基于S3C44B0X的U-Boot分析与移植

1.引言

嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口等。软件部分包括Bootloader、操作系统（OS）和应用程序。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计、量体裁衣、去除冗余，这样才能在具体应用中实现更高的处理性能。其中，Bootloader是基于特定硬件平台来实现的，负责硬件的初始化、嵌入式系统的引导加载等工作，是嵌入式系统开发中的一个重要环节。嵌入式开发的硬件平台是根据应用需要定制的，因此不存在一个通用的Bootloader。U-Boot是一个支持多种CPU体系结构的 Bootloader。本文就是针对在自制开发板上实现U-Boot的移植。

2.U-Boot概述

Bootloader是一种引导加载程序。它是系统加电后运行的第一段代码。从功能上说，Bootloader就是操作系统内核运行之前用来初始化硬件设备、建立内存空间的映射图的程序。它将系统的软硬件环境设定在一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核，运行用户应用程序准备好正确的环境。图 1是Flash上同时装有Bootloader、内核启动参数、内核映像和根文件系统映像的典型空间分配结构示意图。Bootloader启动后，初始化硬件设备，并将嵌入式Linux内核和根文件系统映像分别加载到内核中的正确地址，然后跳转到内核的起始地址启动内核。

 

大多数 Boot Loader 都包含两种不同的操作模式：启动加载模式和下载模式[1]。

启动加载（Boot loading）模式：这种模式也称为“自主”（Autonomous）模式。也即 Boot-

loader从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到 RAM 中运行，整个过程并没有用户的介入。

下载（Downloading）模式：在这种模式下，目标机上的Bootloader将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机（HOST）下载文件。从主机下载的文件通常首先被 Bootloader 保存到目标机的 RAM 中，然后再被 Bootloader 写到目标机上的FLASH 类固态存储设备中。Bootloader 的这种模式通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用；此外，以后的系统更新也会使用 Bootloader 的这种工作模式。

U-Boot作为一种可以支持多种体系结构CPU的Bootloader，同时支持上述两种工作模式，而且允许用户在这两种工作模式之间进行切换。它是由德国工程师Wolfgang Denk 从8XXROM 代码发展起来，遵循GPL条款的开放源码项目，支持多种处理器，如ARM，PowerPC，MIPS和x86等。

3.U-Boot的启动流程

由于Bootloader的实现依赖于 CPU 的体系结构，因此大多数Bootloader都分为 stage1和stage2 两大部分。依赖于CPU体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在 stage1中，而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍的目的。而 stage2 则通常用C语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。U-Boot也是如此。

3.1 stage1

此阶段相应的代码在cpu/s3c44b0/start .s下。主要功能是完成硬件的初始化，主要包括屏蔽所有中断，设置CPU的速度和时钟频率，RAM初始化，为加载stage 2准备RAM空间，拷贝stage2到RAM中，设置堆栈指针SP，跳转到stage2的C程序入口点。其工作流程如图2所示：

 

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3.2 stage2

 stage2完成的功能是：初始化本阶段要使用到的硬件设备，检测系统内存映射，将kernel映像和根文件系统映像从FLASH上读到RAM空间中，为内核设置启动参数，调用内核。

4.移植过程

本系统开发板主要由S3C44B0X嵌入式微处理器、2MB的FLASH (HY29LV160)、8MB的SDRA M(HY57V641620)、2路串口、RTL8019网卡芯片以及ARM JTAG接口组成。系统的工作主频是66MHz。该开发板上与S3C44B0X相关部分的功能框图如图3所示。

 

4.1建立交叉编译移植开发环境。

若能编译生成在ARM板上可运行的二进制代码，首先建立编译工具链[2]。所用主机（HOST）安装的Linux操作系统版本是Fedora Core 6。

(1)从http://www.handhelds.org/download/projects/toolchain/下载最新编译工具arm-linux-gcc-3.4.1.tar.bz2。

（2）在下载的当前目录下进行解压：# tar –jxvf arm-linux-gcc-3.4.1.tar.bz2。

（3）将解压文件目录下面的arm目录及文件拷贝到/usr/local/目录下。

（4）在/etc/profile文件中修改PATH环境变量。在export之前添加一行：

PATH=$PATH：/usr/local/arm/3.4.1/bin，然后使这项配置生效：# source  /etc/profile

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4.2 U-Boot源码结构

从http://sourceforge.net/projects/u-boot 网站下载U-Boot源码包：u-boot-1.1.6.tar.bz2，并将下载的压缩包解压。

