U-Boot在基于BF561的嵌入式Linux系统上的移植

1  引言
    嵌入式Linux系统常用的Boot Loader有arm-boot、redboot、U-Boot等。U-Boot (全称Universal Boot Loader)是当前比较流行的遵循GPL条件的开放源码项目。U-Boot具有源码公开的特点，开发人员可根据自身需要进行裁减；支持多种处理器和嵌入式操作系统内核；具有多种设备驱动源码：支持多种引导方式；具有功能强大且成熟、稳定等诸多优点。在嵌入式系统开发过程中广泛采用。U-Boot严重依赖于底层硬件，不同的CPU或嵌入式板及设备需要不同的U-Boot，因此，在嵌入式系统中建立通用的U-Boot是非常困难的，故U-Boot需针对开发版本量身定做。
2  开发平台
    系统的开发板硬件系统如图1所示。
 

图1　BF561开发板
    目标板以Blackfin嵌入式处理器BF561为核心，数据地址线复用到SDRAM、 Flash、USB、Ethernet，并通过FPGA实现逻辑控制。此外，将UART端口转换为RS232端口引出。其中SDRAM的地址为 0x00000000～0x02000000，Flash的地址为0x20000000～0x20300000。宿主机采用Window和 Suse10.0双操作系统，采用串行接口和以太网连接宿主机和目标板，程序先在宿主机上编译，然后下载至目标板上运行，目标板的终端被重定向到串行接口，由宿主机输出。
    开发环境的建立步骤如下：
    ⑴在宿主机上设置终端：大部分嵌入式系统在宿主机上大多都采用kermit或minaicom实现与目标板的通信，本系统采用inicom。minicom是Linux下一个类似于Windows超级终端的友好串口通信程序。在终端输入 bash#minicom-s进入minicom设置画面，设置串口波特率、有效数据位、停止位以及奇偶校验位分别为57600、8 bit、1位停止位以及无奇偶校验位等。
    ⑵安装交叉编译器：交叉编译是在一个架构下编译另外一个架构的目标文件。要从http：//blackfin.uclinux.org网站上下载Blackfin ToolChain，然后安装并修改环境变量PATH，使其包含ToolChain的安装目录。
bash# rpm–Uvh blackfin-toolchain-06r1-4.i386.rpm
bash$ export PATH=$PATH：/opt/uClinux/bfin-uclinux/ bin
在U-Boot-1.1.3/Makefile下可以看到选择交叉编译器为bfin-uclinux-gcc。
ifeq($(ARCH)，blackfin)
       CROSS_COMPILE = bfin-uclinux-gcc
3　U-Boot启动两阶段
    U-Boot代码一般分为stage1和stage2两大部分。stage1依赖于CPU体系结构如设备初始化代码，常用汇编语言编写以达到短小精悍，提高系统运行效率的目的。它主要包括cpu/bf561目录下的start.s。stage2一般采用C语言编写实现复杂功能，这样代码则具有更好的可读性和可移植性，主要包括lib blackfin/board.c文件和common/main.c文件中main_loop函数。
    stagel从CPU入口函数cpu/bf561/start.s开始，通常包含以下步骤，
    (1)基本硬件的初始化，为随后执行kernel准备好基本的硬件环境。包括：屏蔽所有中断，引导装载程序的执行过程中不必执行任何中断，中断屏蔽可通过写CPU的中断屏蔽寄存器或状态寄存器实现；设置CPU的速度和时钟频率，初始化pll；RAM初始化，初始化内存控制器的各个寄存器；初始化UART，向串口打印U-Boot的字符信息；关闭CPU内部指令，数据cache。
    (2) 为加载U-Boot的stage2准备RAM空间，通常将stage2置于整个RAM空间的最顶层1MB空间。
    (3)拷贝U-Boot的stage2到RAM。判断是否是Flash运行，如果是就将stage2的代码拷贝到TEXT BASE处。将stage2安排到RAM空间的最顶层1MB是较推荐的方法。
    (4)设置堆栈指针sp为C语言代码执行做好准备。
    (5)跳转到stage2的C语言代码入口点。
    stage2主要包括lib-blackfin/board.c中board_init_f、board_init_r函数以及common/main.C中main_loop函数。通常包含以下步骤：
