用U-BOOT构建嵌入式系统的引导装载程序

引 言：

　　本文以U-BOOT为例，介绍了如何在ARM9开发板上移植BootLoader的过程。LH7A400学习板是旋极公司推出的一款高性能嵌入式开发板，其采用的处理器LH7A400是Sharp公司生产的一款基于ARM922T内核的32位RISC芯片。该芯片集成了高性能的32位RISC处理器核ARM922T(运算速度200MHz，总线速度100MHz) ，能使处理速度达到每秒220百万条指令(MIPS)，能耗为1.33mW/MIPS，可以在低电压状态下工作(核心1.8V，输入/输出3.3 V)，片内带有锁相回路(PLL)和低能耗核心。此外该芯片还包括: 16KB 高速缓存(Cache)， 存储器管理单元(MMU)， 80KB 静态存储器(SRAM)， 彩色液晶显示控制器(LCD)， 直接存储控制器(10通道DMA)， 异步串行口控制器(UART)， 同步串行口控制器(SSP)， PCMCIA控制器， AC97声音控制器， 智能卡控制器， 多媒体卡控制器， 电池控制器， USB控制器和时钟/供电管理器。值得一提的是，LH7A400是一款宽温芯片，其工作温度范围为-40℃～+85℃(降低时钟频率)，可广泛应用于无线手持设备、智能电话、PDA、家庭娱乐控制器、PocketPC及各种工控设备。
该学习板还包括如下硬件：由2片16位Flash (32MB)和2片16位的SDRAM(64M)构成32位宽的高速存储器结构；10/100M自适应网络芯片DM9000；Sharp 3.5’TFT LCD彩屏；触摸屏；USB Host/Device；CF卡插槽；全功能JTAG接口等。

1 U-BOOT简介

　　U-BOOT是由德国的工程师Wolfgang Denk从8XXROM代码发展而来的，它支持很多处理器，比如PowerPC、ARM、MIPS和x86。目前，U-BOOT源代码在sourceforge网站的社区服务器中，Internet上有一群自由开发人员对其进行维护和开发，它的项目主页是http://sourceforge.net/projects/U-BOOT。U-BOOT的最新版本源代码可以在Sourceforge的CVS服务器中匿名获得。
#cvs -d:pserver:anonymous@cvs.sourceforge.net:/cvsroot/U-BOOT login
#cvs -z6 -d:pserver:anonymous@cvs.sourceforge.net:/cvsroot/U-BOOT \\ co -P moduleName

1.1 U-BOOT源代码目录结构

◆ board：和一些已有开发板有关的文件，比如Makefile和u-boot.lds等都和具体开发板的硬件和地址分配有关。
◆ common：与体系结构无关的文件，实现各种命令的C文件。
◆ CPU：CPU相关文件，其中的子目录都是以U-BOOT所支持的CPU为名，比如有子目录arm926ejs、mips、mpc8260和nios等，每个特定的子目录中都包括cpu.c和interrupt.c，start.S。其中cpu.c初始化CPU、设置指令Cache和数据Cache等；interrupt.c设置系统的各种中断和异常，比如快速中断、开关中断、时钟中断、软件中断、预取中止和未定义指令等；start.S是U-BOOT启动时执行的第一个文件，它主要是设置系统堆栈和工作方式，为进入C程序奠定基础。
◆ disk：disk驱动的分区处理代码。
◆ doc：文档。
◆ drivers：通用设备驱动程序，比如各种网卡、支持CFI的Flash、串口和USB总线等。
◆fs:支持文件系统的文件，U-BOOT现在支持cramfs、fat、fdos、jffs2和registerfs。
◆ include：头文件，还有对各种硬件平台支持的汇编文件，系统的配置文件和对文件系统支持的文件。
◆ net：与网络有关的代码，BOOTP协议、TFTP协议、RARP协议和NFS文件系统的实现。
◆ lib_arm：与ARM体系结构相关的代码。
◆ tools：创建S-Record格式文件 和U-BOOT images的工具。

1.2 U-BOOT的特点

　　U-BOOT支持SCC/FEC以太网、OOTP/TFTP引导、IP和MAC的预置功能，这一点和其它BootLoader(如BLOB和RedBoot等)类似。但U-BOOT还具有一些特有的功能。

