U-BOOT的启动流程及移植

    摘要：嵌入式系统一般没有通用的bootloader,u-boot是功能强大的bootloader开发软件，但相对也比较复杂。文中对u-boot的启动流程作了介绍，详细给出了u-boot在S3C44B0开发板上的移植方法和步骤。

    关键词：bootloader；u-boot；嵌入式系统；移植；S3C44B0

１ Bootloader及u-boot简介

Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 代码是芯片复位后进入操作系统之前执行的一段代码，主要用于完成由硬件启动到操作系统启动的过渡，从而为操作系统提供基本的运行环境，如初始化ＣＰＵ、 堆栈、存储器系统等。Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 代码与ＣＰＵ 芯片的内核结构、具体型号、应用系统的配置及使用的操作系统等因素有关，其功能类似于ＰＣ机的ＢＩＯＳ程序。由于ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ和ＣＰＵ及电路板的配置情况有关，因此不可能有通用的ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ ，开发时需要用户根据具体情况进行移植。嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统中常用的ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ有ａｒｍｂｏｏｔ、ｒｅｄｂｏｏｔ、ｂｌｏｂ、ｕ－ｂｏｏｔ等，其中ｕ－ｂｏｏｔ是当前比较流行，功能比较强大的ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ，可以支持多种体系结构，但相对也比较复杂。ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ的实现依赖于ＣＰＵ的体系结构，大多数ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ都分为ｓｔａｇｅ １和ｓｔａｇｅ ２两大部分。Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ的基本原理见参考文献。

ｕ－ｂｏｏｔ是ｓｏｕｒｃｅｆｏｒｇｅ网站上的一个开放源代码的项目。它可对 ＰｏｗｅｒＰＣ?ＭＰＣ５ｘｘ、ＭＰＣ８ｘｘ、ＭＰＣ８２ｘｘ、 ＭＰＣ７ｘｘ、ＭＰＣ７４ｘｘ?、ＡＲＭ（ＡＲＭ７、ＡＲＭ９、ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ、Ｘｓｃａｌｅ）、ＭＩＰＳ（４ｋｃ、５ｋｃ）、Ｘ８６等处理器提供支持，支持的嵌入式操作系统有Ｌｉｎｕｘ、Ｖｘ-Ｗｏｒｋｓ、ＮｅｔＢＳＤ、ＱＮＸ、ＲＴＥＭＳ、ＡＲＴＯＳ、ＬｙｎｘＯＳ等，主要用来开发嵌入式系统初始化代码ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ。软件的主站点是ｈｔｔｐ?／／ｓｏｕｒｃｅｆｏｒｇｅ．ｎｅｔ／ｐｒｏｊｅｃｔｓ／ ｕ－ｂｏｏｔ。ｕ－ｂｏｏｔ 最初是由ｄｅｎｘ?ｗｗｗ．ｄｅｎｘ．ｄｅ?的ＰＰＣ-ｂｏｏｔ发展而来的，它对ＰｏｗｅｒＰＣ系列处理器的支持最完善，对Ｌｉｎｕｘ 操作系统的支持最好。源代码开放的ｕ－ｂｏｏｔ软件项目经常更新，是学习硬件底层代码开发的很好样例。

２ u-boot系统启动流程

大多数ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ都分为ｓｔａｇｅ１和ｓｔａｇｅ２两大部分，ｕ－ｂｏｏｔ也不例外。依赖于ＣＰＵ体系结构的代码（如设备初始化代码等）通常都放在ｓｔａｇｅ１?且可以用汇编语言来实现，而ｓｔａｇｅ２则通常用Ｃ语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且有更好的可读性和移植性。

２．１ ｓｔａｇｅ１ (ｓｔａｒｔ．ｓ代码结构)

ｕ－ｂｏｏｔ的ｓｔａｇｅ１代码通常放在ｓｔａｒｔ．ｓ文件中，它用汇编语言写成，其主要代码部分如下：

（１） 定义入口 。由于一个可执行的Ｉｍａｇｅ必须有一个入口点，并且只能有一个全局入口，通常这个入口放在ＲＯＭ(Ｆｌａｓｈ)的０ｘ０地址，因此，必须通知编译器以使其知道这个入口，该工作可通过修改连接器脚本来完成。

