基于PxA255的U-B00t啟動分析及移植

摘要：Bootloader在嵌入式系統(tǒng)中是必不可少的重要組成部分，這里使用U-Boot 1．3．O在基于PXA255的嵌入式系統(tǒng)上，構(gòu)建引導(dǎo)加載程序。在對目標(biāo)板的硬件資源進(jìn)行簡要說明之后，詳細(xì)分析了U-Boot的啟動流程；接著從參考板的選擇、目標(biāo)板支持文件的建立和相關(guān)代碼的修改，闡述移植的全過程；最后給出了編譯和調(diào)試的方法。結(jié)果表明，U-Boot能穩(wěn)定地運(yùn)行。將U-Boot移植到自制的以PXA255為處理器的目標(biāo)板上，并能成功引導(dǎo)Linux內(nèi)核，該目標(biāo)板已經(jīng)應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞：U-Boot；PXA255；Bootloader；嵌入式系統(tǒng)；軟件移植

0 引 言
    Bootloader是操作系統(tǒng)運(yùn)行之前執(zhí)行的一小段程序，用來初始化硬件設(shè)備，建立一個系統(tǒng)空間映射圖和一個適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)軟硬件環(huán)境。最終Bootloader把操作系統(tǒng)內(nèi)核映像加載到RAM中。并將系統(tǒng)控制權(quán)交給內(nèi)核。
    U-Boot被認(rèn)為是功能最多，最具彈性以及開發(fā)最積極的開放源碼Bootloader。U-Boot已經(jīng)能夠支持PowerPC，ARM，X86和MIPS體系結(jié)構(gòu)的上百種開發(fā)板，U-Boot還具有通過TFTP，從IDE或SCSI磁盤以及DOc啟動的能力，還提供了JFFS2的只讀功能。正是由于U-Boot較高的可靠性和穩(wěn)定性；高度靈活的功能設(shè)置；豐富的設(shè)備驅(qū)動程序和豐富的開發(fā)和調(diào)試文檔，因此選擇U-Boot作為目標(biāo)板的Boot-loader。
    對于嵌入式系統(tǒng)，Bootloader是基于特定的硬件來實(shí)現(xiàn)的，因此建立一個通用的。Bootloader是不可能的，要使Bootloader能在目標(biāo)板上運(yùn)行，必須做出相應(yīng)的修改。

l 目標(biāo)板
    目標(biāo)板采用Intel PXA255處理器，頻率最高可達(dá)400 MHz，配置了32 MB的FLASH(Intel StrataFLASH)和64 MB的SDRAM(Samsung)，網(wǎng)卡采用LAN91C96。板上有JTAG口、串口和網(wǎng)口，可分別完成程序的下載和調(diào)試工作。目標(biāo)板的主要硬件資源如圖1所示。

2 U-Boot啟動過程分析
    充分理解代碼的啟動流程，對于準(zhǔn)確地判斷出移植過程中出錯的原因和出錯的位置具有重要的作用。
2．1 U-Boot啟動的入口點(diǎn)
    一個可執(zhí)行的Image必須有一個入口點(diǎn)，并且只能有一個全局入口。可執(zhí)行Image的入口一般通過鏈接腳本文件來實(shí)現(xiàn)，鏈接腳本主要用于規(guī)定如何把文件內(nèi)的section放入輸出映像文件內(nèi)，并控制輸出文件內(nèi)各個部分在程序地址空間內(nèi)的分布。鏈接腳本文件位于board目錄下的各個開發(fā)板目錄。
    以U-Boot支持的開發(fā)板1ubbock為例，查看鏈接腳本board／lubbock／u-boot．lds，就可以知道各個部分的鏈接順序。這個連接腳本決定了U-Boot的第一階段的代碼是從0xO開始的，入口由_start符號指定(ENTRY(_start))，第一個鏈接的文件是cup／pxa／start．o，那么U-Boot的入口指令一定位于這個程序中。
2．2 U-Boot的啟動步驟
    U—Boot的啟動一般分為stagel和stage2兩個部分。依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼，通常用匯編語言實(shí)現(xiàn)，放在stagel；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，而且有更好的可讀性和移植性。
    根據(jù)對鏈接腳本文件和源代碼的分析，U-Boot的啟動過程中函數(shù)調(diào)用的順序如圖2所示。

