用U-BOOT構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)裝載程序

摘要：BootLoader(引導(dǎo)裝載程序)是嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，它把操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)銜接在一起，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的后續(xù)軟件開發(fā)十分重要，在整個(gè)開發(fā)中也占有相當(dāng)大的比例。U-BOOT是當(dāng)前比較流行、功能強(qiáng)大的BootLoader，可以支持多種體系結(jié)構(gòu)。LH7A400是Sharp公司生產(chǎn)的一款基于ARM922T內(nèi)核的32位RISC芯片，本文詳細(xì)介紹U-BOOT的功能、特點(diǎn)以及在LH7A400處理器上的移植過程。


關(guān)鍵詞：BootLoaderU-BOOT移植LH7A400ARM922T


引言：

　　本文以U-BOOT為例，介紹了如何在ARM9開發(fā)板上移植BootLoader的過程。LH7A400學(xué)習(xí)板是旋極公司推出的一款高性能嵌入式開發(fā)板，其采用的處理器LH7A400是Sharp公司生產(chǎn)的一款基于ARM922T內(nèi)核的32位RISC芯片。該芯片集成了高性能的32位RISC處理器核ARM922T(運(yùn)算速度200MHz，總線速度100MHz)，能使處理速度達(dá)到每秒220百萬條指令(MIPS)，能耗為1.33mW/MIPS，可以在低電壓狀態(tài)下工作(核心1.8V，輸入/輸出3.3V)，片內(nèi)帶有鎖相回路(PLL)和低能耗核心。此外該芯片還包括:16KB高速緩存(Cache)，存儲(chǔ)器管理單元(MMU)，80KB靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)，彩色液晶顯示控制器(LCD)，直接存儲(chǔ)控制器(10通道DMA)，異步串行口控制器(UART)，同步串行口控制器(SSP)，PCMCIA控制器，AC97聲音控制器，智能卡控制器，多媒體卡控制器，電池控制器，USB控制器和時(shí)鐘/供電管理器。值得一提的是，LH7A400是一款寬溫芯片，其工作溫度范圍為-40℃～+85℃(降低時(shí)鐘頻率)，可廣泛應(yīng)用于無線手持設(shè)備、智能電話、PDA、家庭娛樂控制器、PocketPC及各種工控設(shè)備。
該學(xué)習(xí)板還包括如下硬件：由2片16位Flash(32MB)和2片16位的SDRAM(64M)構(gòu)成32位寬的高速存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)；10/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)芯片DM9000；Sharp3.5’TFTLCD彩屏；觸摸屏；USBHost/Device；CF卡插槽；全功能JTAG接口等。

1U-BOOT簡介

　　U-BOOT是由德國的工程師WolfgangDenk從8XXROM代碼發(fā)展而來的，它支持很多處理器，比如PowerPC、ARM、MIPS和x86。目前，U-BOOT源代碼在sourceforge網(wǎng)站的社區(qū)服務(wù)器中，Internet上有一群自由開發(fā)人員對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和開發(fā)，它的項(xiàng)目主頁是http://sourceforge.net/projects/U-BOOT。U-BOOT的最新版本源代碼可以在Sourceforge的CVS服務(wù)器中匿名獲得。
#cvs-d:pserver:anonymous@cvs.sourceforge.net:/cvsroot/U-BOOTlogin
#cvs-z6-d:pserver:anonymous@cvs.sourceforge.net:/cvsroot/U-BOOTco-Pmodulename

1.1U-BOOT源代碼目錄結(jié)構(gòu)

◆board：和一些已有開發(fā)板有關(guān)的文件，比如Makefile和u-boot.lds等都和具體開發(fā)板的硬件和地址分配有關(guān)。
◆common：與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的文件，實(shí)現(xiàn)各種命令的C文件。
◆cpu：CPU相關(guān)文件，其中的子目錄都是以U-BOOT所支持的CPU為名，比如有子目錄arm926ejs、mips、mpc8260和nios等，每個(gè)特定的子目錄中都包括cpu.c和interrupt.c，start.S。其中cpu.c初始化CPU、設(shè)置指令Cache和數(shù)據(jù)Cache等；interrupt.c設(shè)置系統(tǒng)的各種中斷和異常，比如快速中斷、開關(guān)中斷、時(shí)鐘中斷、軟件中斷、預(yù)取中止和未定義指令等；start.S是U-BOOT啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的第一個(gè)文件，它主要是設(shè)置系統(tǒng)堆棧和工作方式，為進(jìn)入C程序奠定基礎(chǔ)。
◆disk：disk驅(qū)動(dòng)的分區(qū)處理代碼。
◆doc：文檔。
◆drivers：通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，比如各種網(wǎng)卡、支持CFI的Flash、串口和USB總線等。
◆fs:支持文件系統(tǒng)的文件，U-BOOT現(xiàn)在支持cramfs、fat、fdos、jffs2和registerfs。
◆include：頭文件，還有對(duì)各種硬件平臺(tái)支持的匯編文件，系統(tǒng)的配置文件和對(duì)文件系統(tǒng)支持的文件。
◆net：與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的代碼，BOOTP協(xié)議、TFTP協(xié)議、RARP協(xié)議和NFS文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
◆lib_arm：與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼。
◆tools：創(chuàng)建S-Record格式文件和U-BOOTimages的工具。