（２）设置异常向量(Ｅｘｃｅｐｔｉｏｎ Ｖｅｃｔｏｒ)。

（３）设置ＣＰＵ的速度、时钟频率及中断控制寄存器。

（４）初始化内存控制器 。

（５）将ＲＯＭ中的程序复制到ＲＡＭ中。

（６）初始化堆栈 。

（７）转到ＲＡＭ中执行，该工作可使用指令ｌｄｒ ｐｃ来完成。

２．２ ｓｔａｇｅ２?Ｃ语言代码部分?

ｌｉｂ ａｒｍ／ｂｏａｒｄ．ｃ中的ｓｔａｒｔ ａｒｍｂｏｏｔ是Ｃ语言开始的函数，也是整个启动代码中Ｃ语言的主函数，同时还是整个ｕ－ｂｏｏｔ（ａｒｍｂｏｏｔ）的主函数，该函数主要完成如下操作：

（１）调用一系列的初始化函数。

（２）初始化Ｆｌａｓｈ设备。

（３）初始化系统内存分配函数。

（４）如果目标系统拥有ＮＡＮＤ设备，则初始化ＮＡＮＤ设备。

（５）如果目标系统有显示设备，则初始化该类设备。

（６）初始化相关网络设备，填写ＩＰ、ＭＡＣ地址等。

（７）进入命令循环（即整个ｂｏｏｔ的工作循环），接受用户从串口输入的命令，然后进行相应的工作。

３ 移植实例

本系统开发板主要由Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ嵌入式微处理器、２ＭＢ的Ｆｌａｓｈ （ＳＳＴ３９ＶＦ１６０）、８ＭＢ的ＳＤＲＡＭ(ＨＹ５７Ｖ６４１６２０)、４个ＬＥＤ以及ＡＲＭ ＪＴＡＧ接口组成。该开发板上与Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ相关部分的功能框图如图１所示。

３．１ ｕ－ｂｏｏｔ文件下载

ｕ－ｂｏｏｔ文件的下载有两种方法,第一种是在Ｌｉｎｕｘ环境下通过ＣＶＳ下载最新的文件，方法是：

＄ｃｖｓ－ｄ?ｐｓｅｒｖｅｒ?ａｎｏｎｙｍｏｕｓ＠ｃｖｓ．ｓｏｕｒｃｅｆｏｒｇｅ． ｎｅｔ?／ｃｖｓｒｏｏｔ／ｕ－ｂｏｏｔ ｌｏｇｉｎ

当要求输入匿名登录的密码时，可直接按回车键

＄ｃｖｓ－ｚ６－ｄ?ｐｓｅｒｖｅｒ?ａｎｏｎｙｍｏｕｓ＠ｃｖｓ．ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒｇｅ．ｎｅｔ?／ｃｖｓｒｏｏｔ／ｕ－ｂｏｏｔ＼ｃｏ．Ｐ ｍｏｄｕｌｅｎａｍｅ

