[導(dǎo)讀]U-Boot在S3C2410上的移植
引言
U-Boot是用于初始化目標(biāo)板硬件，為嵌入式操作系統(tǒng)提供目標(biāo)板硬件配置信息，完成嵌入式操作系統(tǒng)裝載、引導(dǎo)和運行的固件程序。它能夠?qū)⑾到y(tǒng)的軟硬件緊密銜接在一起。S3C2410是三星公司的一款基于ARM920T核的嵌入式通用處理器。本文將詳細(xì)介紹U-Boot在S3C2410開發(fā)板上的移植與運行。
U-BOOT簡介
U-Boot支持ARM、 PowerPC等多種架構(gòu)的處理器，也支持Linux、NetBSD和VxWorks等多種操作系統(tǒng)。它提供啟動加載和下載兩種工作模式。啟動加載模式也稱自主模式，一般是將存儲在目標(biāo)板Flash中的內(nèi)核和文件系統(tǒng)的鏡像裝載到SDRAM中，整個過程無需用戶的介入。在使用嵌入式產(chǎn)品時，一般工作在該模式下。工作在下載模式時，目標(biāo)板往往受外設(shè)(一般是PC機)的控制，從而將外設(shè)中調(diào)試好的內(nèi)核和文件系統(tǒng)下載到目標(biāo)板中去。U-Boot允許用戶在這兩種工作模式間進(jìn)行切換。通常目標(biāo)板啟動時，會延時等待一段時間，如果在設(shè)定的延時時間范圍內(nèi)，用戶沒有按鍵，U-Boot就進(jìn)入啟動加載模式。
開發(fā)板的主要配置包括三星ARM9處理器S3C2410、1個串口和JTAG接口，晶振為12MHz，系統(tǒng)主頻為200MHz。另外，開發(fā)板上還包括1片4M×16位數(shù)據(jù)寬度的Flash，地址范圍為0x01000000～0x01800000和2片8M×16位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM，地址范圍為0x30000000～0x32000000。Flash使用了2410處理器的BANK0單元，由于2410中地址是循環(huán)映射的，因而0x01000000 和0x0地址等同。
在本系統(tǒng)中，U-Boot的主要功能包括：建立和初始化RAM；初始化一個串口；檢測機器的體系結(jié)構(gòu)，傳遞MACH_TYPE_xxx的值(SMDK2410)給內(nèi)核；建立內(nèi)核的標(biāo)記列表(tagged list)；調(diào)用內(nèi)核鏡像。
U-Boot移植步驟
為了使U-Boot支持新的開發(fā)板，一種簡便的做法是在U-Boot已經(jīng)支持的開發(fā)板中選擇一種和目標(biāo)板接近的，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。代碼修改的步驟如下：
1)在board目錄下創(chuàng)建smdk2410目錄，添加smdk2410.c、flash.c、memsetup.s、u-boot.lds和config.mk等；
2)在cpu目錄下創(chuàng)建arm920t目錄，主要包含start.s、interrupts.c、cpu.c、serial.c和speed.c等文件；
3)在include/configs目錄下添加smdk2410.h，它定義了全局的宏定義等；
4)修改u-boot根目錄下的Makefile文件：
smdk2410_config : unconfig@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410
5)運行make smdk2410_config，如果沒有錯誤，就可以開始進(jìn)行與硬件相關(guān)的代碼移植工作。由于這部分代碼與硬件緊密相關(guān)，所以要熟悉開發(fā)板的硬件配置，可參考各芯片的用戶手冊。
U-Boot啟動過程
U-Boot的啟動過程可以分成3個階段。首先在Flash中運行匯編程序，將Flash中的啟動代碼部分復(fù)制到SDRAM中，同時創(chuàng)造環(huán)境準(zhǔn)備運行C程序；然后在SDRAM中執(zhí)行，對硬件進(jìn)行初始化；最后設(shè)置內(nèi)核參數(shù)的標(biāo)記列表，復(fù)制鏡像文件，進(jìn)入內(nèi)核的入口函數(shù)。
1) 程序首先在Flash中運行CPU入口函數(shù)/cpu/arm920t/start.s。具體工作包括：設(shè)置異常的入口地址和異常處理函數(shù)；配置PLLCON寄存器，確定系統(tǒng)的主頻；屏蔽看門狗和中斷；初始化I/O寄存器；關(guān)閉MMU功能；調(diào)用/board/smdk2410中的memsetup.s，初始化存儲器空間，設(shè)置刷新頻率；將U-Boot的內(nèi)容復(fù)制到SDRAM中；設(shè)置堆棧的大小，ldr pc, _start_armboot。
board/s3c2410中config.mk文件(TEXT_BASE = 0x31F00000)用于設(shè)置程序編譯連接的起始地址，在程序中要特別注意與地址相關(guān)指令的使用。
