u-boot啟動(dòng)過程分析——基于lpc2210的移植代碼

u-boot是一種普遍用于嵌入式系統(tǒng)中的Bootloader。

Bootloader介紹

Bootloader是進(jìn)行嵌入式開發(fā)必然會(huì)接觸的一個(gè)概念，它是嵌入式學(xué)院<嵌入式工程師職業(yè)培訓(xùn)班>二期課程中嵌入式linux系統(tǒng)開發(fā)方面的重要內(nèi)容。本篇文章主要講解Bootloader的基本概念以及內(nèi)部原理，這部分內(nèi)容的掌握將對嵌入式linux系統(tǒng)開發(fā)的學(xué)習(xí)非常有幫助!

Bootloader的定義：Bootloader是在操作系統(tǒng)運(yùn)行之前執(zhí)行的一小段程序，通過這一小段程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射表，從而建立適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)軟硬件環(huán)境，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備。意思就是說如果我們要想讓一個(gè)操作系統(tǒng)在我們的板子上運(yùn)轉(zhuǎn)起來，我們就必須首先對我們的板子進(jìn)行一些基本配置和初始化，然后才可以將操作系統(tǒng)引導(dǎo)進(jìn)來運(yùn)行。具體在Bootloader中完成了哪些操作我們會(huì)在后面分析到，這里我們先來回憶一下PC的體系結(jié)構(gòu)：PC機(jī)中的引導(dǎo)加載程序是由BIOS和位于硬盤MBR中的OS Boot Loader(比如LILO和GRUB等)一起組成的，BIOS在完成硬件檢測和資源分配后，將硬盤MBR中的Boot Loader讀到系統(tǒng)的RAM中，然后將控制權(quán)交給OS Boot Loader。Boot Loader的主要運(yùn)行任務(wù)就是將內(nèi)核映象從硬盤上讀到RAM中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點(diǎn)去運(yùn)行，即開始啟動(dòng)操作系統(tǒng)。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Boot Loader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Boot Loader程序。(先想一下，通用PC和嵌入式系統(tǒng)為何會(huì)在此處存在如此的差異呢?)

Bootloader是基于特定硬件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的，因此幾乎不可能為所有的嵌入式系統(tǒng)建立一個(gè)通用的Bootloader，不同的處理器架構(gòu)都有不同的Bootloader，Bootloader不但依賴于cpu的體系結(jié)構(gòu)，還依賴于嵌入式系統(tǒng)板級(jí)設(shè)備的配置。對于2塊不同的板子而言，即使他們使用的是相同的處理器，要想讓運(yùn)行在一塊板子上的Bootloader程序也能運(yùn)行在另一塊板子上，一般也需要修改Bootloader的源程序。

Bootloader的啟動(dòng)方式

Bootloader的啟動(dòng)方式主要有網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)方式、磁盤啟動(dòng)方式和Flash啟動(dòng)方式。

1、網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)方式

圖1 Bootloader網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)方式示意圖

如圖1所示，里面主機(jī)和目標(biāo)板，他們中間通過網(wǎng)絡(luò)來連接，首先目標(biāo)板的DHCP/BIOS通過BOOTP服務(wù)來為Bootloader分配IP地址，配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，這樣才能支持網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。我們使用的u-boot可以直接設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，因此這里就不用使用DHCP的方式動(dòng)態(tài)分配IP了。接下來目標(biāo)板的Bootloader通過TFTP服務(wù)將內(nèi)核映像下載到目標(biāo)板上，然后通過網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)來建立主機(jī)與目標(biāo)板之間的文件通信過程，之后的系統(tǒng)更新通常也是使用Boot Loader的這種工作模式。工作于這種模式下的Boot Loader通常都會(huì)向它的終端用戶提供一個(gè)簡單的命令行接口。

2、磁盤啟動(dòng)方式

這種方式主要是用在臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器上的，這些計(jì)算機(jī)都使用BIOS引導(dǎo)，并且使用磁盤作為存儲(chǔ)介質(zhì)，這里面兩個(gè)重要的用來啟動(dòng)linux的有LILO和GRUB，這里就不再具體說明了。

3、flash啟動(dòng)方式

這是我們最常用的方式。Flash有NOR Flash和NAND Flash兩種。NOR Flash可以支持隨機(jī)訪問，所以代碼可以直接在Flash上執(zhí)行，Bootloader一般是存儲(chǔ)在Flash芯片上的。另外Flash上還存儲(chǔ)著參數(shù)、內(nèi)核映像和文件系統(tǒng)。這種啟動(dòng)方式與網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)方式之間的不同之處就在于，在網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)方式中，內(nèi)核映像和文件系統(tǒng)首先是放在主機(jī)上的，然后經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸下載進(jìn)目標(biāo)板的，而這種啟動(dòng)方式中內(nèi)核映像和文件系統(tǒng)則直接是放在Flash中的，這兩點(diǎn)在我們u-boot的使用過程中都用到了。

