11U-BOOT的启动流程及移植
摘要：嵌入式系统一般没有通用的bootloader,u-boot是功能强大的bootloader开发软件，但相对也比较复杂。文中对u-boot的启动流程作了介绍，详细给出了u-boot在S3C44B0开发板上的移植方法和步骤。
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ｓｔａｇｅ １和ｓｔａｇｅ ２两大部分。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 ＰｏｗｅｒＰＣＭＰＣ５ｘｘ、ＭＰＣ８ｘｘ、ＭＰＣ８２ｘｘ、 ＭＰＣ７ｘｘ、ＭＰＣ７４ｘｘ、ＡＲＭ（ＡＲＭ７、ＡＲＭ９、ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ、Ｘｓｃａｌｅ）、ＭＩＰＳ（４ｋｃ、５ｋｃ）、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。软件的主站点是ｈｔｔｐ／／ｓｏｕｒｃｅｆｏｒｇｅ．ｎｅｔ／ｐｒｏｊｅｃｔｓ／ ｕ－ｂｏｏｔ。ｕ－ｂｏｏｔ 最初是由ｄｅｎｘｗｗｗ．ｄｅｎｘ．ｄｅ的ＰＰＣ-ｂｏｏｔ发展而来的，它对ＰｏｗｅｒＰＣ系列处理器的支持最完善，对Ｌｉｎｕｘ 操作系统的支持最好。源代码开放的ｕ－ｂｏｏｔ软件项目经常更新，是学习硬件底层代码开发的很好样例。
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０ｘ０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ｌｄｒ ｐｃ来完成。 ２．２ ｓｔａｇｅ２Ｃ语言代码部分 ｌｉｂ ａｒｍ／ｂｏａｒｄ．ｃ中的ｓｔａｒｔ ａｒｍｂｏｏｔ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文件下载
ｕ－ｂｏｏｔ文件的下载有两种方法,第一种是在Ｌｉｎｕｘ环境下通过ＣＶＳ下载最新的文件，方法是： ＄ｃｖｓ－ｄｐｓｅｒｖｅｒａｎｏｎｙｍｏｕｓ＠ｃｖｓ．ｓｏｕｒｃｅｆｏｒｇｅ． ｎｅｔ／ｃｖｓｒｏｏｔ／ｕ－ｂｏｏｔ ｌｏｇｉｎ 当要求输入匿名登录的密码时，可直接按回车键 ＄ｃｖｓ－ｚ６－ｄｐｓｅｒｖｅｒａｎｏｎｙｍｏｕｓ＠ｃｖｓ．ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒｇｅ．ｎｅｔ／ｃｖｓｒｏｏｔ／ｕ－ｂｏｏｔ＼ｃｏ．Ｐ ｍｏｄｕｌｅｎａｍｅ 第二种是通过ｆｔｐ／／ｆｔｐ．ｄｅｎｘ．ｄｅ／ｐｕｂ／ｕ－ｂｏｏｔ／ 下载正式发布的压缩文件。
３．２ ｕ－ｂｏｏｔ文件的结构 初次下载的文件有很多，解压后存放在ｕ－ｂｏｏｔ文件目录下，具体内容已在ｒｅａｄｍｅ文件中做了详细的介绍，其中与移植相关的主要文件夹有： （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）ｌｉｂ ａｒｍ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－ｂｏｏｔ１．１．１进行编译。ｕ－ｂｏｏｔ的编译一般在Ｌｉｎｕｘ系统下进行，可用ＡＲＭ－ＬＩＮ-ＵＸ－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）在ｈｔｔｐ／／ｈａｎｄｈｅｌｄｓ．ｏｒｇ／ｄｏｗｎｌｏａｄ／ｔｏｏｌｃｈａｉｎ下载 ａｒｍ－Ｌｉｎｕｘ－ｇｃｃ－３．３．２．ｔａｒ．ｂｚ２
（２）以用户名ｒｏｏｔ登录，将ａｒｍ－ｌｉｎｕｘ－ｇｃｃ－３．３．２．ｔａｒ．ｂｚ２ 解压到 ／ｒｏｏｔ目录下
＃ ｔａｒ ｊｘｖｆ ａｒｍ－ｌｉｎｕｘ－ｇｃｃ－３．３．２．ｔａｒ．ｂｚ２
（３）在ｈｔｔｐ／／ｈａｎｄｈｅｌｄｓ．ｏｒｇ／ｄｏｗｎｌｏａｄ／ｔｏｏｌｃｈａｉｎ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 －ｆｒ ／ｓｋｉｆｆ
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 １．１．１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文件，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 １．１．１ 下的ＣＰＵ文件夹里已经包括了Ｓ３Ｃ４４Ｂ０的目录，其下已经有ｓｔａｒｔ．ｓｉｎｔｅｒｒｕｐｔｓ．ｃ以及 ｃｐｕ．ｃｓｅｒｉａｌ．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 １．１．１／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 ｃｌｏｂｂｅｒ，删除错误的ｄｅｐｅｎｄ文件。
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