    (1) 初始化此阶段需用的硬件设备，由board_init_f和board_init_r函数实现。
void board_init_f(ulong bootflag)
{……………
      init_IRQ()；          //初始化中断
      init_baudrate()；      //设置串口波特率
      serial_init()；         //设置串口工作方式
}
void board_init_r(gd_t*id，ulong dest_addr)
{……………
      size = flash_init()；    //Flash 初始化……………
      for (；；)
         {main_loop()；    //设置延时时间，确定目标板是进入下载模式还是启动加载模式
}
}
    (2)内存映射检测。
    (3)加载内核并为内核设置启动参数。
    (4)调用内核。
4　U-BOOT的移植
4.1  U-Boot方法与要点
    移植U-Boot简便的方法是从U-Boot支持的开发板中选择一个与其目标板接近的开发板进行修改。需修改的是与硬件相关的部分，涉及到两个层面：针对CPU的移植，由于U-Boot_1.1.3支持BF561，故只需做第二层面的移植：针对目标板硬件的移植。在移植前，需仔细阅读U-Boot/readme文件，该文件对目录结构和如何移植作了简要介绍。从移植U-Boot的最小要求、U- Boot能够正常启动的角度出发，选择BF561的STAMP板为模板，相关源代码在/board/stamp目录下，结合U-Boot的启动流程，主要修改文件如下：
    (1)与目标板相关的代码部分：在board下创建mybf561目录，无需从头开始，参考与目标板相似的STAMP板在mybf561目录下创建mybf561.c、mybf561.h、flash.c、config.mk、Makefie等文件。需要修改/board/mybf561/config.mk：
TEXT_BASE = 0x01FC0000
PLATFORM_CPPFLAGS += - I$(TOPDIR)

TFEXT_BASE用于设置程序编译链接的起始地址即将U-Boot的stage2拷贝到SDRAM的TEXT_BASE处，即SDRAM最顶层一段存储区。修改board/mybf561/Makefile：
include $(TOPDIR)/config.mk
LIB= lib$(BOARD).a             # 选择库文件
OBJS=$(BOARD).o mybf561.o     # 目标文件
    (2)与CPU相关的代码部分：U-Boot_1.1.3/epu文件中含有BF561的目录，其中包含start.s、cpu.c、cpu.h、interrupt.c、init_sdram.s等。故不需要建立与cpu相关的文件目录。
    (3)与头文件相关的代码：在include/configs创建mybf561.h，参考include/configs/stamp.h，如下：
#define CONFIG_MYBF561 1
#define CONFIG_CLKIN_HZ 1000000   // 输入时钟
#define CONFIG_PLL_BYPASS 0       // 使用锁相环
    与Flash 相关设置：
#define CFG_FLASH_BASE 0x20000000    // Flash起始地址
#define CFG_MAX_FLASH_BANKS 1     // max number of memory banks
#define CFG_MAX_FLASH_SECT 67      // max number of sector on one chip
#define CFG_ENV_ADDR 0x20004000     // 环境变量保存地址
#define CFG_ENV_OFFSET   (CFG_ENV_ADDR-CFG_FLASH_BASE)
#define CFG_ENV_SIZE          0x2000
#define CFG_ENV_SECT_SIZE    0x2000
    Flash的修改与具体型号和容量有关，修改过程中参考Flash擦除数据命令、特定寄存器的写入地址以及扇区的大小和位置。
与SDRAM相关设置：
