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嵌入式系統一般沒(méi)有通用的bootloader,u-boot是功能強大的bootloader開(kāi)發(fā)軟件,但相對也比較復雜｡文中對u-boot的啟動(dòng)流程作了介紹,詳細給出了u-boot在S3C44B0開(kāi)發(fā)板上的移植方法和步驟｡ 1 Bootloader及u-boot簡(jiǎn)介 Bootloader 代碼是芯片復位后進(jìn)入操作系統之前執行的一段代碼,主要用于完成由硬件啟動(dòng)到操作系統啟動(dòng)的過(guò)渡,從而為操作系統提供基本的運行環(huán)境,如初始化CPU､ 堆棧､存儲器系統等｡Bootloader 代碼與CPU 芯片的內核結構､具體型號､應用系統的配置及使用的操作系統等因素有關(guān),其功能類(lèi)似于PC機的BIOS程序｡由于bootloader和CPU及電路板的配置情況有關(guān),因此不可能有通用的bootloader ,開(kāi)發(fā)時(shí)需要用戶(hù)根據具體情況進(jìn)行移植｡嵌入式Linux系統中常用的bootloader有armboot､redboot､blob､u-boot等,其中u-boot是當前比較流行,功能比較強大的bootloader,可以支持多種體系結構,但相對也比較復雜｡bootloader的實(shí)現依賴(lài)于CPU的體系結構,大多數bootloader都分為stage 1和stage 2兩大部分｡Bootloader的基本原理見(jiàn)參考文獻｡ u-boot是sourceforge網(wǎng)站上的一個(gè)開(kāi)放源代碼的項目｡它可對 PowerPC MPC5xx､MPC8xx､MPC82xx､ MPC7xx､MPC74xx ､ARM(ARM7､ARM9､StrongARM､Xscale)､MIPS(4kc､5kc)､X86等處理器提供支持,支持的嵌入式操作系統有Linux､Vx-Works､NetBSD､QNX､RTEMS､ARTOS､LynxOS等,主要用來(lái)開(kāi)發(fā)嵌入式系統初始化代碼bootloader｡軟件的主站點(diǎn)是http://sourceforge.net/projects/ u-boot｡u-boot 最初是由denx www.denx.de 的PPC-boot發(fā)展而來(lái)的,它對PowerPC系列處理器的支持最完善,對Linux 操作系統的支持最好｡源代碼開(kāi)放的u-boot軟件項目經(jīng)常更新,是學(xué)習硬件底層代碼開(kāi)發(fā)的很好樣例｡ 2 u-boot系統啟動(dòng)流程 大多數bootloader都分為stage1和stage2兩大部分,u-boot也不例外｡依賴(lài)于CPU體系結構的代碼(如設備初始化代碼等)通常都放在stage1且可以用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現,而stage2則通常用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現,這樣可以實(shí)現復雜的功能,而且有更好的可讀性和移植性｡ 2.1 stage1 (start.s代碼結構) u-boot的stage1代碼通常放在start.s文件中,它用匯編語(yǔ)言寫(xiě)成,其主要代碼部分如下: (1) 定義入口 ｡由于一個(gè)可執行的Image必須有一個(gè)入口點(diǎn),并且只能有一個(gè)全局入口,通常這個(gè)入口放在ROM(Flash)的0x0地址,因此,必須通知編譯器以使其知道這個(gè)入口,該工作可通過(guò)修改連接器腳本來(lái)完成｡ (2)設置異常向量(Exception Vector)｡ (3)設置CPU的速度､時(shí)鐘頻率及中斷控制寄存器｡ (4)初始化內存控制器 ｡ (5)將ROM中的程序復制到RAM中｡ (6)初始化堆棧 ｡ (7)轉到RAM中執行,該工作可使用指令ldr pc來(lái)完成｡ 2.2 stage2 C語(yǔ)言代碼部分 lib arm/board.c中的start armboot是C語(yǔ)言開(kāi)始的函數,也是整個(gè)啟動(dòng)代碼中C語(yǔ)言的主函數,同時(shí)還是整個(gè)u-boot(armboot)的主函數,該函數主要完成如下操作: (1)調用一系列的初始化函數｡ (2)初始化Flash設備｡ (3)初始化系統內存分配函數｡ (4)如果目標系統擁有NAND設備,則初始化NAND設備｡ (5)如果目標系統有顯示設備,則初始化該類(lèi)設備｡ (6)初始化相關(guān)網(wǎng)絡(luò )設備,填寫(xiě)IP､MAC地址等｡ (7)進(jìn)入命令循環(huán)(即整個(gè)boot的工作循環(huán)),接受用戶(hù)從串口輸入的命令,然后進(jìn)行相應的工作｡ 3 移植實(shí)例 本系統開(kāi)發(fā)板主要由S3C44B0X嵌入式微處理器､2MB的Flash (SST39VF160)､8MB的SDRAM(HY57V641620)､4個(gè)LED以及ARM JTAG接口組成｡該開(kāi)發(fā)板上與S3C44B0X相關(guān)部分的功能框圖如圖1所示｡ 3.1 u-boot文件下載 u-boot文件的下載有兩種方法,第一種是在Linux環(huán)境下通過(guò)CVS下載最新的文件,方法是: $cvs-d?pserver?anonymous@cvs.sourceforge. net?/cvsroot/u-boot login 當要求輸入匿名登錄的密碼時(shí),可直接按回車(chē)鍵 $cvs-z6-d?pserver?anonymous@cvs.source forge.net?/cvsroot/u-boot\co.P modulename 第二種是通過(guò)ftp?//ftp.denx.de/pub/u-boot/ 下載正式發(fā)布的壓縮文件｡ 3.2 u-boot文件的結構 初次下載的文件有很多,解壓后存放在u-boot文件目錄下,具體內容已在readme文件中做了詳細的介紹,其中與移植相關(guān)的主要文件夾有: (1)CPU 它的每個(gè)子文件夾里都有如下文件: makefile config.mk cpu.c 和處理器相關(guān)的代碼 interrupts.c 中斷處理代碼 serial.c 串口初始化代碼 start.s 全局開(kāi)始啟動(dòng)代碼 (2)BOARD 它的每個(gè)子文件夾里都有如下文件: makefile config.mk smdk2410.c 和板子相關(guān)的代碼(以smdk2410為例) flash.c Flash操作代碼 memsetup.s 初始化SDRAM代碼 u-boot.lds 對應的連接文件 (3)lib arm 體系結構下的相關(guān)實(shí)現代碼,比如memcpy等的匯編語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現｡ 3.3 交叉編譯環(huán)境的建立 要得到下載到目標板的u-boot二進(jìn)制啟動(dòng)代碼,還需要對下載的u-boot1.1.1進(jìn)行編譯｡u-boot的編譯一般在Linux系統下進(jìn)行,可用ARM-LIN-UX-GCC進(jìn)行編譯｡一步一步建立交叉編譯環(huán)境通常比較復雜,最簡(jiǎn)單的方法是使用別人編譯好的交叉編譯工具,方法如下: (1)在http://handhelds.org/download/toolchain下載 arm-Linux-gcc-3.3.2.tar.bz2 (2)以用戶(hù)名root登錄,將arm-linux-gcc-3.3.2.tar.bz2 解壓到 /root目錄下 # tar jxvf arm-linux-gcc-3.3.2.tar.bz2 (3)在http://handhelds.org/download/toolchain下載 arm-linux-toolchain-post-2.2.13.tar.gz 只是用了它的頭文件而已,主要來(lái)自?xún)群?linux-x.x/include下 (4)將arm-linux-toolchain-post-2.2. 13.tar.gz 解壓到 /skiff/local/ 下 # tar zxvf arm-linux-toolchain-post-2.2.13.tar.gz (5)拷貝頭文件到/root/usr/3.3.2/arm-linux/ 下然后刪除 /skiff # cp -dR /skiff/local/arm-linux/include /root/usr/3.3.2/arm-linux # rm -fr /skiff 這樣就建立了arm linux 交叉編譯環(huán)境｡ (6)增加/root/usr/local/arm/3.3.2/bin到路徑環(huán)境變量 path=$path:/root/usr/local/arm/3.3.2/bin 可以檢查路徑變量是否設置正確｡# echo $path 3.4 移植的預先編譯 移植u-boot到新的開(kāi)發(fā)板上僅需要修改與硬件相關(guān)的部分即可｡主要包括兩個(gè)層面的移植,第一層是針對CPU的移植,第二層是針對BOARD的移植｡由于u-boot 1.1.1里面已經(jīng)包含S3C44B0的移植,所以筆者對板子myboard的移植主要是針對BOARD的移植｡移植之前需要仔細閱讀u-boot目錄下的readme文件,其中對如何移植做了簡(jiǎn)要的介紹｡為了減少移植的工作量,可以在include/config目錄下選一個(gè)和要移植的硬件相似的開(kāi)發(fā)板,筆者選的是b2開(kāi)發(fā)板｡具體步驟如下: (1)u-boot 1.1.1 下的CPU文件夾里已經(jīng)包括了S3C44B0的目錄,其下已經(jīng)有start.s?interrupts.c以及 cpu.c?serial.c幾個(gè)文件,因而不需要建立與CPU相關(guān)的目錄｡ (2)在board目錄下創(chuàng )建myboard目錄以及my-board.c､flash.c､memsetup.s和u-boot.lds 等文件｡不需要從零開(kāi)始創(chuàng )建,只需選擇一個(gè)相似的目錄直接復制過(guò)來(lái),然后修改文件名及內容即可｡筆者在移植u-boot過(guò)程中選擇的是u-boot 1.1.1/board/dave/B2目錄｡ (3)在include/configs目錄下添加myboard.h,在這里可放入全局的宏定義等?也不需要從頭創(chuàng )建,可以在include/configs目錄下尋找相似的CPU的頭文件進(jìn)行復制,這里筆者用的是B2.h文件來(lái)進(jìn)行相關(guān)的修改｡ (4) 對u-boot根目錄下的makefile文件進(jìn)行修改,加入 myboard_config : unconfig @./mkconfig $(@:_config=)arm S3C44B0 myboard (5) 修改u-boot根目錄下的makefile文件,加入對板子的申明｡然后在makefile 中加入myboard､LIST ARM7=″B2 ep7312 impa7 myboard″｡ (6)運行make clobber,刪除錯誤的depend文件｡ (7)運行make myboard config｡ (8)執行到此處即表示整個(gè)軟件的makefile已建立,這時(shí)可修改生成的makefile中的交叉編譯選項,然后打開(kāi)makefile 文件,并找到其中的語(yǔ)句: ifeq($(ARCH),arm) CROSS_COMPILE=arm-linux- end if 接著(zhù)將其改成 ifeq($(ARCH),arm) CROSS COMPILE=/root/usr/local/3.3.2/bin/arm-linux- end if 這一步和上面的設置環(huán)境變量只要有一個(gè)就可以了｡ 執行make,報告有一個(gè)錯誤,修改myboard/flash.c中的#include ″../common/flash.c＂為＂u-boot/board/dave/common/flash.c″,重新編譯即可通過(guò)｡ 4 移植時(shí)的具體修改要點(diǎn) 若預先編譯沒(méi)有錯誤就可以開(kāi)始硬件相關(guān)代碼的移植,首先必須要對移植的硬件有清楚地了解,如CPU､CPU的控制寄存器及啟動(dòng)各階段程序在Flash SDRAM中的布局等｡ 筆者在移植過(guò)程中先修改/include/config /my-board.h頭文件中的大部分參數(大部分的宏定義都在這里設置),然后按照u-boot的啟動(dòng)流程逐步修改｡修改時(shí)應熟悉ARM匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言,同時(shí)也應對u-boot啟動(dòng)流程代碼有深入的了解｡B2板的CPU頻率為75MHz､Flash為4Mbit､SDRAM為16Mbit､串口波特率為115200bit/s､環(huán)境變量放在EEPROM中｡