1.2U-BOOT的特點(diǎn)

　　U-BOOT支持SCC/FEC以太網(wǎng)、OOTP/TFTP引導(dǎo)、IP和MAC的預(yù)置功能，這一點(diǎn)和其它BootLoader(如BLOB和RedBoot等)類似。但U-BOOT還具有一些特有的功能。

◆在線讀寫Flash、DOC、IDE、IIC、EEROM、RTC，其它的BootLoader根本不支持IDE和DOC的在線讀寫。
◆支持串行口kermit和S-record下載代碼，U-BOOT本身的工具可以把ELF32格式的可執(zhí)行文件轉(zhuǎn)換成為S-record格式，直接從串口下載并執(zhí)行。
◆識(shí)別二進(jìn)制、ELF32、uImage格式的Image，對(duì)Linux引導(dǎo)有特別的支持。U-BOOT對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)一步封裝為uImage。封裝如下：
#{CROSS_COMPILE}-objcopy-Obinary-R.note-R.comment-Svmlinuxlinux.bin
#gzip-9linux.bin
#tools/mkimage-Aarm-Olinux-Tkernel-Cgzip-a0xc0008000-e
0xc0008000-n“Linux-2.4.20”-dlinux.bin.gz/tftpboot/uImage
即在Linux內(nèi)核鏡像vmLinux前添加了一個(gè)特殊的頭，這個(gè)頭在include/image.h中定義，包括目標(biāo)操作系統(tǒng)的種類(比如Linux，VxWorks等)、目標(biāo)CPU的體系機(jī)構(gòu)(比如ARM、PowerPC等)、映像文件壓縮類型(比如gzip、bzip2等)、加載地址、入口地址、映像名稱和映像的生成時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)，U-BOOT會(huì)對(duì)這個(gè)文件頭進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果正確，才會(huì)跳到內(nèi)核執(zhí)行。如下所示：
WT-ARM9#bootm0xc1000000
##CheckingImageat0xc100000...
ImageName:Linux-2.4.20
Created:2004-07-0222:10:11UTC
ImageType:ARMLinuxKernelImage(gzipcompressed)
DataSize:550196Bytes=537kB=0MB
LoadAddress:0xc0008000
EntryPoint:0xc0008000
VerifyingChecksum...OK
UncompressingKernelImage………OK
◆單任務(wù)軟件運(yùn)行環(huán)境。U-BOOT可以動(dòng)態(tài)加載和運(yùn)行獨(dú)立的應(yīng)用程序，這些獨(dú)立的應(yīng)用程序可以利用U-BOOT控制臺(tái)的I/O函數(shù)、內(nèi)存申請(qǐng)和中斷服務(wù)等。這些應(yīng)用程序還可以在沒有操作系統(tǒng)的情況下運(yùn)行，是測(cè)試硬件系統(tǒng)很好的工具。
◆監(jiān)控(minitor)命令集：讀寫I/O，內(nèi)存，寄存器、內(nèi)存、外設(shè)測(cè)試功能等
◆腳本語言支持(類似BASH腳本)。利用U-BOOT中的autoscr命令，可以在U-BOOT中運(yùn)行“腳本”。首先在文本文件中輸入需要執(zhí)行的命令，然后用tools/mkimage封裝，然后下載到開發(fā)板上，用autoscr執(zhí)行就可以了。
①編輯如下的腳本example.script。
echo
echoNetworkConfiguration:
echo----------------------
echoTarget:
printenvipaddrhostname
echo
echoServer:
printenvserveriprootpath
echo
②用tools/mkimage對(duì)腳本進(jìn)行封裝。
#mkimage-AARM-Olinux-Tscript-Cnone-a0-e0-n"autoscrexamplescript"-dexample.script/tftpboot/example.img
ImageName:autoscrexamplescript
Created:WesSep801:15:022004
ImageType:ARMLinuxScript(uncompressed)
DataSize:157Bytes=0.15kB=0.00MB
LoadAddress:0x00000000
EntryPoint:0x00000000
Contents:
Image0:149Bytes=0kB=0MB
③在U-BOOT中加載并執(zhí)行這個(gè)腳本。
WT-ARM9#tftp100000/tftpboot/example.img
ARPbroadcast1
TFTPfromserver10.0.0.2;ourIPaddressis10.0.0.99
Filename’/tftpboot/TQM860L/example.img’.
Loadaddress:0x100000
Loading:#
done
Bytestransferred=221(ddhex)
WT-ARM9#autoscr100000
##Executingscriptat00100000
NetworkConfiguration:
----------------------
Target:
ipaddr=10.0.0.99
hostname=arm
Server:
serverip=10.0.0.2
rootpath=/nfsroot
WT-ARM9#
◆支持WatchDog、LCDlogo和狀態(tài)指示功能等。如果系統(tǒng)支持splashscreen，U-BOOT啟動(dòng)時(shí)，會(huì)把這個(gè)圖像顯示到LCD上，給用戶更友好的感覺。
◆支持MTD和文件系統(tǒng)。U-BOOT作為一種強(qiáng)大的BootLoader，它不僅支持MTD，而且可以在MTD基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多種文件系統(tǒng)，比如cramfs、fat和jffs2等。
◆支持中斷。由于傳統(tǒng)的BootLoader都分為stage1和stage2，所以在stage2中添加中斷處理服務(wù)十分困難，比如BLOB；而U-BOOT是把兩個(gè)部分放到了一起，所以添加中斷服務(wù)程序就很方便。
◆詳細(xì)的開發(fā)文檔。由于大多數(shù)BootLoader都是開源項(xiàng)目，所以文檔都不是很充分。U-BOOT的維護(hù)人員意識(shí)到了這個(gè)問題，充分記錄了開發(fā)文檔，所以它的移植要比BLOB等缺少文檔的BootLoader方便。

