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)建引導加載程序。在對目標板的硬件資源進行簡要說明之后，詳細分析了U-Boot的啟動流程；接著從參考板的選擇、目標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)定地運行。將U-Boot移植到自制的以PXA255為處理器的目標板上，并能成功引導Linux內(nèi)核，該目標板已經(jīng)應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點，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?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作為目標板的Boot-loader。
對于嵌入式系統(tǒng)，Bootloader是基于特定的硬件來實現(xiàn)的，因此建立一個通用的。Bootloader是不可能的，要使Bootloader能在目標板上運行，必須做出相應(yīng)的修改。
l 目標板
目標板采用Intel PXA255處理器，頻率最高可達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
一個可執(zhí)行的Image必須有一個入口點，并且只能有一個全局入口?？蓤?zhí)行Image的入口一般通過鏈接腳本文件來實現(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，通常用匯編語言實現(xiàn)，放在stagel；而stage2則通常用C語言來實現(xiàn)，這樣可以實現(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，首先初始化全局數(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 移植的目標與主要工作
在移植之前，需要清楚移植的目標是什么。為了達到這個目標，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，由此可得移植目標是：
(1)將U-Boot移植到目標板FLASH上；
(2)U-Boot能夠在目標板上運行起來；
(3)U-Boot能夠讀寫目標板上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，所做的主要工作應(yīng)該包括：
移植U-Boot與目標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板最接近的參考板，在參考板的基礎(chǔ)上進行修改。所以選擇適當?shù)膮⒖及迨鞘种匾?，選擇參考板的原則是參考板和目標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板的支持文件：
在board目錄下，通過“cp-rlubbock xsbase255”建立起目標板的支持目錄，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 目標板配置文件的修改
目標板配置文件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，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?shù)闹匾?，里面配置著主要硬件的參?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板的硬件資源有相當?shù)牧私?，主要參考處理器和目標板的開發(fā)文檔。
3．4．2 目標板支持文件的修改
目標板支持文件board／xsbase255／xsbase255．c也需要修改，此文件中的重點是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)程和標準)，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，先運行make distclean命令，對先前編譯生成的文件進行徹底的清除。
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中進行運行調(diào)試。在此選擇u-boot．bin，直接按照二進制格式下載。
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板上。首先詳細分析U-Boot啟動流程，然后詳細介紹U-Boot在PXA255目標板上移植的全過程。目前U-Boot已經(jīng)在目標板上穩(wěn)定的運行，為Linux內(nèi)核的移植打下了堅實的基礎(chǔ)。
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