6.1  Bootloader

對于計算機系統(tǒng)來說，從開機上電到操作系統(tǒng)啟動需要一個引導過程。嵌入式Linux系統(tǒng)同樣離不開引導程序，這個引導程序就叫作Bootloader。

6.1.1  Bootloader介紹

Bootloader是在操作系統(tǒng)運行之前執(zhí)行的一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間的映射表，從而建立適當?shù)南到y(tǒng)軟硬件環(huán)境，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做好準備。

對于嵌入式系統(tǒng)，Bootloader是基于特定硬件平臺來實現(xiàn)的。因此，幾乎不可能為所有的嵌入式系統(tǒng)建立一個通用的Bootloader，不同的處理器架構(gòu)都有不同的Bootloader。Bootloader不但依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)，而且依賴于嵌入式系統(tǒng)板級設備的配置。對于2塊不同的嵌入式板而言，即使它們使用同一種處理器，要想讓運行在一塊板子上的Bootloader程序也能運行在另一塊板子上，一般也都需要修改Bootloader的源程序。

反過來，大部分Bootloader仍然具有很多共性，某些Bootloader也能夠支持多種體系結(jié)構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)。例如，U-Boot就同時支持PowerPC、ARM、MIPS和X86等體系結(jié)構(gòu)，支持的板子有上百種。通常，它們都能夠自動從存儲介質(zhì)上啟動，都能夠引導操作系統(tǒng)啟動，并且大部分都可以支持串口和以太網(wǎng)接口。

本章將對各種Bootloader總結(jié)分類，分析它們的共同特點。以U-Boot為例，詳細討論Bootloader的設計與實現(xiàn)。

6.1.2  Bootloader的啟動

Linux系統(tǒng)是通過Bootloader引導啟動的。一上電，就要執(zhí)行Bootloader來初始化系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^第4章的Linux啟動過程框圖回顧一下。

系統(tǒng)加電或復位后，所有CPU都會從某個地址開始執(zhí)行，這是由處理器設計決定的。比如，X86的復位向量在高地址端，ARM處理器在復位時從地址0x00000000取第一條指令。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)板都要把板上ROM或Flash映射到這個地址。因此，必須把Bootloader程序存儲在相應的Flash位置。系統(tǒng)加電后，CPU將首先執(zhí)行它。

主機和目標機之間一般有串口可以連接，Bootloader軟件通常會通過串口來輸入輸出。例如：輸出出錯或者執(zhí)行結(jié)果信息到串口終端，從串口終端讀取用戶控制命令等。

Bootloader啟動過程通常是多階段的，這樣既能提供復雜的功能，又有很好的可移植性。例如：從Flash啟動的Bootloader多數(shù)是兩階段的啟動過程。從后面U-Boot的內(nèi)容可以詳細分析這個特性。

大多數(shù)Bootloader都包含2種不同的操作模式：本地加載模式和遠程下載模式。這2種操作模式的區(qū)別僅對于開發(fā)人員才有意義，也就是不同啟動方式的使用。從最終用戶的角度看，Bootloader的作用就是用來加載操作系統(tǒng)，而并不存在所謂的本地加載模式與遠程下載模式的區(qū)別。

因為Bootloader的主要功能是引導操作系統(tǒng)啟動，所以我們詳細討論一下各種啟動方式的特點。

1．網(wǎng)絡啟動方式

這種方式開發(fā)板不需要配置較大的存儲介質(zhì)，跟無盤工作站有點類似。但是使用這種啟動方式之前，需要把Bootloader安裝到板上的EPROM或者Flash中。Bootloader通過以太網(wǎng)接口遠程下載Linux內(nèi)核映像或者文件系統(tǒng)。第4章介紹的交叉開發(fā)環(huán)境就是以網(wǎng)絡啟動方式建立的。這種方式對于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)來說非常重要。

使用這種方式也有前提條件，就是目標板有串口、以太網(wǎng)接口或者其他連接方式。串口一般可以作為控制臺，同時可以用來下載內(nèi)核影像和RAMDISK文件系統(tǒng)。串口通信傳輸速率過低，不適合用來掛接NFS文件系統(tǒng)。所以以太網(wǎng)接口成為通用的互連設備，一般的開發(fā)板都可以配置10M以太網(wǎng)接口。

對于PDA等手持設備來說，以太網(wǎng)的RJ-45接口顯得大了些，而USB接口，特別是USB的迷你接口，尺寸非常小。對于開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，可以把USB接口虛擬成以太網(wǎng)接口來通訊。這種方式在開發(fā)主機和開發(fā)板兩端都需要驅(qū)動程序。

另外，還要在服務器上配置啟動相關(guān)網(wