淺談PxA255的U-B00t啟動(dòng)分析及移植

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(gè)系統(tǒng)空間映射圖和一個(gè)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。BootLoader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像BIOS那樣的固件程序（注，有的嵌入式CPU也會(huì)內(nèi)嵌一段短小的啟動(dòng)程序），因此整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由BootLoader來完成。比如在一個(gè)基于ARM7TDMI core的嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)在上電或復(fù)位時(shí)通常都從地址0x00000000處開始執(zhí)行，而在這個(gè)地址處安排的通常就是系統(tǒng)的BootLoader程序。

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(dòng)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(dòng)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(duì)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(gè)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64MB的SDRAM（Samsung），網(wǎng)卡采用LAN91C96。SDRAM:Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）RAM -random access memory 隨機(jī)存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲(chǔ)單元的位置無關(guān)的存儲(chǔ)器。這種存儲(chǔ)器在斷電時(shí)將丟失其存儲(chǔ)內(nèi)容，故主要用于存儲(chǔ)短時(shí)間使用的程序。 按照存儲(chǔ)信息的不同，隨機(jī)存儲(chǔ)器又分為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Static RAM,SRAM）和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Dynamic RAM,DRAM）。所謂“隨機(jī)存取”，指的是當(dāng)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)被讀取或?qū)懭霑r(shí)，所需要的時(shí)間與這段信息所在的位置無關(guān)。相對(duì)的，讀取或?qū)懭腠樞蛟L問（Sequential Access）存儲(chǔ)設(shè)備中的信息時(shí)，其所需要的時(shí)間與位置就會(huì)有關(guān)系（如磁帶）。同步是指 Memory工作需要同步時(shí)鐘，內(nèi)部的命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)是指存儲(chǔ)陣列需要不斷的刷新來保證數(shù)據(jù)不丟失；隨機(jī)是指數(shù)據(jù)不是線性依次存儲(chǔ)，而是自由指定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。SDRAM從發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了四代，分別是：第一代SDR SDRAM，第二代DDR SDRAM，第三代DDR2 SDRAM，第四代DDR3 SDRAM.（顯卡上的DDR已經(jīng)發(fā)展到DDR5） 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(dòng)過程分析

充分理解代碼的啟動(dòng)流程，對(duì)于準(zhǔn)確地判斷出移植過程中出錯(cuò)的原因和出錯(cuò)的位置具有重要的作用。

2.1 U-Boot啟動(dòng)的入口點(diǎn)

一個(gè)可執(zhí)行的Image必須有一個(gè)入口點(diǎn)，并且只能有一個(gè)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)，腳本簡(jiǎn)單地說就是一條條的文字命令，這些文字命令是可以看到的（如可以用記事本打開查看、編輯），腳本程序在執(zhí)行時(shí)，是由系統(tǒng)的一個(gè)解釋器，將其一條條的翻譯成機(jī)器可識(shí)別的指令，并按程序順序執(zhí)行。因?yàn)槟_本在執(zhí)行時(shí)多了一道翻譯的過程，所以它比二進(jìn)制程序執(zhí)行效率要稍低一些。本通?？梢杂蓱?yīng)用程序臨時(shí)調(diào)用并執(zhí)行。各類腳本被廣泛地應(yīng)用于網(wǎng)頁設(shè)計(jì)中，因?yàn)槟_本不僅可以減小網(wǎng)頁的規(guī)模和提高網(wǎng)頁瀏覽速度，而且可以豐富網(wǎng)頁的表現(xiàn)，如動(dòng)畫、聲音等。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(gè)部分在程序地址空間內(nèi)的分布。

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(gè)部分的鏈接順序。這個(gè)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(hào)指定（ENTRY（_start）），第一個(gè)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(gè)程序中。

2.2 U-Boot的啟動(dòng)步驟

U—Boot的啟動(dòng)一般分為stagel和stage2兩個(gè)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(duì)鏈接腳本文件和源代碼的分析，U-Boot的啟動(dòng)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(shí)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。RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）RAM -random access memory 隨機(jī)存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲(chǔ)單元的位置無關(guān)的存儲(chǔ)器。這種存儲(chǔ)器在斷電時(shí)將丟失其存儲(chǔ)內(nèi)容，故主要用于存儲(chǔ)短時(shí)間使用的程序。 按照存儲(chǔ)信息的不同，隨機(jī)存儲(chǔ)器又分為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Static RAM,SRAM）和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Dynamic RAM,DRAM）。

