U-BOOT的特點(diǎn)及利用其構(gòu)建開發(fā)板的引導(dǎo)裝載程序

1、 U-BOOT簡介

U-BOOT是由德國的工程師Wolfgang Denk從8XXROM代碼發(fā)展而來的，它支持很多處理器，比如PowerPC、ARM、MIPS和x86。目前，U-BOOT源代碼在sourceforge網(wǎng)站的社區(qū)服務(wù)器中，Internet上有一群自由開發(fā)人員對其進(jìn)行維護(hù)和開發(fā)，它的項目主頁是http://sourceforge.net/projects/U-BOOT。U-BOOT的最新版本源代碼可以在Sourceforge的CVS服務(wù)器中匿名獲得。

#cvs -d:pserver:anonymous@cvs.sourceforge.net:/cvsroot/U-BOOT login

#cvs -z6 -d:pserver:anonymous@cvs.sourceforge.net:/cvsroot/U-BOOT / co -P modulename

1.1 U-BOOT源代碼目錄結(jié)構(gòu)

◆ board：和一些已有開發(fā)板有關(guān)的文件，比如Makefile和u-boot.lds等都和具體開發(fā)板的硬件和地址分配有關(guān)。

◆ common：與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的文件，實現(xiàn)各種命令的C文件。

◆ cpu：CPU相關(guān)文件，其中的子目錄都是以U-BOOT所支持的CPU為名，比如有子目錄arm926ejs、mips、mpc8260和nios等，每個特定的子目錄中都包括cpu.c和interrupt.c，start.S。其中cpu.c初始化CPU、設(shè)置指令Cache和數(shù)據(jù)Cache等；interrupt.c設(shè)置系統(tǒng)的各種中斷和異常，比如快速中斷、開關(guān)中斷、時鐘中斷、軟件中斷、預(yù)取中止和未定義指令等；start.S是U-BOOT啟動時執(zhí)行的第一個文件，它主要是設(shè)置系統(tǒng)堆棧和工作方式，為進(jìn)入C程序奠定基礎(chǔ)。

◆ disk：disk驅(qū)動的分區(qū)處理代碼。

◆ doc：文檔。

◆ drivers：通用設(shè)備驅(qū)動程序，比如各種網(wǎng)卡、支持CFI的Flash、串口和USB總線等。

◆fs：支持文件系統(tǒng)的文件，U-BOOT現(xiàn)在支持cramfs、fat、fdos、jffs2和registerfs。

◆ include：頭文件，還有對各種硬件平臺支持的匯編文件，系統(tǒng)的配置文件和對文件系統(tǒng)支持的文件。

◆ net：與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的代碼，BOOTP協(xié)議、TFTP協(xié)議、RARP協(xié)議和NFS文件系統(tǒng)的實現(xiàn)。

◆ lib_arm：與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼。

◆ tools：創(chuàng)建S-Record格式文件 和U-BOOT images的工具。

1.2 U-BOOT的特點(diǎn)

U-BOOT支持SCC/FEC以太網(wǎng)、OOTP/TFTP引導(dǎo)、IP和MAC的預(yù)置功能，這一點(diǎn)和其它BootLoader（如BLOB和RedBoot等）類似。但U-BOOT還具有一些特有的功能。

◆ 在線讀寫Flash、DOC、IDE、IIC、EEROM、RTC，其它的BootLoader根本不支持IDE和DOC的在線讀寫。

◆ 支持串行口kermit和S-record下載代碼，U-BOOT本身的工具可以把ELF32格式的可執(zhí)行文件轉(zhuǎn)換成為 S-record格式，直接從串口下載并執(zhí)行。

◆ 識別二進(jìn)制、ELF32、uImage格式的Image，對Linux引導(dǎo)有特別的支持。U-BOOT對Linux 內(nèi)核進(jìn)一步封裝為uImage。封裝如下：

#{CROSS_COMPILE}-objcopy -O binary -R.note -R.comment -S vmlinux / linux.bin

#gzip -9 linux.bin

#tools/mkimage -A arm -O linux -T kernel -C gzip -a 0xc0008000 -e/

0xc0008000 -n “Linux-2.4.20” -d linux.bin.gz /tftpboot/uImage

即在Linux內(nèi)核鏡像vmLinux前添加了一個特殊的頭，這個頭在include/image.h中定義，包括目標(biāo)操作系統(tǒng)的種類（比如Linux，VxWorks等）、目標(biāo)CPU的體系機(jī)構(gòu)（比如ARM、PowerPC等）、映像文件壓縮類型（比如gzip、bzip2等）、加載地址、入口地址、映像名稱和映像的生成時間。當(dāng)系統(tǒng)引導(dǎo)時，U-BOOT會對這個文件頭進(jìn)行CRC校驗，如果正確，才會跳到內(nèi)核執(zhí)行。如下所示：

◆ 單任務(wù)軟件運(yùn)行環(huán)境。U-BOOT可以動態(tài)加載和運(yùn)行獨(dú)立的應(yīng)用程序，這些獨(dú)立的應(yīng)用程序可以利用U-BOOT控制臺的I/O函數(shù)、內(nèi)存申請和中斷服務(wù)等。這些應(yīng)用程序還可以在沒有操作系統(tǒng)的情況下運(yùn)行，是測試硬件系統(tǒng)很好的工具。