第二种是通过ｆｔｐ?／／ｆｔｐ．ｄｅｎｘ．ｄｅ／ｐｕｂ／ｕ－ｂｏｏｔ／ 下载正式发布的压缩文件。

３．２ ｕ－ｂｏｏｔ文件的结构

初次下载的文件有很多，解压后存放在ｕ－ｂｏｏｔ文件目录下，具体内容已在ｒｅａｄｍｅ文件中做了详细的介绍，其中与移植相关的主要文件夹有：

（１）ＣＰＵ?它的每个子文件夹里都有如下文件：

ｍａｋｅｆｉｌｅ

ｃｏｎｆｉｇ．ｍｋ

ｃｐｕ．ｃ 和处理器相关的代码

ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｓ．ｃ 中断处理代码

ｓｅｒｉａｌ．ｃ 串口初始化代码

ｓｔａｒｔ．ｓ 全局开始启动代码

（２）ＢＯＡＲＤ?它的每个子文件夹里都有如下文件：

ｍａｋｅｆｉｌｅ

ｃｏｎｆｉｇ．ｍｋ

ｓｍｄｋ２４１０．ｃ 和板子相关的代码（以ｓｍｄｋ２４１０为例）

ｆｌａｓｈ．ｃ Ｆｌａｓｈ操作代码

ｍｅｍｓｅｔｕｐ．ｓ 初始化ＳＤＲＡＭ代码

ｕ－ｂｏｏｔ．ｌｄｓ 对应的连接文件

（３）ｌｉｂ ａｒｍ?体系结构下的相关实现代码，比如ｍｅｍｃｐｙ等的汇编语言的优化实现。

３．３ 交叉编译环境的建立

要得到下载到目标板的ｕ－ｂｏｏｔ二进制启动代码，还需要对下载的ｕ－ｂｏｏｔ１．１．１进行编译。ｕ－ｂｏｏｔ的编译一般在Ｌｉｎｕｘ系统下进行，可用ＡＲＭ－ＬＩＮ-ＵＸ－ＧＣＣ进行编译。一步一步建立交叉编译环境通常比较复杂，最简单的方法是使用别人编译好的交叉编译工具，方法如下：

（１）在ｈｔｔｐ?／／ｈａｎｄｈｅｌｄｓ．ｏｒｇ／ｄｏｗｎｌｏａｄ／ｔｏｏｌｃｈａｉｎ下载 ａｒｍ－Ｌｉｎｕｘ－ｇｃｃ－３．３．２．ｔａｒ．ｂｚ２

（２）以用户名ｒｏｏｔ登录，将ａｒｍ－ｌｉｎｕｘ－ｇｃｃ－３．３．２．ｔａｒ．ｂｚ２ 解压到 ／ｒｏｏｔ目录下

＃ ｔａｒ ｊｘｖｆ ａｒｍ－ｌｉｎｕｘ－ｇｃｃ－３．３．２．ｔａｒ．ｂｚ２

（３）在ｈｔｔｐ?／／ｈａｎｄｈｅｌｄｓ．ｏｒｇ／ｄｏｗｎｌｏａｄ／ｔｏｏｌｃｈａｉｎ下载 ａｒｍ－ｌｉｎｕｘ－ｔｏｏｌｃｈａｉｎ－ｐｏｓｔ－２．２．１３．ｔａｒ．ｇｚ ?只是用了它的头文件而已，主要来自内核／ｌｉｎｕｘ－ｘ．ｘ／ｉｎｃｌｕｄｅ下?