當(dāng)程序在Flash中運行時，執(zhí)行程序跳轉(zhuǎn)時必須要使用跳轉(zhuǎn)指令，而不能使用絕對地址的跳轉(zhuǎn)(即直接對PC操作)。如果使用絕對地址，那么，程序的取指是相對于當(dāng)前PC位置向前或者向后的32MB空間內(nèi)，而不會跳入SDRAM中。
2) 程序跳轉(zhuǎn)到SDRAM中執(zhí)行/lib_arm/board.c中的start_armboot()函數(shù)。該函數(shù)將完成如下工作：
*設(shè)置通用端口rGPxCON;rGPxUP；設(shè)置處理器類型gd->bd->bi_arch_number = 193；設(shè)置啟動參數(shù)地址gd->bd->bi_boot_params = 0x30000100；
* env_init：設(shè)置環(huán)境變量，初始化環(huán)境；
* init_baudrate：設(shè)置串口的波特率；
* serial_init：設(shè)置串口的工作方式；
* flash_init：設(shè)置ID號、每個分頁的起始地址等信息，將信息送到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體中；
* dram_init：設(shè)置SDRAM的起始地址和大小；
* env_relocate：將環(huán)境變量的地址送到全局變量結(jié)構(gòu)體中(gd->env_addr = (ulong)&(env_ptr->data))；
* enable_interrupts：開啟中斷；
* main_loop：該函數(shù)主要用于設(shè)置延時等待，從而確定目標(biāo)板是進(jìn)入下載操作模式還是裝載鏡像文件啟動內(nèi)核。在設(shè)定的延時時間范圍內(nèi)，目標(biāo)板將在串口等待輸入命令，當(dāng)目標(biāo)板接到正確的命令后，系統(tǒng)進(jìn)入下載模式。在延時時間到達(dá)后，如果沒有接收到相關(guān)命令，系統(tǒng)將自動進(jìn)入裝載模式，執(zhí)行bootm 30008000 30800000命令，程序進(jìn)入do_bootm_linux()函數(shù)，調(diào)用內(nèi)核啟動函數(shù)；
3) 裝載模式下系統(tǒng)將執(zhí)行do_bootm_linux()函數(shù)，0x30008000是內(nèi)核在SDRAM中的起始地址；0x30800000是ramdisk在SDRAM中的起始地址；0x40000是內(nèi)核在Flash中的位置，0x100000是數(shù)據(jù)塊的大小；0x140000是ramdisk在FLASH中的位置，0x440000是數(shù)據(jù)塊的大小。系統(tǒng)調(diào)用memcpy()函數(shù)將內(nèi)核從flash和ramdisk復(fù)制到SDRAM中，具體如下：
memcpy((void *)0x30008000, (void *)0x40000, 0x100000)；//復(fù)制數(shù)據(jù)塊
memcpy((void *)0x30800000, (void *)0x140000, 0x440000)；//復(fù)制數(shù)據(jù)塊
通常，將內(nèi)核參數(shù)傳遞給Linux操作系統(tǒng)有兩種方法：采用struct param_struct結(jié)構(gòu)體或標(biāo)記列表。本系統(tǒng)中采用了第二種方法。
一個合法的標(biāo)記列表開始于ATAG_CORE，結(jié)束于ATAG_NONE。ATAG_CORE可以為空，一個空的ATAG_CORE的size字段設(shè)為“2”(0x00000002)。ATAG_NONE 的size字段必須設(shè)為“0”。標(biāo)記列表可以有任意多的標(biāo)記(tag)。在嵌入式Linux系統(tǒng)中，通常由U-Boot設(shè)置的啟動參數(shù)有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。
在本系統(tǒng)中，傳遞參數(shù)時分別調(diào)用了以下tag：
setup_start_tag(bd)； //標(biāo)記列表開始
setup_memory_tags(bd); //設(shè)置內(nèi)存的起始位置和大小
setup_commandline_tag(bd, commandline); /*Linux內(nèi)核在啟動時可以命令行參數(shù)的形式來接收信息，利用這一點可以向內(nèi)核提供那些內(nèi)核不能檢測的硬件參數(shù)信息，或者重載(override)內(nèi)核檢測到的信息，這里char *commandline "initrd=0x30800000,0x440000 root=/dev/ram init=/linuxrc console=ttyS0"；*/
setup_ramdisk_tag(bd); //表示內(nèi)核解壓后ramdisk的大小