2．2．1 stagel部分
    U－Boot的stagel代碼從人口函數(shù)start．S開始，它用匯編語言寫成，主要完成的工作為：設(shè)置異常向量；設(shè)置CPu的速度、時鐘頻率及中斷控制寄存器；初始化內(nèi)存控制器；將ROM中的程序復(fù)制到RAM中；初始化堆棧；轉(zhuǎn)到RAM中執(zhí)行。[!--empirenews.page--]
    stage1代碼執(zhí)行完以后，就為stage2的運(yùn)行建立起了基本的硬件環(huán)境，此時的U-Boot的存儲器SDRAM映射圖如圖3所示。

2．2．2 stage2部分
    接下來進(jìn)入到U-Boot stage2，即C語言代碼部分，入口是start_arml300t，位于lib_arm／board．c中。startarmboot是C語言開始的函數(shù)，也是整個啟動代碼中C語言的主函數(shù)，同時還是整個U-Boot的主函數(shù)，該函數(shù)主要完成的操作為：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；將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像從FLASH拷貝到SDRAM中；為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)；調(diào)用內(nèi)核。
    在stage2部分，首先初始化全局?jǐn)?shù)據(jù)表；然后順序執(zhí)行函數(shù)指針數(shù)組init_sequence中的初始化函數(shù)；接下來調(diào)用FLAsH_init()函數(shù)初始化CFI FLAsH(針對NOR FLASH)；接著調(diào)用env_relocate()函數(shù)初始化環(huán)境變量；然后獲取目標(biāo)板的網(wǎng)絡(luò)地址，包括IP地址和MAC地址；接著調(diào)用commend／console．c中定義的函數(shù)console_init_r()初始化串口控制臺；最后進(jìn)入main_loop循環(huán)，以接收用戶命令。至此Bootloader的任務(wù)已經(jīng)完成：初始化硬件，為內(nèi)核傳遞參數(shù)，加載內(nèi)核。

