U-Boot SD卡啟動(dòng)的移植分析與功能擴(kuò)展

0 引言

通用Bootloader(Universal Bootloader,U-Boot)是系統(tǒng)上電后執(zhí)行的第一段代碼，其作用主要包括初始化硬件環(huán)境以及加載執(zhí)行操作系統(tǒng)內(nèi)核。在進(jìn)行系統(tǒng)安裝時(shí)，U-Boot通常需要使用專用工具燒寫(xiě)到FLASH中，內(nèi)核及文件系統(tǒng)則通過(guò)U-Boot命令進(jìn)行燒寫(xiě)，該過(guò)程操作繁瑣，并且容易出錯(cuò)，不適宜系統(tǒng)的大量安裝。

S3C6410是三星公司生產(chǎn)的一款基于ARM11架構(gòu)的通用嵌入式處理器，其啟動(dòng)方式除了傳統(tǒng)的Flash啟動(dòng)模式外，還支持從SD 卡中啟動(dòng)系統(tǒng)。本文基于S3C6410處理器，分析了從SD卡啟動(dòng)系統(tǒng)的原理，并對(duì)U-Boot源碼進(jìn)行修改以支持該啟動(dòng)方式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展了U-Boot的功能，使其支持在不需要宿主機(jī)的情況下可以一鍵安裝系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了嵌入式系統(tǒng)的安裝部署工作。

1 U-Boot 工作原理

U-Boot的啟動(dòng)過(guò)程分為兩階段。第一階段由匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，與具體硬件平臺(tái)相關(guān);第二階段由可讀性和可移植性較好的C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，完成U-Boot 的主要功能。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于可以把基于硬件的代碼與系統(tǒng)的通用代碼劃分開(kāi)，使得系統(tǒng)的移植工作主要針對(duì)第一階段代碼進(jìn)行修改，而無(wú)需或只需少量修改第二階段代碼，簡(jiǎn)化了移植過(guò)程，提高了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率。

U-Boot第一階段代碼實(shí)現(xiàn)的主要功能有：

(1)硬件設(shè)備的初始化;

(2)為加載bootloader 第二階段準(zhǔn)備RAM 空間(即初始化SDRAM);

(3)復(fù)制bootloader 第二階段代碼到RAM 空間(U-Boot拷貝其全部代碼到RAM);

(4)設(shè)置堆棧;

(5)跳轉(zhuǎn)到第二階段C代碼入口處。

當(dāng)系統(tǒng)完成代碼搬運(yùn)并設(shè)置好C 語(yǔ)言使用的堆棧等環(huán)境后，就會(huì)跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存中的第二階段代碼C語(yǔ)言入口處繼續(xù)運(yùn)行。第二階段代碼完成的主要功能有：

(1)繼續(xù)初始化相關(guān)硬件設(shè)備(如串口、系統(tǒng)時(shí)鐘及定時(shí)器等);

(2)檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射;

(3)加載內(nèi)核映像及根文件系統(tǒng)映像;

(4)設(shè)置內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù);

(5)調(diào)用內(nèi)核。

第二階段的U-Boot在設(shè)置好相應(yīng)的終端設(shè)備后會(huì)停止等待若干秒，如果在該時(shí)間段內(nèi)串口有輸入，則U-Boot進(jìn)入交互下載模式，循環(huán)讀取串口命令并執(zhí)行;如果串口沒(méi)有輸入，則U-Boot執(zhí)行啟動(dòng)加載模式代碼，將操作系統(tǒng)內(nèi)核加載到內(nèi)存并啟動(dòng)系統(tǒng)。

2 S3C6410 U-Boot SD卡啟動(dòng)模式分析與移植

2.1 S3C6410 SD卡啟動(dòng)原理

S3C6410 支持多種啟動(dòng)方式，包括NOR FLASH 啟動(dòng)、NAND FLASH 啟動(dòng)、MODEM 啟動(dòng)、iROM 啟動(dòng)等方式。其中iROM 啟動(dòng)方式即從internal ROM 中啟動(dòng)，這種模式可以提供對(duì)SD 卡的支持。S3C6410 SD 卡啟動(dòng)流程如圖1所示。

當(dāng)選擇SD 卡啟動(dòng)模式時(shí)，處理器上電后，會(huì)運(yùn)行iROM 中的固件程序，這個(gè)程序被稱為BootLoader0(BL0)，它會(huì)在進(jìn)行一些必要的初始化工作后，從SD卡中指定位置讀取8 KB 的U-Boot 代碼到內(nèi)部SteppingStone 中運(yùn)行，這段代碼被稱為BootLoader1(BL1)。

BL1即U-Boot的前8 KB代碼，這段代碼會(huì)隨后從SD卡中加載BL2(即整個(gè)U-Boot程序)到內(nèi)存中并跳到相應(yīng)地址處運(yùn)行。

2.2 SD卡設(shè)備空間布局

從SD卡啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)上電后BL0程序會(huì)從SD卡特定位置加載BL1代碼，因此BL1代碼必須放置在預(yù)先約定好的位置上。