setup_initrd_tag(bd, initrd_start, initrd_end); //設(shè)置ramdisk的大小和物理起始地址
setup_end_tag(bd); //標(biāo)記列表結(jié)束
其中bd_t *bd = gd->bd是指向bd_t 結(jié)構(gòu)體的指針，在該結(jié)構(gòu)體中存放了關(guān)于開發(fā)板配置的基本信息。標(biāo)記列表應(yīng)該放在內(nèi)核解壓和initrd的bootp程序都不會覆蓋的內(nèi)存區(qū)域，同時又不能和異常處理的入口地址相沖突。建議放在RAM起始的16K大小處,在本系統(tǒng)中即為0x30000100處。
U-BOOT調(diào)用 Linux 內(nèi)核的方法是直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處，也即直接跳轉(zhuǎn)到 MEM_START＋0x8000地址處。在跳轉(zhuǎn)時，要滿足下列條件：
a) CPU寄存器的設(shè)置：R0＝0；R1＝機器類型 ID，本系統(tǒng)的機器類型ID＝193。R2＝啟動參數(shù)標(biāo)記列表在RAM中的起始基地址；
b) CPU模式：必須禁止中斷(IRQs和FIQs)；CPU必須工作在SVC模式；
c) Cache和MMU的設(shè)置：MMU 必須關(guān)閉；指令Cache可以打開也可以關(guān)閉；數(shù)據(jù)Cache必須關(guān)閉。
系統(tǒng)采用下列代碼來進(jìn)入內(nèi)核函數(shù)：
theKernel = (void (*)(int, int))ntohl(hdr->ih_ep);
theKernel(0, bd->bi_arch_number);其中，hdr是image_header_t類型的結(jié)構(gòu)體，hdr->ih_ep指向內(nèi)核的第一條指令地址，即Linux操作系統(tǒng)下的/kernel/arch/arm/boot/compressed/head.S匯編程序。theKernel()函數(shù)調(diào)用應(yīng)該不會返回，如果該調(diào)用返回，則說明出錯。
結(jié)語
本文總結(jié)介紹了U-Boot在S3C2410上的移植，移植完成后，U-Boot能夠穩(wěn)定地運行在開發(fā)板上，為后續(xù)的軟件開發(fā)打下較好的基礎(chǔ)
U-Boot是用于初始化目標(biāo)板硬件，為嵌入式操作系統(tǒng)提供目標(biāo)板硬件配置信息，完成嵌入式操作系統(tǒng)裝載、引導(dǎo)和運行的固件程序。它能夠?qū)⑾到y(tǒng)的軟硬件緊密銜接在一起。S3C2410是三星公司的一款基于ARM920T核的嵌入式通用處理器。本文將詳細(xì)介紹U-Boot在S3C2410開發(fā)板上的移植與運行。
U-BOOT簡介
U-Boot支持ARM、 PowerPC等多種架構(gòu)的處理器，也支持Linux、NetBSD和VxWorks等多種操作系統(tǒng)。它提供啟動加載和下載兩種工作模式。啟動加載模式也稱自主模式，一般是將存儲在目標(biāo)板Flash中的內(nèi)核和文件系統(tǒng)的鏡像裝載到SDRAM中，整個過程無需用戶的介入。在使用嵌入式產(chǎn)品時，一般工作在該模式下。工作在下載模式時，目標(biāo)板往往受外設(shè)(一般是PC機)的控制，從而將外設(shè)中調(diào)試好的內(nèi)核和文件系統(tǒng)下載到目標(biāo)板中去。U-Boot允許用戶在這兩種工作模式間進(jìn)行切換。通常目標(biāo)板啟動時，會延時等待一段時間，如果在設(shè)定的延時時間范圍內(nèi)，用戶沒有按鍵，U-Boot就進(jìn)入啟動加載模式。
開發(fā)板的主要配置包括三星ARM9處理器S3C2410、1個串口和JTAG接口，晶振為12MHz，系統(tǒng)主頻為200MHz。另外，開發(fā)板上還包括1片4M×16位數(shù)據(jù)寬度的Flash，地址范圍為0x01000000～0x01800000和2片8M×16位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM，地址范圍為0x30000000～0x32000000。Flash使用了2410處理器的BANK0單元，由于2410中地址是循環(huán)映射的，因而0x01000000 和0x0地址等同。
在本系統(tǒng)中，U-Boot的主要功能包括：建立和初始化RAM；初始化一個串口；檢測機器的體系結(jié)構(gòu)，傳遞MACH_TYPE_xxx的值(SMDK2410)給內(nèi)核；建立內(nèi)核的標(biāo)記列表(tagged list)；調(diào)用內(nèi)核鏡像。
U-Boot移植步驟
為了使U-Boot支持新的開發(fā)板，一種簡便的做法是在U-Boot已經(jīng)支持的開發(fā)板中選擇一種和目標(biāo)板接近的，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。代碼修改的步驟如下：