3 U-Boot的移植
3．1 移植的目標(biāo)與主要工作
    在移植之前，需要清楚移植的目標(biāo)是什么。為了達(dá)到這個目標(biāo)，需要做哪些工作。一般的開發(fā)板上U-Boot所需的最小功能，包括：串口、FLASH和網(wǎng)卡，由此可得移植目標(biāo)是：
    (1)將U-Boot移植到目標(biāo)板FLASH上；
    (2)U-Boot能夠在目標(biāo)板上運(yùn)行起來；
    (3)U-Boot能夠讀寫目標(biāo)板上FLAsH等存儲設(shè)備；
    (4)U-Boot能夠使網(wǎng)卡正常工作，能通過網(wǎng)卡下載數(shù)據(jù)。
    根據(jù)以上的移植目標(biāo)，所做的主要工作應(yīng)該包括：
移植U-Boot與目標(biāo)CPU相應(yīng)的代碼；移植U-Boot的FLASH驅(qū)動；移植U-Boot，的網(wǎng)卡驅(qū)動。
3．2 參考板的選取
    U-Boot本身已經(jīng)支持多種開發(fā)板，所以在移植的過程中一般不需要從零開始，可以選擇一個與自己目標(biāo)板最接近的參考板，在參考板的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。所以選擇適當(dāng)?shù)膮⒖及迨鞘种匾?，選擇參考板的原則是參考板和目標(biāo)板具有相同的處理器，至少類似的處理器；參考板和開發(fā)板具有相同的外圍接口電路，至少基本接口相同?？傊M量重用已成熟的代碼。
    這里目標(biāo)板的CPU為PXA255，在board目錄里選擇lubbock開發(fā)板作為參考板。對于相應(yīng)的FLASH設(shè)備由于Intel FLAsH支持CFI(Common FLAsHInterface)，選擇drivers／cfi_FLAsH．c作為FLASH設(shè)備驅(qū)動。由于目標(biāo)板使用LAN91C96網(wǎng)卡，所以選擇drivers／lan91c96．c作為網(wǎng)卡驅(qū)動。
3．3 建立目標(biāo)板支持文件
    選擇好參考板后，就可以依據(jù)參考板按照下面的步驟建立起目標(biāo)板的支持文件：
    在board目錄下，通過“cp-rlubbock xsbase255”建立起目標(biāo)板的支持目錄，將lubbock．c改名為xsbase255．c，在Makefile里把lubbock．o改名為xsbase255．o。
    在inclLlde／configs目錄里．通過“cp 1ubbock．h xs-base255．h”命令建立起目標(biāo)板的配置文件，這個文件需要經(jīng)常修改。
    在U-Boot根目錄里的MakefiIe中加入如下的命令以創(chuàng)建目標(biāo)板的編譯環(huán)境：
    xsbase2 5 5 config：unconfig
    @＄(MKCONFIG)＄(@：_config=)arm pxa xsbase255
    注意在@＄(MKCONFIG)＄(@：_config=)arm
pxa xsbase255前面的空白處是由Tab鍵生成的，千萬不能以空格代替。至此，U-Boot已經(jīng)為目標(biāo)板配置好了支持文件。
3．4 修改相關(guān)代碼
    從移植U-Boot最小要求U-Boot能正常啟動的角度出發(fā)，主要修改如下文件：
    incIude／configs／xsbase255．h文件，大多數(shù)的寄存器參數(shù)都是在這一文件中設(shè)置完成的。通過宏定義，用于對平臺無關(guān)的代碼進(jìn)行平臺相關(guān)的定制，包括U-Boot命令、缺省的環(huán)境變量等。
     board／xsbase255／xsbase255．c文件，只需進(jìn)行基本的配置，包括設(shè)置math-type，啟動參數(shù)首地址，獲取系統(tǒng)的RAM信息等。
    board／xsbase255／config．mk文件，設(shè)置TEXT-BASE，即設(shè)置U-Boot：自己啟動時將自己復(fù)制到RAM中的起始地址。
    驅(qū)動程序文件，主要包括網(wǎng)卡驅(qū)動和FLASH驅(qū)動程序。[!--empirenews.page--]
3．4．1 目標(biāo)板配置文件的修改
    目標(biāo)板配置文件inclLlde／configs／xsbase255．h，是移植過程中最重要的文件。在這個文件中，包括兩種類型的配置，一類是選項(xiàng)，前綴是CONFIG_，用來選擇處理器、接口、命令、屬性等；另一類是CFG_用來定義總線頻率、串口波特率等。例如：
    #define CONFIG_PXA255 1
    #define CFG_SDRAMBASE O xa0000000
    在這個頭文件中，配置相當(dāng)?shù)闹匾锩媾渲弥饕布膮?shù)，配置時必須結(jié)合相應(yīng)的硬件手冊才能正確的完成。主要的配置參數(shù)如表1所示。