解压后生成u-boot文件目录。下面介绍一下与移植相关的子目录：

（1）cpu: 该目录的每个子目录下都有如下文件：
config.mk
makefile
cpu.c         处理器相关的代码
interrupts. c    中断处理代码
seria1.c       串口初始化代码
start.s        全局开始启动代码

  (2) board: 该目录的每个子目录下都有如下文件：
config.mk
makefile
smdk2410.c    与板子相关的代码(以smdk2410为例)
flash.c         FLASH操作代码
lowlevel_init.s  初始化SDRAM代码
u-boot.1ds     对应的连接文件

(3) includes:

包含头文件和开发板配置文件，所有开发板的配置文件都在configs文件下。

4.3 移植

U-Boot的源码是通过GCC和Makefile组织编译的。顶层目录下的Makefile首先设置开发板的定义，然后递归地调用各级子目录下的Makefile，最后把编译过的程序链接成U-Boot映像。

移植U-Boot工作就是添加开发板相关的文件、配置选项，然后配置编译。开发移植U-Boot前，要熟悉硬件电路板和处理器。确认U-Boot是否已经支持新开发板的处理器和I/O设备，比较出硬件配置最接近的开发板。选择的原则是，首先处理器相同，其次是处理器体系结构相同，然后是以太网等外围接口。

U-Boot移植过程如下：

(1) 在顶层Makefile中为开发板添加新的配置选项：
newboard_config：unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm S3C44B0 newboard

其中“arm”是CPU的种类，S3C44B0是ARM CPU对应的代码目录，newboard是开发板对应的目录。

（2）创建一个新目录存放开发板相关的代码，并且添加文件。

在board目录下创建一个newboard目录。Board/Dave文件中的B2开发板的CPU也是S3C44B0X，因此移植可以直接在此开发板的基础上进行修改。把B2板目录下的文件拷贝过来，修改相应的文件名及其内容。修改内容如下：

①修改low_level_init.s中的BWSCON寄存器的配置以及SDRAM的刷新率等。

② 修改newboard.c文件中的板级初始化函数。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即可修改CPU端口初始化值[3] 。

③ 修改flash.c中的FLASH驱动程序以支持电路板上的FLASH芯片(HY29LV160)。

(3) 在cpu/s3c44b0/目录中：

①start.s文件。修改cpu_init_crit完成CPU cache的设置。

②serial.c文件。这个文件初始化串口，主要是对UART相关的寄存器进行配置。

（4）include/configs/ newboard.h文件

主要修改SDRAM，FLASH的起始地址以及大小；定义RTL8019网卡芯片来代替LAN91C96，定义网卡芯片的基地址；将内核参数的存放设备由B2开发板的EEPROM改为FLASH。

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4.4编译

配置好以后，进入U-Boot主目录，运行命令[4]：

$make newboard_config
$make

编译成功后，将生成三个文件：
u-boot——ELF格式的文件。
u-boot.bin——U-Boot二进制执行代码，用于烧写到开发板中。
u-boot.srec——Motorola S-Record格式，可以通过串口下载到开发板中。

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，就表明移植成功。

5.结束语

在移植过程中，既需要清楚U-Boot的引导过程，又需要熟悉开发板硬件的各个组成部分，各个芯片的大小、型号，这样才能有针对性地修改相应的传递参数，实现快速移植。U-Boot的命令为用户提供了交互功能，并且已经实现了几十个常用的命令。如果开发板需要很特殊的操作，可以添加新的U-Boot命令。

本文创新点：利用开源项目，快速建立编译环境，根据开发板的固定部件，相应地修改和配置U-Boot，实现Bootloader在不同开发平台上的移植。

参考文献：
[1] 詹荣开．嵌入式系统 Boot Loader技术内幕．
http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-btloader/index.html．
[2] 陈铁军．嵌入式Linux 2.6在S3C2410上的移植技术探析［J］．微计算机信息，2007，4­-2：67-69．
[3] 张进，姜威．U-BOOT的启动流程及移植．国外电子元器件，2005，5：11-14．
[4] 郑灵翔．嵌入式系统设计与应用开发．北京：北京航空航天大学出版社，2006．