U-boot的定義

U-boot，全稱Universal Boot Loader，是由DENX小組的開發(fā)的遵循GPL條款的開放源碼項(xiàng)目，它的主要功能是完成硬件設(shè)備初始化、操作系統(tǒng)代碼搬運(yùn)，并提供一個(gè)控制臺(tái)及一個(gè)指令集在操作系統(tǒng)運(yùn)行前操控硬件設(shè)備。U-boot之所以這么通用，原因是他具有很多特點(diǎn)：開放源代碼、支持多種嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核、支持多種處理器系列、較高的穩(wěn)定性、高度靈活的功能設(shè)置、豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)源碼以及較為豐富的開發(fā)調(diào)試文檔與強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持。另外u-boot對操作系統(tǒng)和產(chǎn)品研發(fā)提供了靈活豐富的支持，主要表現(xiàn)在：可以引導(dǎo)壓縮或非壓縮系統(tǒng)內(nèi)核，可以靈活設(shè)置/傳遞多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)給操作系統(tǒng)，適合系統(tǒng)在不同開發(fā)階段的調(diào)試要求與產(chǎn)品發(fā)布，支持多種文件系統(tǒng)，支持多種目標(biāo)板環(huán)境參數(shù)存儲(chǔ)介質(zhì)，采用CRC32校驗(yàn)，可校驗(yàn)內(nèi)核及鏡像文件是否完好，提供多種控制臺(tái)接口，使用戶可以在不需要ICE的情況下通過串口/以太網(wǎng)/USB等接口下載數(shù)據(jù)并燒錄到存儲(chǔ)設(shè)備中去(這個(gè)功能在實(shí)際的產(chǎn)品中是很實(shí)用的，尤其是在軟件現(xiàn)場升級(jí)的時(shí)候)，以及提供豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)等。

u-boot源代碼的目錄結(jié)構(gòu)

1、board中存放于開發(fā)板相關(guān)的配置文件，每一個(gè)開發(fā)板都以子文件夾的形式出現(xiàn)。

2、Commom文件夾實(shí)現(xiàn)u-boot行下支持的命令，每一個(gè)命令對應(yīng)一個(gè)文件。

3、cpu中存放特定cpu架構(gòu)相關(guān)的目錄，每一款cpu架構(gòu)都對應(yīng)了一個(gè)子目錄。

4、Doc是文檔目錄，有u-boot非常完善的文檔。

5、Drivers中是u-boot支持的各種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。

6、Fs是支持的文件系統(tǒng)，其中最常用的是JFFS2文件系統(tǒng)。

7、Include文件夾是u-boot使用的頭文件，還有各種硬件平臺(tái)支持的匯編文件，系統(tǒng)配置文件和文件系統(tǒng)支持的文件。

8、Net是與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相關(guān)的代碼，bootp協(xié)議、TFTP協(xié)議、NFS文件系統(tǒng)得實(shí)現(xiàn)。

9、Tooles是生成U-boot的工具。

對u-boot的目錄有了一些了解后，分析啟動(dòng)代碼的過程就方便多了，其中比較重要的目錄就是/board、/cpu、/drivers和/include目錄，如果想實(shí)現(xiàn)u-boot在一個(gè)平臺(tái)上的移植，就要對這些目錄進(jìn)行深入的分析。

u-boot的啟動(dòng)過程[!--empirenews.page--]

系統(tǒng)啟動(dòng)的入口點(diǎn)。既然我們現(xiàn)在要分析u-boot的啟動(dòng)過程，就必須先找到u-boot最先實(shí)現(xiàn)的是哪些代碼，最先完成的是哪些任務(wù)。另一方面一個(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)全局入口點(diǎn)，所以要通知編譯器這個(gè)入口在哪里。由此我們可以找到程序的入口點(diǎn)是在/board/lpc2210/u-boot.lds中指定的，其中ENTRY(_STart)說明程序從_start開始運(yùn)行，而他指向的是cpu/arm7tdmi/start.o文件。因?yàn)槲覀冇玫氖茿RM7TDMI的cpu架構(gòu)，在復(fù)位后從地址0x00000000取它的第一條指令，所以我們將Flash映射到這個(gè)地址上，這樣在系統(tǒng)加電后，cpu將首先執(zhí)行u-boot程序。

u-boot的啟動(dòng)過程是多階段實(shí)現(xiàn)的，分了兩個(gè)階段。依賴于cpu體系結(jié)構(gòu)的代碼(如設(shè)備初始化代碼等)通常都放在stage1中，而且通常都是用匯編語言來實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到短小精悍的目的。而stage2則通常是用C語言來實(shí)現(xiàn)的，這樣可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，而且代碼具有更好的可讀性和可移植性。