（４）将ａｒｍ－ｌｉｎｕｘ－ｔｏｏｌｃｈａｉｎ－ｐｏｓｔ－２．２． １３．ｔａｒ．ｇｚ 解压到 ／ｓｋｉｆｆ／ｌｏｃａｌ／ 下

＃ ｔａｒ ｚｘｖｆ ａｒｍ－ｌｉｎｕｘ－ｔｏｏｌｃｈａｉｎ－ｐｏｓｔ－２．２．１３．ｔａｒ．ｇｚ

（５）拷贝头文件到／ｒｏｏｔ／ｕｓｒ／３．３．２／ａｒｍ－ｌｉｎｕｘ／ 下?然后删除 ／ｓｋｉｆｆ

＃ ｃｐ －ｄＲ ／ｓｋｉｆｆ／ｌｏｃａｌ／ａｒｍ－ｌｉｎｕｘ／ｉｎｃｌｕｄｅ ／ｒｏｏｔ／ｕｓｒ／３．３．２／ａｒｍ－ｌｉｎｕｘ

＃ ｒｍ －ｆｒ ／ｓｋｉｆｆ

这样就建立了ａｒｍ ｌｉｎｕｘ 交叉编译环境。

（６）增加／ｒｏｏｔ／ｕｓｒ／ｌｏｃａｌ／ａｒｍ／３．３．２／ｂｉｎ到路径环境变量

ｐａｔｈ＝＄ｐａｔｈ：／ｒｏｏｔ／ｕｓｒ／ｌｏｃａｌ／ａｒｍ／３．３．２／ｂｉｎ? 可以检查路径变量是否设置正确。＃ ｅｃｈｏ ＄ｐａｔｈ

３．４ 移植的预先编译

移植ｕ－ｂｏｏｔ到新的开发板上仅需要修改与硬件相关的部分即可。主要包括两个层面的移植，第一层是针对ＣＰＵ的移植，第二层是针对ＢＯＡＲＤ的移植。由于ｕ－ｂｏｏｔ １．１．１里面已经包含Ｓ３Ｃ４４Ｂ０的移植，所以笔者对板子ｍｙｂｏａｒｄ的移植主要是针对ＢＯＡＲＤ的移植。移植之前需要仔细阅读ｕ－ｂｏｏｔ目录下的ｒｅａｄｍｅ文件，其中对如何移植做了简要的介绍。为了减少移植的工作量，可以在ｉｎｃｌｕｄｅ／ｃｏｎｆｉｇ目录下选一个和要移植的硬件相似的开发板，笔者选的是ｂ２开发板。具体步骤如下：

（１）ｕ－ｂｏｏｔ １．１．１ 下的ＣＰＵ文件夹里已经包括了Ｓ３Ｃ４４Ｂ０的目录，其下已经有ｓｔａｒｔ．ｓ?ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｓ．ｃ以及 ｃｐｕ．ｃ?ｓｅｒｉａｌ．ｃ几个文件，因而不需要建立与ＣＰＵ相关的目录。

（２）在ｂｏａｒｄ目录下创建ｍｙｂｏａｒｄ目录以及ｍｙ-ｂｏａｒｄ．ｃ、ｆｌａｓｈ．ｃ、ｍｅｍｓｅｔｕｐ．ｓ和ｕ－ｂｏｏｔ．ｌｄｓ 等文件。不需要从零开始创建，只需选择一个相似的目录直接复制过来，然后修改文件名及内容即可。笔者在移植ｕ－ｂｏｏｔ过程中选择的是ｕ－ｂｏｏｔ １．１．１／ｂｏａｒｄ／ｄａｖｅ／Ｂ２目录。

（３）在ｉｎｃｌｕｄｅ／ｃｏｎｆｉｇｓ目录下添加ｍｙｂｏａｒｄ．ｈ，在这里可放入全局的宏定义等?也不需要从头创建，可以在ｉｎｃｌｕｄｅ／ｃｏｎｆｉｇｓ目录下寻找相似的ＣＰＵ的头文件进行复制，这里笔者用的是Ｂ２．ｈ文件来进行相关的修改。

（４） 对ｕ－ｂｏｏｔ根目录下的ｍａｋｅｆｉｌｅ文件进行修改，加入

ｍｙｂｏａｒｄ_ｃｏｎｆｉｇ : ｕｎｃｏｎｆｉｇ

＠．／ｍｋｃｏｎｆｉｇ ＄(＠:_ｃｏｎｆｉｇ＝）ａｒｍ Ｓ３Ｃ４４Ｂ０ ｍｙｂｏａｒｄ

（５） 修改ｕ－ｂｏｏｔ根目录下的ｍａｋｅｆｉｌｅ文件，加入对板子的申明。然后在ｍａｋｅｆｉｌｅ 中加入ｍｙｂｏａｒｄ、ＬＩＳＴ ＡＲＭ７＝″Ｂ２ ｅｐ７３１２ ｉｍｐａ７ ｍｙｂｏａｒｄ″。

（６）运行ｍａｋｅ ｃｌｏｂｂｅｒ，删除错误的ｄｅｐｅｎｄ文件。

（７）运行ｍａｋｅ ｍｙｂｏａｒｄ ｃｏｎｆｉｇ。

（８）执行到此处即表示整个软件的ｍａｋｅｆｉｌｅ已建立，这时可修改生成的ｍａｋｅｆｉｌｅ中的交叉编译选项，然后打开ｍａｋｅｆｉｌｅ 文件，并找到其中的语句：

ｉｆｅｑ(＄(ＡＲＣＨ),ａｒｍ)

ＣＲＯＳＳ_ＣＯＭＰＩＬＥ＝ａｒｍ－ｌｉｎｕｘ－

ｅｎｄ ｉｆ

接着将其改成

ｉｆｅｑ(＄(ＡＲＣＨ),ａｒｍ)

