嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境的搭建之U-Boot移植解析

1．概念
　　簡(jiǎn)單地說(shuō)，Bootloader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段程序，它類似于PC機(jī)中的BIOS程序。通過(guò)這段程序，可以完成硬件設(shè)備的初始化，并建立內(nèi)存空間的映射關(guān)系，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，為最終加載系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備。
　　通常，Bootloader比較依賴于硬件平臺(tái)，特別是在嵌入式系統(tǒng)中，更為如此。因此，在嵌入式世界里建立一個(gè)通用的Bootloader是一件比較困難的事情。盡管如此，仍然可以對(duì)Bootloader歸納出一些通用的概念來(lái)指導(dǎo)面向用戶定制的Bootloader設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
　　（1）Bootloader所支持的CPU和嵌入式開發(fā)板。
　　每種不同的CPU體系結(jié)構(gòu)都有不同的Bootloader。有些Bootloader也支持多種體系結(jié)構(gòu)的CPU，如后面要介紹的U-Boot支持ARM、MIPS、PowerPC等眾多體系結(jié)構(gòu)。除了依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)外，Bootloader實(shí)際上也依賴于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置。
　?。?）Bootloader的存儲(chǔ)位置。
　　系統(tǒng)加電或復(fù)位后，所有的CPU通常都從某個(gè)由CPU制造商預(yù)先安排的地址上取指令。而基于CPU構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)通常都有某種類型的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備（比如ROM、EEPROM或Flash等）被映射到這個(gè)預(yù)先安排的地址上。因此在系統(tǒng)加電后，CPU將首先執(zhí)行Bootloader程序。
　?。?）Bootloader的啟動(dòng)過(guò)程分為單階段和多階段兩種。通常多階段的Bootloader能提供更為復(fù)雜的功能，以及更好的可移植性。
　?。?）Bootloader的操作模式。大多數(shù)Bootloader都包含兩種不同的操作模式：“啟動(dòng)加載”模式和“下載”模式，這種區(qū)別僅對(duì)于開發(fā)人員才有意義。
　　n 啟動(dòng)加載模式：這種模式也稱為“自主”模式。也就是Bootloader從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運(yùn)行，整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有用戶的介入。這種模式是嵌入式產(chǎn)品發(fā)布時(shí)的通用模式。
　　n 下載模式：在這種模式下，目標(biāo)機(jī)上的Bootloader將通過(guò)串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機(jī)（Host）下載文件，比如：下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等。從主機(jī)下載的文件通常首先被Bootloader保存到目標(biāo)機(jī)的RAM中，然后再被Bootloader寫入到目標(biāo)機(jī)上的Flash類固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中。Bootloader的這種模式在系統(tǒng)更新時(shí)使用。工作于這種模式下的Bootloader通常都會(huì)向它的終端用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單的命令行接口。
　　（5）Bootloader與主機(jī)之間進(jìn)行文件傳輸所用的通信設(shè)備及協(xié)議，最常見(jiàn)的情況就是，目標(biāo)機(jī)上的Bootloader通過(guò)串口與主機(jī)之間進(jìn)行文件傳輸，傳輸協(xié)議通常是xmodem/ ymodem/zmodem等。但是，串口傳輸?shù)乃俣仁怯邢薜?，因此通過(guò)以太網(wǎng)連接并借助TFTP等協(xié)議來(lái)下載文件是個(gè)更好的選擇。
　　2．Bootloader啟動(dòng)流程
　　Bootloader的啟動(dòng)流程一般分為兩個(gè)階段：stage1和stage2，下面分別對(duì)這兩個(gè)階段進(jìn)行講解。
　　（1）Bootloader的stage1。
　　在stage1中Bootloader主要完成以下工作。
　　n 基本的硬件初始化，包括屏蔽所有的中斷、設(shè)置CPU的速度和時(shí)鐘頻率、RAM初始化、初始化外圍設(shè)備、關(guān)閉CPU內(nèi)部指令和數(shù)據(jù)cache等。
　　n 為加載stage2準(zhǔn)備RAM空間，通常為了獲得更快的執(zhí)行速度，通常把stage2加載到RAM空間中來(lái)執(zhí)行，因此必須為加載Bootloader的stage2準(zhǔn)備好一段可用的RAM空間。
　　n 復(fù)制stage2到RAM中，在這里要確定兩點(diǎn)：①stage2的可執(zhí)行映像在固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備的存放起始地址和終止地址；②RAM空間的起始地址。
　　n 設(shè)置堆棧指針sp，這是為執(zhí)行stage2的C語(yǔ)言代碼做好準(zhǔn)備。
　?。?）Bootloader的stage2。
　　在stage2中Bootloader主要完成以下工作。
　　n 用匯編語(yǔ)言跳轉(zhuǎn)到main入口函數(shù)。
　　由于stage2的代碼通常用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，目的是實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能和取得更好的代碼可讀性和可移植性。但是與普通C語(yǔ)言應(yīng)用程序不同的是，在編譯和鏈接Bootloader這樣的程序時(shí)，不能使用glibc庫(kù)中的任何支持函數(shù)。
　　n 初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備，包括初始化串口、初始化計(jì)時(shí)器等。在初始化這些設(shè)備之前可以輸出一些打印信息。
　　n 檢測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)存映射，所謂內(nèi)存映射就是指在整個(gè)4GB物理地址空間中指出哪些地址范圍被分配用來(lái)尋址系統(tǒng)的內(nèi)存。
　　n 加載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像，這里包括規(guī)劃內(nèi)存占用的布局和從Flash上復(fù)制數(shù)據(jù)。
　　n 設(shè)置內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)。