◆ 在线读写Flash、DOC、IDE、IIC、EEROM、RTC，其它的BootLoader根本不支持IDE和DOC的在线读写。
◆ 支持串行口kermit和S-record下载代码，U-BOOT本身的工具可以把ELF32格式的可执行文件转换成为 S-record格式，直接从串口下载并执行。
◆ 识别二进制、ELF32、uImage格式的Image，对Linux引导有特别的支持。U-BOOT对Linux 内核进一步封装为uImage。封装如下：
#{CROSS_COMPILE}-objcopy -O binary -R.note -R.comment -S vmlinux \\ linux.bin 
#gzip -9 linux.bin
#tools/mkimage -A arm -O linux -T kernel -C gzip -a 0xc0008000 -e\\
0xc0008000 -n “Linux-2.4.20” -d linux.bin.gz /tftpboot/uImage
即在Linux内核镜像vmLinux前添加了一个特殊的头，这个头在include/image.h中定义，包括目标操作系统的种类(比如Linux，VxWorks等)、目标CPU的体系机构(比如ARM、PowerPC等)、映像文件压缩类型(比如gzip、bzip2等)、加载地址、入口地址、映像名称和映像的生成时间。当系统引导时，U-BOOT会对这个文件头进行CRC校验，如果正确，才会跳到内核执行。如下所示：
WT-ARM9# bootm 0xc1000000
## Checking Image at 0xc100000 ...
Image Name: Linux-2.4.20
Created: 2004-07-02 22:10:11 UTC
Image Type: ARM Linux Kernel Image (gzip compressed)
Data Size: 550196 Bytes = 537 kB = 0 MB
Load Address: 0xc0008000
Entry Point: 0xc0008000
Verifying Checksum ... OK
Uncompressing Kernel Image ……… OK
◆ 单任务软件运行环境。U-BOOT可以动态加载和运行独立的应用程序，这些独立的应用程序可以利用U-BOOT控制台的I/O函数、内存申请和中断服务等。这些应用程序还可以在没有操作系统的情况下运行，是测试硬件系统很好的工具。
◆ 监控(minitor)命令集：读写I/O，内存，寄存器、内存、外设测试功能等 
◆ 脚本语言支持(类似BASH脚本)。利用U-BOOT中的autoscr命令，可以在U-BOOT中运行“脚本”。首先在文本文件中输入需要执行的命令，然后用tools/mkimage封装，然后下载到开发板上，用autoscr执行就可以了。
① 编辑如下的脚本example.script。
echo
echo Network Configuration:
echo ----------------------
echo Target:
printenv ipaddr hostname
echo
echo Server:
printenv serverip rootpath
echo
② 用tools/mkimage对脚本进行封装。
# mkimage -A ARM -O linux -T script -C none -a 0 -e 0 -n "autoscr example script" -d example.script /tftpboot/example.img
Image Name: autoscr example script
Created: Wes Sep 8 01:15:02 2004
Image Type: ARM Linux Script (uncompressed)
Data Size: 157 Bytes = 0.15 kB = 0.00 MB
Load Address: 0x00000000
Entry Point: 0x00000000
Contents:
Image 0: 149 Bytes = 0 kB = 0 MB
③ 在U-BOOT中加载并执行这个脚本。
WT-ARM9# tftp 100000 /tftpboot/example.img
ARP broadcast 1
TFTP from server 10.0.0.2; our IP address is 10.0.0.99
Filename ’/tftpboot/TQM860L/example.img’.
Load address: 0x100000
Loading: #
done
Bytes transferred = 221 (dd hex)
WT-ARM9# autoscr 100000
## Executing script at 00100000
Network Configuration:
----------------------
Target:
ipaddr=10.0.0.99
hostname=arm
Server:
serverip=10.0.0.2
rootpath=/nfsroot
WT-ARM9#
◆ 支持WatchDog、LCD logo和状态指示功能等。如果系统支持splash screen，U-BOOT启动时，会把这个图像显示到LCD上，给用户更友好的感觉。
◆ 支持MTD和文件系统。U-BOOT作为一种强大的BootLoader，它不仅支持MTD，而且可以在MTD基础上实现多种文件系统，比如cramfs、fat和jffs2等。
◆ 支持中断。由于传统的BootLoader都分为stage1和stage2，所以在stage2中添加中断处理服务十分困难，比如BLOB；而U-BOOT是把两个部分放到了一起，所以添加中断服务程序就很方便。
◆ 详细的开发文档。由于大多数BootLoader都是开源项目，所以文档都不是很充分。U-BOOT的维护人员意识到了这个问题，充分记录了开发文档，所以它的移植要比BLOB等缺少文档的BootLoader方便。 [page]

2 对U-BOOT-1.1.0的修改

　　为了使U-BOOT-1.1.0支持新的开发板，一种简便的做法是在U-BOOT已经支持的开发板中选择一种接近的进行修改。由于U-BOOT-1.10不支持ARM-922T内核，所以选择基于ARM-920T内核的smdk2400为模板。相关的源代码在board/smdk2400/下。

2.1 支持ARM-922T内核的代码修改

修改以下代码，使U-BOOT支持arm-922t内核。
① 在include/目录下新建文件arm922t.h，内容如下：
#ifndef __ARM922T_H__
#define __ARM922T_H__
#endif
② 在include/目录下新建文件wt-arm9.h，该文件描述了ARM922T中Timer、UART等寄存器的结构及若干宏定义。具体内容要参考相关处理器手册。
③ 在cpu/目录下新建目录arm922t，将目录arm920t下的内容复制后，参考手册分别修改cpu.c、interrupts.c和serial.c，其它文件不修改。