◆ 監(jiān)控（minitor）命令集：讀寫I/O，內(nèi)存，寄存器、內(nèi)存、外設(shè)測試功能等

◆ 腳本語言支持（類似BASH腳本）。利用U-BOOT中的autoscr命令，可以在U-BOOT中運(yùn)行“腳本”。首先在文本文件中輸入需要執(zhí)行的命令，然后用tools/mkimage封裝，然后下載到開發(fā)板上，用autoscr執(zhí)行就可以了。

① 編輯如下的腳本example.script。

echo

echo Network Configuration：

echo ----------------------

echo Target：

printenv ipaddr hostname

echo

echo Server：

printenv serverip rootpath

echo

② 用tools/mkimage對腳本進(jìn)行封裝。

# mkimage -A ARM -O linux -T script -C none -a 0 -e 0 -n “autoscr example script” -d example.script /tftpboot/example.img

Image Name： autoscr example script

Created： Wes Sep 8 01:15:02 2004

Image Type： ARM Linux Script （uncompressed）

Data Size： 157 Bytes = 0.15 kB = 0.00 MB

Load Address： 0x00000000

Entry Point： 0x00000000

Contents：

Image 0： 149 Bytes = 0 kB = 0 MB

③ 在U-BOOT中加載并執(zhí)行這個腳本。

WT-ARM9# tftp 100000 /tftpboot/example.img

ARP broadcast 1

TFTP from server 10.0.0.2; our IP address is 10.0.0.99

Filename ‘/tftpboot/TQM860L/example.img’。

Load address： 0x100000

Loading： #

done

Bytes transferred = 221 （dd hex）

WT-ARM9# autoscr 100000

## Executing script at 00100000

Network Configuration：

----------------------

Target：

ipaddr=10.0.0.99

hostname=arm

Server：

serverip=10.0.0.2

rootpath=/nfsroot

WT-ARM9#

◆ 支持WatchDog、LCD logo和狀態(tài)指示功能等。如果系統(tǒng)支持splash screen，U-BOOT啟動時，會把這個圖像顯示到LCD上，給用戶更友好的感覺。

◆ 支持MTD和文件系統(tǒng)。U-BOOT作為一種強(qiáng)大的BootLoader，它不僅支持MTD，而且可以在MTD基礎(chǔ)上實現(xiàn)多種文件系統(tǒng)，比如cramfs、fat和jffs2等。

◆ 支持中斷。由于傳統(tǒng)的BootLoader都分為stage1和stage2，所以在stage2中添加中斷處理服務(wù)十分困難，比如BLOB；而U-BOOT是把兩個部分放到了一起，所以添加中斷服務(wù)程序就很方便。

◆ 詳細(xì)的開發(fā)文檔。由于大多數(shù)BootLoader都是開源項目，所以文檔都不是很充分。U-BOOT的維護(hù)人員意識到了這個問題，充分記錄了開發(fā)文檔，所以它的移植要比BLOB等缺少文檔的BootLoader方便。

2 、對U-BOOT-1.1.0的修改

為了使U-BOOT-1.1.0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)板中選擇一種接近的進(jìn)行修改。由于U-BOOT-1.10不支持ARM-922T內(nèi)核，所以選擇基于ARM-920T內(nèi)核的smdk2400為模板。相關(guān)的源代碼在board/smdk2400/下。

2.1 支持ARM-922T內(nèi)核的代碼修改

修改以下代碼，使U-BOOT支持arm-922t內(nèi)核。

① 在include/目錄下新建文件arm922t.h，內(nèi)容如下：

#ifndef __ARM922T_H__

#define __ARM922T_H__

#endif

② 在include/目錄下新建文件wt-arm9.h，該文件描述了ARM922T中Timer、UART等寄存器的結(jié)構(gòu)及若干宏定義。具體內(nèi)容要參考相關(guān)處理器手冊。

③ 在cpu/目錄下新建目錄arm922t，將目錄arm920t下的內(nèi)容復(fù)制后，參考手冊分別修改cpu.c、interrupts.c和serial.c，其它文件不修改。

2.2 開發(fā)板的支持

建立自己開發(fā)板的目錄和相關(guān)文件。

① 在include/configs目錄中添加頭文件lh7a400.h。這個文件是lh7a400開發(fā)板的配置文件，它包括開發(fā)板的CPU、系統(tǒng)時鐘、RAM、Flash系統(tǒng)及其它相關(guān)的配置信息。其格式可參考include/configs/smdk2400.h。

② 在board/目錄下新建wt-arm9目錄，創(chuàng)建如下文件：flash.c、lhmemsetup.c、wt- arm9.c、Makefile和u-boot.lds。