1)在board目錄下創(chuàng)建smdk2410目錄，添加smdk2410.c、flash.c、memsetup.s、u-boot.lds和config.mk等；
2)在cpu目錄下創(chuàng)建arm920t目錄，主要包含start.s、interrupts.c、cpu.c、serial.c和speed.c等文件；
3)在include/configs目錄下添加smdk2410.h，它定義了全局的宏定義等；
4)修改u-boot根目錄下的Makefile文件：
smdk2410_config : unconfig@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410
5)運行make smdk2410_config，如果沒有錯誤，就可以開始進(jìn)行與硬件相關(guān)的代碼移植工作。由于這部分代碼與硬件緊密相關(guān)，所以要熟悉開發(fā)板的硬件配置，可參考各芯片的用戶手冊。
U-Boot啟動過程
U-Boot的啟動過程可以分成3個階段。首先在Flash中運行匯編程序，將Flash中的啟動代碼部分復(fù)制到SDRAM中，同時創(chuàng)造環(huán)境準(zhǔn)備運行C程序；然后在SDRAM中執(zhí)行，對硬件進(jìn)行初始化；最后設(shè)置內(nèi)核參數(shù)的標(biāo)記列表，復(fù)制鏡像文件，進(jìn)入內(nèi)核的入口函數(shù)。
1) 程序首先在Flash中運行CPU入口函數(shù)/cpu/arm920t/start.s。具體工作包括：設(shè)置異常的入口地址和異常處理函數(shù)；配置PLLCON寄存器，確定系統(tǒng)的主頻；屏蔽看門狗和中斷；初始化I/O寄存器；關(guān)閉MMU功能；調(diào)用/board/smdk2410中的memsetup.s，初始化存儲器空間，設(shè)置刷新頻率；將U-Boot的內(nèi)容復(fù)制到SDRAM中；設(shè)置堆棧的大小，ldr pc, _start_armboot。
board/s3c2410中config.mk文件(TEXT_BASE = 0x31F00000)用于設(shè)置程序編譯連接的起始地址，在程序中要特別注意與地址相關(guān)指令的使用。
當(dāng)程序在Flash中運行時，執(zhí)行程序跳轉(zhuǎn)時必須要使用跳轉(zhuǎn)指令，而不能使用絕對地址的跳轉(zhuǎn)(即直接對PC操作)。如果使用絕對地址，那么，程序的取指是相對于當(dāng)前PC位置向前或者向后的32MB空間內(nèi)，而不會跳入SDRAM中。
2) 程序跳轉(zhuǎn)到SDRAM中執(zhí)行/lib_arm/board.c中的start_armboot()函數(shù)。該函數(shù)將完成如下工作：
*設(shè)置通用端口rGPxCON;rGPxUP；設(shè)置處理器類型gd->bd->bi_arch_number = 193；設(shè)置啟動參數(shù)地址gd->bd->bi_boot_params = 0x30000100；
* env_init：設(shè)置環(huán)境變量，初始化環(huán)境；
* init_baudrate：設(shè)置串口的波特率；
* serial_init：設(shè)置串口的工作方式；
* flash_init：設(shè)置ID號、每個分頁的起始地址等信息，將信息送到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體中；
* dram_init：設(shè)置SDRAM的起始地址和大小；
* env_relocate：將環(huán)境變量的地址送到全局變量結(jié)構(gòu)體中(gd->env_addr = (ulong)&(env_ptr->data))；
* enable_interrupts：開啟中斷；
* main_loop：該函數(shù)主要用于設(shè)置延時等待，從而確定目標(biāo)板是進(jìn)入下載操作模式還是裝載鏡像文件啟動內(nèi)核。在設(shè)定的延時時間范圍內(nèi)，目標(biāo)板將在串口等待輸入命令，當(dāng)目標(biāo)板接到正確的命令后，系統(tǒng)進(jìn)入下載模式。在延時時間到達(dá)后，如果沒有接收到相關(guān)命令，系統(tǒng)將自動進(jìn)入裝載模式，執(zhí)行bootm 30008000 30800000命令，程序進(jìn)入do_bootm_linux()函數(shù)，調(diào)用內(nèi)核啟動函數(shù)；