ＣＲＯＳＳ ＣＯＭＰＩＬＥ＝／ｒｏｏｔ／ｕｓｒ／ｌｏｃａｌ／３．３．２／ｂｉｎ／ａｒｍ－ｌｉｎｕｘ－

ｅｎｄ ｉｆ

这一步和上面的设置环境变量只要有一个就可以了。

执行ｍａｋｅ，报告有一个错误，修改ｍｙｂｏａｒｄ／ｆｌａｓｈ．ｃ中的＃ｉｎｃｌｕｄｅ ″．．／ｃｏｍｍｏｎ／ｆｌａｓｈ．ｃ＂为＂ｕ－ｂｏｏｔ／ｂｏａｒｄ／ｄａｖｅ／ｃｏｍｍｏｎ／ｆｌａｓｈ．ｃ″,重新编译即可通过。

４ 移植时的具体修改要点

若预先编译没有错误就可以开始硬件相关代码的移植，首先必须要对移植的硬件有清楚地了解，如ＣＰＵ、ＣＰＵ的控制寄存器及启动各阶段程序在Ｆｌａｓｈ?ＳＤＲＡＭ中的布局等。

笔者在移植过程中先修改／ｉｎｃｌｕｄｅ／ｃｏｎｆｉｇ ／ｍｙ-ｂｏａｒｄ．ｈ头文件中的大部分参数（大部分的宏定义都在这里设置），然后按照ｕ－ｂｏｏｔ的启动流程逐步修改。修改时应熟悉ＡＲＭ汇编语言和Ｃ语言，同时也应对ｕ－ｂｏｏｔ启动流程代码有深入的了解。Ｂ２板的ＣＰＵ频率为７５ＭＨｚ、Ｆｌａｓｈ为４Ｍｂｉｔ、ＳＤＲＡＭ为１６Ｍｂｉｔ、串口波特率为１１５２００ｂｉｔ／ｓ、环境变量放在ＥＥＰＲＯＭ中。根据两个开发板的不同，需要修改的有：ＣＰＵ的频率、Ｆｌａｓｈ和ＳＤＲＡＭ容量的大小、环境变量的位置等。由于参考板已经有了大部分的代码，因此只需要针对ｍｙｂｏａｒｄ进行相应的修改就可以了。与之相关的文件有／ｉｎｃｌｕｄｅ／ｃｏｎｆｉｇ ／ｍｙｂｏａｒｄ．ｈ（大部分的宏定义都在这里设置）、／ｂｏａｒｄ／ｍｙｂｏａｒｄ／ｆｌａｓｈ．ｃ?Ｆｌａｓｈ的驱动序?、／ｂｏａｒｄ／ｍｙｂｏａｒｄ ／ｍｙｂｏａｒｄ．ｃ（ＳＤＲＡＭ的驱动程序）、／ＣＰＵ／Ｓ３Ｃ４４Ｂ０／ｓｅｒｉａｌ．ｃ（串口的驱动使能部分）等。