2對(duì)U-BOOT-1.1.0的修改

　　為了使U-BOOT-1.1.0支持新的開發(fā)板，一種簡便的做法是在U-BOOT已經(jīng)支持的開發(fā)板中選擇一種接近的進(jìn)行修改。由于U-BOOT-1.10不支持ARM-922T內(nèi)核，所以選擇基于ARM-920T內(nèi)核的smdk2400為模板。相關(guān)的源代碼在board/smdk2400/下。

2.1支持ARM-922T內(nèi)核的代碼修改

修改以下代碼，使U-BOOT支持arm-922t內(nèi)核。
①在include/目錄下新建文件arm922t.h，內(nèi)容如下：
#ifndef__ARM922T_H__
#define__ARM922T_H__
#endif
②在include/目錄下新建文件wt-arm9.h，該文件描述了ARM922T中Timer、UART等寄存器的結(jié)構(gòu)及若干宏定義。具體內(nèi)容要參考相關(guān)處理器手冊(cè)。
③在cpu/目錄下新建目錄arm922t，將目錄arm920t下的內(nèi)容復(fù)制后，參考手冊(cè)分別修改cpu.c、interrupts.c和serial.c，其它文件不修改。

2.2開發(fā)板的支持

　　建立自己開發(fā)板的目錄和相關(guān)文件。
①在include/configs目錄中添加頭文件lh7a400.h。這個(gè)文件是lh7a400開發(fā)板的配置文件，它包括開發(fā)板的CPU、系統(tǒng)時(shí)鐘、RAM、Flash系統(tǒng)及其它相關(guān)的配置信息。其格式可參考include/configs/smdk2400.h。
②在board/目錄下新建wt-arm9目錄，創(chuàng)建如下文件：flash.c、lhmemsetup.c、wt-arm9.c、Makefile和u-boot.lds。
◆flash.c。U-BOOT讀、寫和刪除Flash設(shè)備的源代碼文件。由于不同開發(fā)板中Flash存儲(chǔ)器的種類各不相同，所以，修改flash.c時(shí)需參考相應(yīng)的Flash芯片手冊(cè)。它包括如下幾個(gè)函數(shù)：
unsignedlongflash_init(void)，F(xiàn)lash初始化；
voidflash_print_info(flash_info_t*info)，打印Flash信息；
intflash_erase(flash_info_t*info，ints_first，ints_last)，F(xiàn)lash擦除；
volatilestaticintwrite_dword(flash_info_t*info，ulongdest，ulongdata)，F(xiàn)lash寫入；
intwrite_buff(flash_info_t*info，uchar*src，ulongaddr，ulongcnt)，從內(nèi)存復(fù)制數(shù)據(jù)。
◆lhmemsetup.c。初始化時(shí)鐘、SMC控制器和SDRAM控制器。
◆wt-arm9.c。設(shè)置各種總線時(shí)鐘，打開數(shù)據(jù)Cache和指令Cache，并設(shè)置相關(guān)內(nèi)存參數(shù)。
◆Makefile。直接拷貝board/smdk2400/Makefile，作如下修改：
OBJS：=wt-arm9.oflash.olhmemsetup.o
◆u-boot.lds。設(shè)置U-BOOT中各個(gè)目標(biāo)文件的連接地址，直接拷貝board/smdk2400/u-boot.lds，作如下修改：
.text
{
cpu/arm922t/start.o(.text)
*(.text)
}