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(shí)的U-Boot的存儲(chǔ)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(gè)啟動(dòng)代碼中C語言的主函數(shù)，同時(shí)還是整個(gè)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(cè)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(dòng)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(duì)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(tái)；最后進(jìn)入main_loop循環(huán)，以接收用戶命令。

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(gè)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(chǔ)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(dòng)；移植U-Boot，的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。

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(gè)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模x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。

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(duì)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(dòng)。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(dòng)。

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(gè)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。

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(dòng)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。

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(dòng)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?jiǎn)?dòng)時(shí)將自己復(fù)制到RAM中的起始地址。

驅(qū)動(dòng)程序文件，主要包括網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和FLASH驅(qū)動(dòng)程序。

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。

#define CONFIG_PXA255 1

#define CFG_SDRAMBASE O xa0000000

在這個(gè)頭文件中，配置相當(dāng)?shù)闹匾?，里面配置著主要硬件的參?shù)，配置時(shí)必須結(jié)合相應(yīng)的硬件手冊(cè)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(tái)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(dòng)參數(shù)列表配置等。

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(gè)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(dòng)時(shí)傳遞給內(nèi)核的MACH號(hào)，如果這個(gè)參數(shù)與內(nèi)核配置的不相同，則內(nèi)核啟動(dòng)解壓縮完成后將出現(xiàn)“Error：a”錯(cuò)誤，提示用戶這個(gè)是體系結(jié)構(gòu)參數(shù)傳遞不正確。bi_boot_params為啟動(dòng)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(dòng)的移植

在這一部分主要包括閃存和網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序的移植。

（1）FLASH驅(qū)動(dòng)。這里所使用的目標(biāo)板采用2片NOR型閃存，閃存（Flash Memory）是一種長(zhǎng)壽命的非易失性（在斷電情況下仍能保持所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息）的存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)刪除不是以單個(gè)的字節(jié)為單位而是以固定的區(qū)塊為單位（注意：NOR Flash 為字節(jié)存儲(chǔ)。），區(qū)塊大小一般為256KB到20MB。閃存是電子可擦除只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）的變種，EEPROM與閃存不同的是，它能在字節(jié)水平上進(jìn)行刪除和重寫而不是整個(gè)芯片擦寫，這樣閃存就比EEPROM的更新速度快。由于其斷電時(shí)仍能保存數(shù)據(jù)，閃存通常被用來保存設(shè)置信息，如在電腦的BIOS（基本輸入輸出程序）、PDA（個(gè)人數(shù)字助理）、數(shù)碼相機(jī)中保存資料等。單片容量16 MB，數(shù)據(jù)線寬度為16 b，2片并作1個(gè)32 MB的數(shù)據(jù)寬度為32b的。BANK。U-Boot本身支持CFI接口規(guī)范的閃存，涉及到的文件主要包括drivers／cfi-FLASH.c，comrhand／cmd_FLASH.c。

#define CFG_FLASH_CFI

#defineCFG_FLASH_CFl_DRIVER 1

（2）網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。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(dòng)程序drivers／lan91c96.c恰好支持這個(gè)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(dòng)程序沒有對(duì)目標(biāo)板的支持，就需要自行在board／xsbase255目錄下添加驅(qū)動(dòng)程序，然后將其添加到本目錄的Makefile中進(jìn)行編譯和鏈接。Makefile文件 Makefile 一個(gè)工程中的源文件不計(jì)數(shù)，其按類型、功能、模塊分別放在若干個(gè)目錄中，makefile定義了一系列的規(guī)則來指定，哪些文件需要先編譯，哪些文件需要后編譯，哪些文件需要重新編譯，甚至于進(jìn)行更復(fù)雜的功能操作，因?yàn)?makefile就像一個(gè)Shell腳本一樣，其中也可以執(zhí)行操作系統(tǒng)的命令。

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(cuò)誤，可根據(jù)錯(cuò)誤的提示逐一排查。完成了錯(cuò)誤的修改，在重新編譯前，先運(yùn)行make distclean命令，對(duì)先前編譯生成的文件進(jìn)行徹底的清除。

成功編譯后，會(huì)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(jià)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(gè)功能強(qiáng)大的：Bootloader開發(fā)軟件，對(duì)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(dòng)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L(zhǎng)inux內(nèi)核的移植打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。