make newboard_config
$make

編譯成功后，將生成三個文件：
u-boot——ELF格式的文件。
u-boot.bin——U-Boot二進(jìn)制執(zhí)行代碼，用于燒寫到開發(fā)板中。
u-boot.srec——Motorola S-Record格式，可以通過串口下載到開發(fā)板中。

將得到的U—boot.bin通過JTAG口下載到目標(biāo)板后，如果能從串口輸出正確的啟動信息，就表明移植成功。

5.結(jié)束語

在移植過程中，既需要清楚U-Boot的引導(dǎo)過程，又需要熟悉開發(fā)板硬件的各個組成部分，各個芯片的大小、型號，這樣才能有針對性地修改相應(yīng)的傳遞參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速移植。U-Boot的命令為用戶提供了交互功能，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了幾十個常用的命令。如果開發(fā)板需要很特殊的操作，可以添加新的U-Boot命令。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：利用開源項(xiàng)目，快速建立編譯環(huán)境，根據(jù)開發(fā)板的固定部件，相應(yīng)地修改和配置U-Boot，實(shí)現(xiàn)Bootloader在不同開發(fā)平臺上的移植。

參考文獻(xiàn)：
[1] 詹榮開．嵌入式系統(tǒng) Boot Loader技術(shù)內(nèi)幕．
http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-btloader/index.html．
[2] 陳鐵軍．嵌入式Linux 2.6在S3C2410上的移植技術(shù)探析［J］．微計算機(jī)信息，2007，4­-2：67-69．
[3] 張進(jìn)，姜威．U-BOOT的啟動流程及移植．國外電子元器件，2005，5：11-14．
[4] 鄭靈翔．嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用開發(fā)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006．