2.3添加網(wǎng)口設(shè)備控制程序

　　在drivers/目錄中添加網(wǎng)口設(shè)備控制程序dm9000.c和dm9000.h，其中dm9000.c主要包括以下函數(shù)：
inteth_init(bd_t*bd)，初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；
voideth_halt(void)，關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；
inteth_send(volatilevoid*packet，intlen)，發(fā)送數(shù)據(jù)包；
inteth_rx(void)接收數(shù)據(jù)包。
用中斷方式處理數(shù)據(jù)包的收發(fā)，因此還定義了另外兩個(gè)函數(shù)：
voidInitInterrupt(void)，中斷初始化；
voiddm9000_irq(void)，中斷處理。
以上兩個(gè)函數(shù)在cpu/arm922t/interrupts.c中被調(diào)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=)armarm922twt-arm9
其中“arm”是CPU的種類，arm922t是ARMCPU對(duì)應(yīng)的代碼目錄，wt-arm9是自己開發(fā)板對(duì)應(yīng)的目錄。
交叉編譯器安裝在/opt/arm/3.3/bin/目錄下，所以把CROSS_COMPILE設(shè)置成相應(yīng)的路徑：
exportCROSS_COMPILE=/opt/arm/3.3/bin/arm-elf-

2.5生成目標(biāo)文件

　　先運(yùn)行makeclean，
[zeng@localhostu-boot-1.1.0]$makeclean
然后運(yùn)行makelh7a400_config，
[zeng@localhostu-boot-1.1.0]$makelh7a400_config
Configuringforlh7a400board...
再運(yùn)行make，
[zeng@localhostu-boot-1.1.0]$make
之后會(huì)生成三個(gè)文件：
u-boot――ELF格式的文件，可以被大多數(shù)Debug程序識(shí)別；
u-boot.bin――二進(jìn)制bin文件，純粹的U-BOOT二進(jìn)制執(zhí)行代碼，不保存ELF格式和調(diào)試信息。這個(gè)文件一般用于燒錄到用戶開發(fā)板中；
u-boot.srec――MotorolaS-Record格式，可以通過串行口下載到開發(fā)板中。

2.6測(cè)試

　　通過JTAG口將u-boot.bin燒寫到Flash的零地址，復(fù)位后執(zhí)行u-boot。若運(yùn)行正常，會(huì)從串口返回如下信息：
U-Boot1.1.0(Aug212004?18:44:37)
U-BooTcode:C3F80000->C3FA51A0BSS:->C3FA96EC
IRQStack:c3f1ff7c
FIQStack:c3f1ef7c
RAMConfiguration:
Bank#0:c00000008MB
Bank#1:c10000008MB
……
Flash:32MB
In:serial
Out:serial
Err:serial
WT-ARM9#

　　輸入help得到所有命令列表，helpcommand列出該命令的功能。緊接著測(cè)試Flash和網(wǎng)卡，如果都正常工作的話，表明移植U-BOOT的工作基本完成，可以接著調(diào)試內(nèi)核和文件系統(tǒng)。

結(jié)語

　　BootLoader是操作系統(tǒng)和硬件的樞紐，它為操作系統(tǒng)內(nèi)核的啟動(dòng)提供了必要的條件和參數(shù)。在移植過程中，開發(fā)人員除了要掌握BootLoader的結(jié)構(gòu)和工作流程外，還要對(duì)相關(guān)硬件有一定的了解。目前，筆者移植的U-BOOT已經(jīng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行在開發(fā)板上，而且可以通過Flash和網(wǎng)絡(luò)加載內(nèi)核和文件系統(tǒng)，為后續(xù)開發(fā)，特別是驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）