樱舞抽油烟机:U-BOOT的启动流程及移植

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stage１和stage２两大部分。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、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。

 

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0x00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ldrpc来完成。2.2 stage2 C语言代码部分
Libarm/board.c中的startarmboot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文件的结构

(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)libarm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-boot进行编译。u-boot.的编译一般在Linux系统下进行，可用ARM-LINUX-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）下载 arm-linux-gcc-3.3.3.tar.bz2（２）以用户名root登录，将arm-linux-gcc-3.3.3.tar.bz2解压到/root目录下            ＃ tar jxvf arm-linux-gcc-3.3.3.tar.bz2（３）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 -rf /skill            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，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／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 clean，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($(ARCH),arm)               CROSS_COMPILE=arm-linux-            endif
            接着将其改成            ifeq($(ARCH),arm)               CROSS_COMPILE=/root/usr/local/3.3.3/bin/arm-linux-            endif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/commom/falsh",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4Mbits、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：
#define CONFIG S3C44B0_CLOCK_SPEED 75改为#define CONFIG S3C44B0_CLOCK_SPEED 64 #define PHYS_SDRAM_SIZE 0x01000000   //16MB 改为#define PHYS_SDRAM_SIZE 0x00800000   //8MB #define PHYS_FLASH_SIZE 0x00400000   //4MB 改为#define PHYS_FLASH_SIZE 0x00200000   //2MB #define CFG_MAX_FLASH_SECT 256  //ｍａｘ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓｅｃｔｏｒｓ ｏｎ ｏｎｅ ｃｈｉｐ 改为
#define CFG_MAX_FLASH_SECT 256  #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0x00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 ini tcrit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。