／ｉｎｃｌｕｄｅ／ｃｏｎｆｉｇ ／ｍｙｂｏａｒｄ．ｈ是全局宏定义的地方，主要的修改有：

将＃ｄｅｆｉｎｅ ＣＯＮＦＩＧ Ｓ３Ｃ４４Ｂ０ ＣＬＯＣＫ ＳＰＥＥＤ ７５改为

＃ｄｅｆｉｎｅ ＣＯＮＦＩＧ Ｓ３Ｃ４４Ｂ０ ＣＬＯＣＫ ＳＰＥＥＤ ６４；

将 ＃ｄｅｆｉｎｅ ＰＨＹＳ ＳＤＲＡＭ １ ＳＩＺＥ ０ｘ０１００００００ ／＊ １６ ＭＢ ＊／ 改为

＃ｄｅｆｉｎｅ ＰＨＹＳ ＳＤＲＡＭ １ ＳＩＺＥ ０ｘ００８０００００ ／＊ ８ ＭＢ ＊／；

将 ＃ｄｅｆｉｎｅ ＰＨＹＳ ＦＬＡＳＨ ＳＩＺＥ ０ｘ００４０００００ ／＊ ４ ＭＢ＊改为

＃ｄｅｆｉｎｅ ＰＨＹＳ ＦＬＡＳＨ ＳＩＺＥ ０ｘ００２０００００ ／＊ ２ ＭＢ ＊／；

将 ＃ｄｅｆｉｎｅ ＣＦＧ ＭＡＸ ＦＬＡＳＨ ＳＥＣＴ ２５６ ／＊ ｍａｘ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓｅｃｔｏｒｓ ｏｎ ｏｎｅ ｃｈｉｐ ＊／改为

＃ｄｅｆｉｎｅ ＣＦＧ ＭＡＸ ＦＬＡＳＨ ＳＥＣＴ ３５ ；

将 ＃ｄｅｆｉｎｅ ＣＦＧ ＥＮＶ ＩＳ ＩＮ ＥＥＰＲＯＭ １ ／＊ ｕｓｅ ＥＥＰＲＯＭ ｆｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｖａｒｓ＊／改为

＃ｄｅｆｉｎｅ ＣＦＧ ＥＮＶ ＩＳ ＩＮ ＦＬＡＳＨ １

其它（如堆栈的大小等）可根据需要修改。

由于Ｆｌａｓｈ、ＳＤＲＡＭ的容量会发生变化，故应对启动阶段程序在Ｆｌａｓｈ、ＳＤＲＡＭ中的位置重新作出安排。笔者将Ｆｌａｓｈ中的ｕ－ｂｏｏｔ代码放在０ｘ０开始的地方，而将复制到ＳＤＲＡＭ中的ｕ－ｂｏｏｔ代码安排在０ｘｃ７０００００开始的地方。

Ｆｌａｓｈ的修改不仅和容量有关，还和具体型号有关，Ｆｌａｓｈ存储器的烧写和擦除一般不具有通用性，应查看厂家的使用说明书，针对不同型号的存储器作出相应的修改。修改过程中，需要了解Ｆｌａｓｈ擦写特定寄存器的写入地址、数据命令以及扇区的大小和位置，以便进行正确的设置。

ＳＤＲＡＭ要修改的地方主要是初始化内存控制器部分，由ｓｔａｒｔ．ｓ文件中的 ｃｐｕ ｉｎｉｔ ｃｒｉｔ完成ＣＰＵ ｃａｃｈｅ的设置，并由 ｂｏａｒｄ／ｍｙｂｏａｒｄ／ｍｅｍｓｅｔｕｐ．ｓ中的ｍｅｍｓｅｔｕｐ完成初始化ＳＤＲＡＭ。Ｓ３Ｃ４４Ｂ０提供有ＳＤＲＡＭ控制器，与一些ＣＰＵ需要ＵＰＭ表编程相比，它只需进行相关寄存器的设置修改即可，因而降低了开发的难度。

串口波特率不需要修改（都是１１５２００ｂｉｔ／ｓ），直接用Ｂ２板的串口驱动即可。串口的设置主要包括初始化串口部分，值得注意的是：串口的波特率与时钟ＭＣＬＫ有很大关系，详见ＣＰＵ用户手册。

配置好以后，便可以重新编译ｕ－ｂｏｏｔ代码。将得到的ｕ－ｂｏｏｔ．ｂｉｎ通过ＪＴＡＧ口下载到目标板后，如果能从串口输出正确的启动信息，就表明移植基本成功。实际过程中会由于考虑不周而需要多次修改。移植成功后，也可以添加一些其它功能（如ＬＣＤ驱动等），在此基础上添加功能相对比较容易。

５ 结束语

ｕ－ｂｏｏｔ是一个功能强大的ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ开发软件，适用的ＣＰＵ平台及支持的嵌入式操作系统很多。本文是笔者在实际开发过程中根据相关资料进行摸索，并在成功移植了ｕ－ｂｏｏｔ的基础上总结出来的。对于不同的ＣＰＵ和开发板，其基本的方法和步骤是相同的，希望能对相关嵌入式系统的设计人员有所帮助。