根據兩個(gè)開(kāi)發(fā)板的不同,需要修改的有:CPU的頻率､Flash和SDRAM容量的大小､環(huán)境變量的位置等｡由于參考板已經(jīng)有了大部分的代碼,因此只需要針對myboard進(jìn)行相應的修改就可以了｡與之相關(guān)的文件有/include/config /myboard.h(大部分的宏定義都在這里設置)､/board/myboard/flash.c Flash的驅動(dòng)序 ､/board/myboard /myboard.c(SDRAM的驅動(dòng)程序)､/CPU/S3C44B0/serial.c(串口的驅動(dòng)使能部分)等｡ /include/config /myboard.h是全局宏定義的地方,主要的修改有: 將#define CONFIG S3C44B0 CLOCK SPEED 75改為 #define CONFIG S3C44B0 CLOCK SPEED 64; 將 #define PHYS SDRAM 1 SIZE 0x01000000 /* 16 MB */ 改為 #define PHYS SDRAM 1 SIZE 0x00800000 /* 8 MB */; 將 #define PHYS FLASH SIZE 0x00400000 /* 4 MB*改為 #define PHYS FLASH SIZE 0x00200000 /* 2 MB */; 將 #define CFG MAX FLASH SECT 256 /* max number of sectors on one chip */改為 #define CFG MAX FLASH SECT 35 ; 將 #define CFG ENV IS IN EEPROM 1 /* use EEPROM for environment vars*/改為 #define CFG ENV IS IN FLASH 1 其它(如堆棧的大小等)可根據需要修改｡ 由于Flash､SDRAM的容量會(huì )發(fā)生變化,故應對啟動(dòng)階段程序在Flash､SDRAM中的位置重新作出安排｡筆者將Flash中的u-boot代碼放在0x0開(kāi)始的地方,而將復制到SDRAM中的u-boot代碼安排在0xc700000開(kāi)始的地方｡ Flash的修改不僅和容量有關(guān),還和具體型號有關(guān),Flash存儲器的燒寫(xiě)和擦除一般不具有通用性,應查看廠(chǎng)家的使用說(shuō)明書(shū),針對不同型號的存儲器作出相應的修改｡修改過(guò)程中,需要了解Flash擦寫(xiě)特定寄存器的寫(xiě)入地址､數據命令以及扇區的大小和位置,以便進(jìn)行正確的設置｡ SDRAM要修改的地方主要是初始化內存控制器部分,由start.s文件中的 cpu init crit完成CPU cache的設置,并由 board/myboard/memsetup.s中的memsetup完成初始化SDRAM｡S3C44B0提供有SDRAM控制器,與一些CPU需要UPM表編程相比,它只需進(jìn)行相關(guān)寄存器的設置修改即可,因而降低了開(kāi)發(fā)的難度｡ 串口波特率不需要修改(都是115200bit/s),直接用B2板的串口驅動(dòng)即可｡串口的設置主要包括初始化串口部分,值得注意的是:串口的波特率與時(shí)鐘MCLK有很大關(guān)系,詳見(jiàn)CPU用戶(hù)手冊｡ 配置好以后,便可以重新編譯u-boot代碼｡將得到的u-boot.bin通過(guò)JTAG口下載到目標板后,如果能從串口輸出正確的啟動(dòng)信息,就表明移植基本成功｡實(shí)際過(guò)程中會(huì )由于考慮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驅動(dòng)等),在此基礎上添加功能相對比較容易｡ 5 結束語(yǔ) u-boot是一個(gè)功能強大的bootloader開(kāi)發(fā)軟件,適用的CPU平臺及支持的嵌入式操作系統很多｡本文是筆者在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中根據相關(guān)資料進(jìn)行摸索,并在成功移植了u-boot的基礎上總結出來(lái)的｡對于不同的CPU和開(kāi)發(fā)板,其基本的方法和步驟是相同的,希望能對相關(guān)嵌入式系統的設計人員有所幫助｡ |