    除了上述表格列舉的以外，還有一些其他的參數(shù)需要修改，例如控制臺串口缺省的通信波特率，缺省的環(huán)境變量設(shè)置(包括本地IP地址、以太網(wǎng)接口的掩碼和MAC地址、服務(wù)器IP地址、傳遞給內(nèi)核的命令行參數(shù)等)，啟動參數(shù)列表配置等。頭文件的修改需要對目標(biāo)板的硬件資源有相當(dāng)?shù)牧私?，主要參考處理器和目?biāo)板的開發(fā)文檔。
3．4．2 目標(biāo)板支持文件的修改
    目標(biāo)板支持文件board／xsbase255／xsbase255．c也需要修改，此文件中的重點(diǎn)是board_init()函數(shù)，這個函數(shù)里包含與開發(fā)板密切相關(guān)的設(shè)備的初始化。bi_arch_number為系統(tǒng)啟動時傳遞給內(nèi)核的MACH號，如果這個參數(shù)與內(nèi)核配置的不相同，則內(nèi)核啟動解壓縮完成后將出現(xiàn)“Error：a”錯誤，提示用戶這個是體系結(jié)構(gòu)參數(shù)傳遞不正確。bi_boot_params為啟動參數(shù)的地址，一般放在RAM起始的16 Kb處，在此設(shè)置為Oxa0000100。
3．4．3 驅(qū)動的移植
    在這一部分主要包括閃存和網(wǎng)卡驅(qū)動程序的移植。
    (1)FLASH驅(qū)動。這里所使用的目標(biāo)板采用2片NOR型閃存，單片容量16 MB，數(shù)據(jù)線寬度為16 b，2片并作1個32 MB的數(shù)據(jù)寬度為32 b的。BANK。U-Boot本身支持CFI接口規(guī)范的閃存(CFI是針對NOR型FLASH提出的一種獲取閃存和結(jié)構(gòu)參數(shù)的操作規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn))，涉及到的文件主要包括drivers／cfi-FLASH．c，comrhand／cmd_FLASH．c。要使U-Boot，支持CFI驅(qū)動，只需在include／configs／xsbase255．h中添加：
    #define CFG_FLASH_CFI
    #defineCFG_FLASH_CFl_DRIVER 1
    (2)網(wǎng)卡驅(qū)動。這里使用的目標(biāo)板上采用的網(wǎng)卡是LAN91C96，U-Boot自帶的驅(qū)動程序drivers／lan91c96．c恰好支持這個網(wǎng)卡，因此只需在include／Configs／xsbase255．h中添加相應(yīng)的配置即可：
    #define CONFIG_DRIVER_IAN91C96
    #define CONFIG_LAN91C96_BASE 0x0C000300
    CONFIG_LAN91C96_BASE定義的值，應(yīng)當(dāng)由網(wǎng)卡的片選地址和I／O基址決定。如果U-Boot固有的驅(qū)動程序沒有對目標(biāo)板的支持，就需要自行在board／xsbase255目錄下添加驅(qū)動程序，然后將其添加到本目錄的Makefile中進(jìn)行編譯和鏈接。

4 U-Boot的編譯和下載調(diào)試
    在U-Boot根目錄里輸入命令：
    make xsbase255_config
    該命令通過．／mkconfig腳本生成include／config．mk的配置文件，然后運(yùn)行make命令，完成編譯。如果在編譯過程中出現(xiàn)錯誤，可根據(jù)錯誤的提示逐一排查。完成了錯誤的修改，在重新編譯前，先運(yùn)行make distclean命令，對先前編譯生成的文件進(jìn)行徹底的清除。
    成功編譯后，會生成3種不同的映像格式，分別是：u-boot：．bin(二進(jìn)制格式)，u-boot(ELF格式)和u-boot．srec(S—Record格式)，根據(jù)加載器的不同，選擇合適的格式燒寫到FLASH中進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。在此選擇u-boot．bin，直接按照二進(jìn)制格式下載。
    最有效的調(diào)試方法是下載映像到FLASH，使用硬件仿真器進(jìn)行跟蹤調(diào)試。但是由于硬件仿真器價格高等客觀因素，采用軟件跟蹤的方法，利用目標(biāo)板上的LED燈做出判斷。一旦可以打印串口信息，就可以利用串口，將調(diào)試信息輸出到屏幕上。

5 結(jié) 語
    U-Boot是一個功能強(qiáng)大的：Bootloader開發(fā)軟件，對多種開發(fā)板的支持使得它可以方便地移植到目標(biāo)板上。首先詳細(xì)分析U-Boot啟動流程，然后詳細(xì)介紹U-Boot在PXA255目標(biāo)板上移植的全過程。目前U-Boot已經(jīng)在目標(biāo)板上穩(wěn)定的運(yùn)行，為Linux內(nèi)核的移植打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。