uboot的启动流程及移植.docx
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uboot的启动流程及移植
u-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//Su-boot。
u-boot最初是由www.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。
2.1stage1（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（ExceptionVector）。
（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。
2.2stage2C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ARMJTAG接口组成。
3.1u-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＠cvc.sourceforge.net/cVSroot/u-bootlogin
当要求输入匿名登录的密码时，可直接按回车键
$cVS-z6-dpserVeranonyMous＠cVS.sourceF/cVSroot/u-boot＼co.PModuLenaMe
第二种是通过ftp//ftp.denx.de/pub/u-boot/下载正式发布的压缩文件。
3.2u-boot文件的结构
初次下载的文件有很多，解压后存放在u-boot文件目录下，具体内容已在readMe文件中做了详细的介绍，其中与移植相关的主要文件夹有：
（1）CPU它的每个子文件夹里都有如下文件：
makefile
config.mk
cpu.c和处理器相关的代码
interrupts.c中断处理代码
serial.c串口初始化代码
start.s全局开始启动代码
（2）BOARD它的每个子文件夹里都有如下文件：
makefile
config.mk
smdk2410.c和板子相关的代码（以smdk2410为例）
flash.cflash操作代码
memSetup.s初始化SDRAM代码
u-boot.lds对应的连接文件
（3）libARM体系结构下的相关实现代码，比如memcpy等的汇编语言的优化实现。
3.3交叉编译环境的建立
要得到下载到目标板的u-boot二进制启动代码，还需要对下载的u-boot1.1.1进行编译。
u-boot的编译一般在Linux系统下进行，可用ARM-LIN-UX-GCC进行编译。
一步一步建立交叉编译环境通常比较复杂，最简单的方法是使用别人编译好的交叉编译工具，方法如下：
（1）在http//handhelds.org/downLoad/tooLchaIn下载ARM-Linux-gcc-3.3.2.tar.bz2
（2）以用户名root登录，将ARM-Linux-gcc-3.3.2.tar.bz2解压到/root目录下
#tarjxvfARM-Linux-gcc-3.3.2.tar.bz2
（3）在http//handhelds.org/downLoad/tooLchaIn下载ARM-Linux-tooLchaIn-post-2.2.13.tar.gz只是用了它的头文件而已，主要来自内核/Linux-x.x/include下
（4）将ARM-Linux-tooLchaIn-post-2.2.13.tar.gz解压到/skiff/local/下
#tarzxVFARM-Linux-tooLchaIn-post-2.2.13.tar.gz
（5）拷贝头文件到/root/usr/3.3.2/ARM-Linux/下然后删除/skiff
#cp-dr/skiff/local/ARM-Linux/include/root/usr/3.3.2/ARM-Linux
#rm-Fr/skiff
这样就建立了ARMLinux交叉编译环境。
（6）增加/root/usr/local/ARM/3.3.2/bin到路径环境变量
path＝$path：
/root/usr/local/ARM/3.3.2/bin可以检查路径变量是否设置正确。
#echo$path
3.4移植的预先编译
移植u-boot到新的开发板上仅需要修改与硬件相关的部分即可。
主要包括两个层面的移植，第一层是针对CPU的移植，第二层是针对BOARD的移植。
由于u-boot1.1.1里面已经包含S3C44B0的移植，所以笔者对板子myboard的移植主要是针对BOARD的移植。
移植之前需要仔细阅读u-boot目录下的readMe文件，其中对如何移植做了简要的介绍。
为了减少移植的工作量，可以在include/config目录下选一个和要移植的硬件相似的开发板，笔者选的是b2开发板。
具体步骤如下：
（1）u-boot1.1.1下的CPU文件夹里已经包括了S3C44B0的目录，其下已经有start.sinterrupts.c以及cpu.cserial.c几个文件，因而不需要建立与CPU相关的目录。
（2）在board目录下创建myboard目录以及my-board.c、flash.c、memSetup.s和u-boot.lds等文件。
不需要从零开始创建，只需选择一个相似的目录直接复制过来，然后修改文件名及内容即可。
笔者在移植u-boot过程中选择的是u-boot1.1.1/board/dave/b2目录。
（3）在include/configs目录下添加myboard.h，在这里可放入全局的宏定义等也不需要从头创建，可以在include/configs目录下寻找相似的CPU的头文件进行复制，这里笔者用的是B2.h文件来进行相关的修改。
（4）对u-boot根目录下的makefile文件进行修改，加入
myboard_config:
unconfig
＠./Mkconfig$（＠:
_config＝）ARMS3C44B0myboard
（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、LISTARM7＝″B2ep7312IMpa7myboard″。
（6）运行makeclobber，删除错误的depend文件。
（7）运行makemyboardconfig。
（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）
CROSSCOMPILE＝/root/usr/local/3.3.2/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/common/flash.c″，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flashSDRAM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4Mbit、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.cflash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：
将#defineCONFIGS3C44B0CLOCKSPEED75改为
#defineCONFIGS3C44B0CLOCKSPEED64；
将#definePHYSSDRAM1SIＺE0x01000000/*16MB*/改为
#definePHYSSDRAM1SIＺE0x00800000/*8MB*/；
将#definePHYSFLASHSIＺE0x00400000/*4MB*改为
#definePHYSFLASHSIＺE0x00200000/*2MB*/；
将#defineCFGMAXFLASHSECT256/*MaxnumberofSectorsononechip*/改为
#defineCFGMAXFLASHSECT35；
将#defineCFGENVISINEEPROM1/*useEEPROMForenvironmentVars*/改为
#defineCFGENVISINFLASH1
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0x0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cpuInItcrIt完成CPUcache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。
u-boot（bootloader）程序的特点功能
1.u-boot简介
u-boot是由德国的工程师WolfgangDenk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:
//S
#cvs-d:
pserver:
anonymous@:
/cvsroot/u-bootlogin
#cvs-z6-d:
pserver:
anonymous@:
/cvsroot/u-boot\co-Pmodulename
1.1u-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-bootimages的工具。
1.2u-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–Obinary-R.note-R.comment-Svmlinux\linux.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#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
◆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
echoNetworkConfiguration:
echo----------------------
echoTarget:
printenvipaddrhostname
echo
echoServer:
printenvServeriprootpath
echo
②用tools/mkimage对脚本进行封装。
#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中加载并执行这个脚本。
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#autoscr1
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