2.2 开发板的支持

　　建立自己开发板的目录和相关文件。
① 在include/configs目录中添加头文件lh7a400.h。这个文件是lh7a400开发板的配置文件，它包括开发板的CPU、系统时钟、RAM、Flash系统及其它相关的配置信息。其格式可参考include/configs/smdk2400.h。
② 在board/目录下新建wt-arm9目录，创建如下文件：flash.c、lhmemsetup.c、wt- arm9.c、Makefile和u-boot.lds。
◆ flash.c。U-BOOT 读、写和删除Flash设备的源代码文件。由于不同开发板中Flash存储器的种类各不相同，所以，修改flash.c时需参考相应的Flash芯片手册。它包括如下几个函数：
unsigned long flash_init (void )，Flash初始化；
void flash_print_info (flash_info_t *info)，打印Flash信息；
int flash_erase (flash_info_t *info， int s_first， int s_last)，Flash擦除；
volatile static int write_dword (flash_info_t *info， ulong dest， ulong data)，Flash写入；
int write_buff (flash_info_t *info， uchar *src， ulong addr， ulong cnt)，从内存复制数据。
◆ lhmemsetup.c。初始化时钟、SMC控制器和SDRAM控制器。
◆ wt-arm9.c。设置各种总线时钟，打开数据Cache和指令Cache，并设置相关内存参数。
◆ Makefile。直接拷贝board/smdk2400/Makefile，作如下修改：
OBJS ：= wt-arm9.o flash.o lhmemsetup.o
◆ u-boot.lds。设置U-BOOT中各个目标文件的连接地址，直接拷贝 board/smdk2400/u-boot.lds，作如下修改：
.text
{
cpu/arm922t/start.o (.text)
*(.text)
}

2.3 添加网口设备控制程序

　　在drivers/目录中添加网口设备控制程序dm9000.c 和dm9000.h，其中dm9000.c 主要包括以下函数：
int eth_init (bd_t *bd)，初始化网络设备；
void eth_halt (void)，关闭网络设备；
int eth_send (volatile void *packet，int len)，发送数据包；
int eth_rx (void) 接收数据包。
用中断方式处理数据包的收发，因此还定义了另外两个函数：
void InitInterrupt (void) ，中断初始化；
void dm9000_irq (void) ，中断处理。
以上两个函数在cpu/arm922t/interrupts.c中被调用，最后在drivers/Makefile中加入dm9000.o。

2.4 修改Makefile

　　在u-boot-1.1.0/Makefile中加入
lh7a400_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm922t wt-arm9
其中“arm”是CPU的种类， arm922t 是ARM CPU对应的代码目录，wt-arm9是自己开发板对应的目录。
交叉编译器安装在/opt/arm/3.3/bin/目录下，所以把CROSS_COMPILE设置成相应的路径：
export CROSS_COMPILE = /opt/arm/3.3/bin/arm-elf-

2.5 生成目标文件

　　 先运行make clean，
[zeng@localhost u-boot-1.1.0]$make clean
然后运行make lh7a400_config，
[zeng@localhost u-boot-1.1.0]$ make lh7a400_config
Configuring for lh7a400 board...
再运行make，
[zeng@localhost u-boot-1.1.0]$make
之后会生成三个文件：
u-boot——ELF格式的文件，可以被大多数Debug程序识别；
u-boot.bin——二进制bin文件，纯粹的U-BOOT二进制执行代码，不保存ELF格式和调试信息。这个文件一般用于烧录到用户开发板中；
u-boot.srec——Motorola S-Record格式，可以通过串行口下载到开发板中。

2.6 测 试

　　通过JTAG口将u-boot.bin烧写到Flash的零地址，复位后执行u-boot。若运行正常，会从串口返回如下信息：
U-Boot 1.1.0 (Aug 21 2004 ?18:44:37)
U-BooT code: C3F80000 -> C3FA51A0 BSS: -> C3FA96EC
IRQ Stack: c3f1ff7c
FIQ Stack: c3f1ef7c
RAM Configuration:
Bank #0: c0000000 8 MB
Bank #1: c1000000 8 MB
……
Flash: 32 MB
In: serial
Out: serial
Err: serial
WT-ARM9 #

　　输入help得到所有命令列表，help command 列出该命令的功能。紧接着测试Flash和网卡，如果都正常工作的话，表明移植U-BOOT的工作基本完成，可以接着调试内核和文件系统。

结 语

　　BootLoader是操作系统和硬件的枢纽，它为操作系统内核的启动提供了必要的条件和参数。在移植过程中，开发人员除了要掌握BootLoader的结构和工作流程外，还要对相关硬件有一定的了解。目前，笔者移植的U-BOOT已经能够稳定地运行在开发板上，而且可以通过Flash和网络加载内核和文件系统，为后续开发，特别是驱动程序的开发奠定了良好的基础。