# define CONFIG_MEM_SIZE 32    // 128，64，32，16
# define CONFIG_MEM_ADD_WDTH   // 8，9，10，11
# define CONFIG_MEM_MT48LC64M4A2FB_7E 1
# define CFG_MEMTEST_START 0x00000000  
// memtest works on
# if (CONFIG_MEM_SIZE == 32)
# define CFG_MAX_RAM_SIZE 0x02000000
# define CFG_MEMTEST_END 0x01F7FFFF   
// 1…31.5MB in DRAM
# define CFG_LOAD_ADDR 0x01000000
//default load
    最后一行要用Tab键开头表示命令。其中blackfin表示CPU的种类。bf561是cpu bf561对应的代码目录，mybf561是目标板对应的目录。这样可使用make mybf561_config配置自身的开发板。
    其他修改视情况而定。如根据SDRAM大小修改cplb表，根据需要修改堆栈大小。如drivers/cfi_flash.c中flash_init()函数，cpu/bf561/ints.c中init_IRQ()函数等。
    修改完毕后就可以采用以下命令编译U-Boot：bash＄>make clean，bash＄>make mrproper，bash＄>make mybf561_ config，bash＄>make。
    编译完后U-Boot_1.1.3生成U-Boot的二进制文件U-Boot.bin(U- Boot.bin只能用于更新)。执行bash＄>bfin-uclinux-objcopy-I binary-Oihex U-Boot.bin，生成可在Windows下首次烧写到Flash的十六进制文件U-Boot.hex。
4.2  U-Boot的烧写
    下载U-Boot到目标板，或者当U-Boot不能正常启动时，必须通过JTAG或者ADI ICE将U-Boot下载到目标板。在此可将ADI公司的仿真器与Visual DSP++环境相连，通过Visual DSP++，在TOOLS-->Flash Programmer下执行Flash驱动程序M25P64.dxe，选择"Erase all"-->Load Flie烧写U-Boot.hex文件到Flash中。
    移植成功后，打开终端minicom复位开发板，若串口能输出正确的启动信息．则表明移植基本成功。启动后，如果在设定的时间内，串口没有接收到按键。U-Boot将自动加载操作系统内核和文件系统。若设定时间内串口接收到按键，则U-Boot停止自动加载，进入命令行，可看到U-Boot的提示符"mybf561>"，查看Flash信息，调试或手动加载内核。
    生成新的U-Boot.bin文件后。可通过Ethernet或者串口更新U-Boot。因为网络的传输速度远比串口快，故一般选择网络传输。将新生成的U-Boot.bin拷贝到宿主机根目录下的tftpboot目录(前提是已经创建tftp sever)，在目标板出现U-Boot提示符后。按任意键进入下载模式：
    mybf561>tftp 0x1000000 U-Boot.bin
    0x1000000为SDRAM默认的下载地址空间，用于U-Boot的升级、调试。当需要升级或者修改U-Boot，可将新的U-Boot从SDRAM烧写到Flash，覆盖原来的U-Boot，以减少烧写Flash的次数。在烧写以前最好测试一下所下载的U-Boot能否正常运行：
    Mybf561>go 0x1000000
    如果运行正常就可将U-Boot写到Flash中：
    mybf561>protect off all
    mybf561>erase all
#可只擦除部分扇区
    检验写入Flash中的内容是否正确：
    mybf561>cp.b 0x1000000 0x20000000  $(filesize)
    mybf561>cmp.b 0x1000000 0x20000000  $(filesize)
    如果不正确，应重复执行Erase all 和Copy 命令，直到正确为止。至此，U-Boot移植的步骤基本完成。
5　结束语
    U-Boot是一个功能强大的Boot loader。前期移植工作是嵌入式系统开发的首要环节。嵌入式开发人员应该在了解U-Boot的工作机理、移植条件后，根据目标板和具体情况灵活裁减U -Boot以提高操作系统移植的稳定性，缩短移植周期，降低产品成本，为后续开发奠定了良好的基础。