◆ flash.c。U-BOOT 讀、寫和刪除Flash設(shè)備的源代碼文件。由于不同開發(fā)板中Flash存儲器的種類各不相同，所以，修改flash.c時需參考相應(yīng)的Flash芯片手冊。它包括如下幾個函數(shù)：

unsigned long flash_init （void ），F(xiàn)lash初始化；

void flash_print_info （flash_info_t *info），打印Flash信息；

int flash_erase （flash_info_t *info， int s_first， int s_last），F(xiàn)lash擦除；

volatile static int write_dword （flash_info_t *info， ulong dest， ulong data），F(xiàn)lash寫入；

int write_buff （flash_info_t *info， uchar *src， ulong addr， ulong cnt），從內(nèi)存復(fù)制數(shù)據(jù)。

◆ lhmemsetup.c。初始化時鐘、SMC控制器和SDRAM控制器。

◆ wt-arm9.c。設(shè)置各種總線時鐘，打開數(shù)據(jù)Cache和指令Cache，并設(shè)置相關(guān)內(nèi)存參數(shù)。

◆ Makefile。直接拷貝board/smdk2400/Makefile，作如下修改：

OBJS ：= wt-arm9.o flash.o lhmemsetup.o

◆ u-boot.lds。設(shè)置U-BOOT中各個目標(biāo)文件的連接地址，直接拷貝 board/smdk2400/u-boot.lds，作如下修改：

.text

{

cpu/arm922t/start.o （.text）

*（.text）

}

2.3 添加網(wǎng)口設(shè)備控制程序

在drivers/目錄中添加網(wǎng)口設(shè)備控制程序dm9000.c 和dm9000.h，其中dm9000.c 主要包括以下函數(shù)：

int eth_init （bd_t *bd），初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；

void eth_halt （void），關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；

int eth_send （volatile void *packet，int len），發(fā)送數(shù)據(jù)包；

int eth_rx （void） 接收數(shù)據(jù)包。

用中斷方式處理數(shù)據(jù)包的收發(fā)，因此還定義了另外兩個函數(shù)：

void InitInterrupt （void） ，中斷初始化；

void dm9000_irq （void） ，中斷處理。

以上兩個函數(shù)在cpu/arm922t/interrupts.c中被調(diào)用，最后在drivers/Makefile中加入dm9000.o。

2.4 修改Makefile

在u-boot-1.1.0/Makefile中加入

lh7a400_config ： unconfig

@./mkconfig $（@：_config=） arm arm922t wt-arm9

其中“arm”是CPU的種類， arm922t 是ARM CPU對應(yīng)的代碼目錄，wt-arm9是自己開發(fā)板對應(yīng)的目錄。

交叉編譯器安裝在/opt/arm/3.3/bin/目錄下，所以把CROSS_COMPILE設(shè)置成相應(yīng)的路徑：

export CROSS_COMPILE = /opt/arm/3.3/bin/arm-elf-

2.5 生成目標(biāo)文件

先運(yùn)行make clean，

［zeng@localhost u-boot-1.1.0］$make clean

然后運(yùn)行make lh7a400_config，

［zeng@localhost u-boot-1.1.0］$ make lh7a400_config

Configuring for lh7a400 board.。.

再運(yùn)行make，

［zeng@localhost u-boot-1.1.0］$make

之后會生成三個文件：

u-boot——ELF格式的文件，可以被大多數(shù)Debug程序識別；

u-boot.bin——二進(jìn)制bin文件，純粹的U-BOOT二進(jìn)制執(zhí)行代碼，不保存ELF格式和調(diào)試信息。這個文件一般用于燒錄到用戶開發(fā)板中；

u-boot.srec——Motorola S-Record格式，可以通過串行口下載到開發(fā)板中。

2.6 測 試

通過JTAG口將u-boot.bin燒寫到Flash的零地址，復(fù)位后執(zhí)行u-boot。若運(yùn)行正常，會從串口返回如下信息：

U-Boot 1.1.0 （Aug 21 2004 ？18:44:37）

U-BooT code： C3F80000 -》 C3FA51A0 BSS： -》 C3FA96EC

IRQ Stack： c3f1ff7c

FIQ Stack： c3f1ef7c

RAM Configuration：

Bank #0： c0000000 8 MB

Bank #1： c1000000 8 MB

……

Flash： 32 MB

In： serial

Out： serial

Err： serial

WT-ARM9 #

輸入help得到所有命令列表，help command 列出該命令的功能。緊接著測試Flash和網(wǎng)卡，如果都正常工作的話，表明移植U-BOOT的工作基本完成，可以接著調(diào)試內(nèi)核和文件系統(tǒng)。

結(jié) 語

BootLoader是操作系統(tǒng)和硬件的樞紐，它為操作系統(tǒng)內(nèi)核的啟動提供了必要的條件和參數(shù)。在移植過程中，開發(fā)人員除了要掌握BootLoader的結(jié)構(gòu)和工作流程外，還要對相關(guān)硬件有一定的了解。目前，移植的U-BOOT已經(jīng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行在開發(fā)板上，而且可以通過Flash和網(wǎng)絡(luò)加載內(nèi)核和文件系統(tǒng)，為后續(xù)開發(fā)，特別是驅(qū)動程序的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

責(zé)任編輯：gt