SD卡引導(dǎo)分區(qū)的空間布局如圖2所示。

由圖中可以看出，我們要使用SD卡啟動(dòng)系統(tǒng)，必須將BL1的8K代碼燒寫(xiě)到從SD卡末端起第18個(gè)塊的起始地址處，同時(shí)建議將BL2緊鄰BL1放在其前面的數(shù)據(jù)塊中。

2.3 增加U-Boot對(duì)SD卡啟動(dòng)方式支持由以上分析可知，系統(tǒng)移植的關(guān)鍵在于將BL2中代碼從SD卡中拷貝到內(nèi)存運(yùn)行。由于U-Boot默認(rèn)不支持SD 卡啟動(dòng)，因此需要修改arch/arm/cpu/arm1176/start.S文件中的bnand_boot 為b mmc_boot_copy 并定義mmc_boot_copy函數(shù)為：

該段代碼使用S3C6410 提供的固件函數(shù)實(shí)現(xiàn)了將BL2中的整個(gè)U-Boot拷貝到內(nèi)存，并跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存相應(yīng)入口處繼續(xù)運(yùn)行的功能。

3 脫機(jī)一鍵安裝系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本文所移植的U-Boot版本為U-Boot-2011.06,該版本U-Boot支持FAT文件系統(tǒng)文件加載命令，其命令格式為：

fatload

該命令可將使用interface接口的dev設(shè)備中的文件filename以二進(jìn)制形式加載到內(nèi)存地址addr處。使用該命令，可以將內(nèi)核等鏡像文件首先由SD 卡加載到內(nèi)存中，再通過(guò)FLASH命令進(jìn)行系統(tǒng)的燒寫(xiě)安裝。

但上述命令的使用都是基于交互終端進(jìn)行的，要想實(shí)現(xiàn)命令的自動(dòng)運(yùn)行，則需要對(duì)U-Boot源碼進(jìn)行分析修改。閱讀U-Boot源碼可知，其第二階段代碼最終會(huì)進(jìn)入common/main.c 文件中的main_loop 函數(shù)，在下載模式下，U - Boot 會(huì)循環(huán)讀取用戶輸入的命令，并調(diào)用run_command函數(shù)執(zhí)行，其函數(shù)原型為：

int run_command(const char *cmd,int flag);[!--empirenews.page--]

其中cmd為命令字符串，flag標(biāo)志該命令是否被重復(fù)執(zhí)行，返回值表明了命令執(zhí)行成功與否的狀態(tài)。因此，以需要執(zhí)行的安裝命令字符串為參數(shù)調(diào)用run_command函數(shù)便可自動(dòng)執(zhí)行命令，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的脫機(jī)安裝。此外，為了使系統(tǒng)安裝更加靈活方便，本實(shí)現(xiàn)中加入了一個(gè)配置文件用于對(duì)安裝中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，配置文件的路徑及名稱固定為/images/chd_cfg.ini,其內(nèi)容如下：

其中所有以“#”開(kāi)頭的行為注釋行，OS變量說(shuō)明了需要安裝的操作系統(tǒng)類型，以下的OS-BootLoader、OS-Kernel,OS-RootFs變量分別注明了需要安裝到Flash中的Bootloader、內(nèi)核、文件系統(tǒng)在SD 卡中的路徑。通過(guò)首先解析該配置文件，然后從SD 卡中加載安裝相關(guān)鏡像的方式可以方便地更換系統(tǒng)，只需修改文件中的配置參數(shù)即可，其實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將修改好的U-Boot進(jìn)行編譯后燒寫(xiě)到SD卡中的相應(yīng)位置，設(shè)置S3C6410為SD卡啟動(dòng)模式，上電后的串口輸出信息如圖4所示。

圖中(1)是讀取配置文件chd_cfg.ini 的輸出信息，可以看出該文件一共有314 個(gè)字符，(2)是對(duì)文件解析后的參數(shù)的輸出顯示，(3)和(4)分別顯示的是U-Boot和內(nèi)核的加載以及燒寫(xiě)過(guò)程，成功燒寫(xiě)后進(jìn)入(5)，在此處程序進(jìn)入死循環(huán)并提示重啟系統(tǒng)。圖5所示為隨后使用NAND模式啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)的輸出。

圖中(1)為燒寫(xiě)到Nand Flash中的U-Boot啟動(dòng)之后的終端輸出，(2)為加載引導(dǎo)內(nèi)核時(shí)的打印信息。由此結(jié)果可以看出已成功進(jìn)行了系統(tǒng)的脫機(jī)燒寫(xiě)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文修改移植了U-Boot-2011.06使其支持S3C6410處理器SD卡啟動(dòng)模式，對(duì)其進(jìn)行了原理分析，同時(shí)對(duì)U-Boot進(jìn)行了擴(kuò)展，增加了只使用SD 卡便可安裝整個(gè)系統(tǒng)的功能，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明該方法具有可行性，可簡(jiǎn)化嵌入式系統(tǒng)的安裝工作，增強(qiáng)了U-Boot的功能，對(duì)U-Boot在其他平臺(tái)上的移植和改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值。