下面我們先詳細(xì)分析下stage1中的代碼，如圖2所示：

圖2 Start.s程序流程

代碼真正開始是在_start，設(shè)置異常向量表，這樣在cpu發(fā)生異常時(shí)就跳轉(zhuǎn)到/cpu/arm7tdmi/interrupts中去執(zhí)行相應(yīng)得中斷代碼。在interrupts文件中大部分的異常代碼都沒有實(shí)現(xiàn)具體的功能，只是打印一些異常消息，其中關(guān)鍵的是reset中斷代碼，跳到reset入口地址。

reset復(fù)位入口之前有一些段的聲明。在reset中，首先是將cpu設(shè)置為svc32模式下，并屏蔽所有irq和fiq。在u-boot中除了定時(shí)器使用了中斷外，其他的基本上都不需要使用中斷，比如串口通信和網(wǎng)絡(luò)等通信等，在u-boot中只要完成一些簡單的通信就可以了，所以在這里屏蔽掉了所有的中斷響應(yīng)。

初始化外部總線。這部分首先設(shè)置了I/O口功能，包括串口、網(wǎng)絡(luò)接口等的設(shè)置，其他I/O口都設(shè)置為GPIO。然后設(shè)置BCFG0~BCFG3，即外部總線控制器。這里bank0對應(yīng)Flash，設(shè)置為16位寬度，總線速度設(shè)為最慢，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的操作;Bank1對應(yīng)DRAM，設(shè)置和Flash相同;Bank2對應(yīng)RTL8019。

接下來是cpu關(guān)鍵設(shè)置，包括系統(tǒng)重映射(告訴處理器在系統(tǒng)發(fā)生中斷的時(shí)候到外部存儲(chǔ)器中去讀取中斷向量表)和系統(tǒng)頻率。

lowlevel_init，設(shè)定RAM的時(shí)序，并將中斷控制器清零。這些部分和特定的平臺(tái)有關(guān)，但大致的流程都是一樣的。

下面就是代碼的搬移階段了。為了獲得更快的執(zhí)行速度，通常把stage2加載到RAM空間中來執(zhí)行，因此必須為加載Boot Loader的stage2準(zhǔn)備好一段可用的RAM空間范圍。空間大小最好是memory page大小(通常是4KB)的倍數(shù)，一般而言，1M的RAM空間已經(jīng)足夠了。flash中存儲(chǔ)的u-boot可執(zhí)行文件中，代碼段、數(shù)據(jù)段以及BSS段都是首尾相連存儲(chǔ)的，所以在計(jì)算搬移大小的時(shí)候就是利用了用BSS段的首地址減去代碼的首地址，這樣算出來的就是實(shí)際使用的空間。程序用一個(gè)循環(huán)將代碼搬移到0x81180000，即RAM底端1M空間用來存儲(chǔ)代碼。然后程序繼續(xù)將中斷向量表搬到RAM的頂端。由于stage2通常是C語言執(zhí)行代碼，所以還要建立堆棧去。在堆棧區(qū)之前還要將malloc分配的空間以及全局?jǐn)?shù)據(jù)所需的空間空下來，他們的大小是由宏定義給出的，可以在相應(yīng)位置修改。基本內(nèi)存分布圖：

圖3 搬移后內(nèi)存分布情況圖

接下來是u-boot啟動(dòng)的第二個(gè)階段，是用c代碼寫的，這部分是一些相對變化不大的部分，我們針對不同的板子改變它調(diào)用的一些初始化函數(shù)，并且通過設(shè)置一些宏定義來改變初始化的流程，所以這些代碼在移植的過程中并不需要修改，也是錯(cuò)誤相對較少出現(xiàn)的文件。在文件的開始先是定義了一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組，通過這個(gè)數(shù)組，程序通過一個(gè)循環(huán)來按順序進(jìn)行常規(guī)的初始化，并在其后通過一些宏定義來初始化一些特定的設(shè)備。在最后程序進(jìn)入一個(gè)循環(huán)，main_loop。這個(gè)循環(huán)接收用戶輸入的命令，以設(shè)置參數(shù)或者進(jìn)行啟動(dòng)引導(dǎo)。

本篇文章將分析重點(diǎn)放在了前面的start.s上，是因?yàn)檫@部分無論在移植還是在調(diào)試過程中都是最容易出問題的地方，要解決問題就需要程序員對代碼進(jìn)行修改，所以在這里簡單介紹了一下start.s的基本流程，希望能對大家有所幫助。