3) 裝載模式下系統(tǒng)將執(zhí)行do_bootm_linux()函數(shù)，0x30008000是內(nèi)核在SDRAM中的起始地址；0x30800000是ramdisk在SDRAM中的起始地址；0x40000是內(nèi)核在Flash中的位置，0x100000是數(shù)據(jù)塊的大小；0x140000是ramdisk在FLASH中的位置，0x440000是數(shù)據(jù)塊的大小。系統(tǒng)調(diào)用memcpy()函數(shù)將內(nèi)核從flash和ramdisk復(fù)制到SDRAM中，具體如下：
memcpy((void *)0x30008000, (void *)0x40000, 0x100000)；//復(fù)制數(shù)據(jù)塊
memcpy((void *)0x30800000, (void *)0x140000, 0x440000)；//復(fù)制數(shù)據(jù)塊
通常，將內(nèi)核參數(shù)傳遞給Linux操作系統(tǒng)有兩種方法：采用struct param_struct結(jié)構(gòu)體或標(biāo)記列表。本系統(tǒng)中采用了第二種方法。
一個合法的標(biāo)記列表開始于ATAG_CORE，結(jié)束于ATAG_NONE。ATAG_CORE可以為空，一個空的ATAG_CORE的size字段設(shè)為“2”(0x00000002)。ATAG_NONE 的size字段必須設(shè)為“0”。標(biāo)記列表可以有任意多的標(biāo)記(tag)。在嵌入式Linux系統(tǒng)中，通常由U-Boot設(shè)置的啟動參數(shù)有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。
在本系統(tǒng)中，傳遞參數(shù)時分別調(diào)用了以下tag：
setup_start_tag(bd)； //標(biāo)記列表開始
setup_memory_tags(bd); //設(shè)置內(nèi)存的起始位置和大小
setup_commandline_tag(bd, commandline); /*Linux內(nèi)核在啟動時可以命令行參數(shù)的形式來接收信息，利用這一點可以向內(nèi)核提供那些內(nèi)核不能檢測的硬件參數(shù)信息，或者重載(override)內(nèi)核檢測到的信息，這里char *commandline "initrd=0x30800000,0x440000 root=/dev/ram init=/linuxrc console=ttyS0"；*/
setup_ramdisk_tag(bd); //表示內(nèi)核解壓后ramdisk的大小
setup_initrd_tag(bd, initrd_start, initrd_end); //設(shè)置ramdisk的大小和物理起始地址
setup_end_tag(bd); //標(biāo)記列表結(jié)束
其中bd_t *bd = gd->bd是指向bd_t 結(jié)構(gòu)體的指針，在該結(jié)構(gòu)體中存放了關(guān)于開發(fā)板配置的基本信息。標(biāo)記列表應(yīng)該放在內(nèi)核解壓和initrd的bootp程序都不會覆蓋的內(nèi)存區(qū)域，同時又不能和異常處理的入口地址相沖突。建議放在RAM起始的16K大小處,在本系統(tǒng)中即為0x30000100處。
U-BOOT調(diào)用 Linux 內(nèi)核的方法是直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處，也即直接跳轉(zhuǎn)到 MEM_START＋0x8000地址處。在跳轉(zhuǎn)時，要滿足下列條件：
a) CPU寄存器的設(shè)置：R0＝0；R1＝機器類型 ID，本系統(tǒng)的機器類型ID＝193。R2＝啟動參數(shù)標(biāo)記列表在RAM中的起始基地址；
b) CPU模式：必須禁止中斷(IRQs和FIQs)；CPU必須工作在SVC模式；
c) Cache和MMU的設(shè)置：MMU 必須關(guān)閉；指令Cache可以打開也可以關(guān)閉；數(shù)據(jù)Cache必須關(guān)閉。
系統(tǒng)采用下列代碼來進(jìn)入內(nèi)核函數(shù)：
theKernel = (void (*)(int, int))ntohl(hdr->ih_ep);
theKernel(0, bd->bi_arch_number);其中，hdr是image_header_t類型的結(jié)構(gòu)體，hdr->ih_ep指向內(nèi)核的第一條指令地址，即Linux操作系統(tǒng)下的/kernel/arch/arm/boot/compressed/head.S匯編程序。theKernel()函數(shù)調(diào)用應(yīng)該不會返回，如果該調(diào)用返回，則說明出錯。
結(jié)語
本文總結(jié)介紹了U-Boot在S3C2410上的移植，移植完成后，U-Boot能夠穩(wěn)定地運行在開發(fā)板上，為后續(xù)的軟件開發(fā)打下較好的基礎(chǔ)
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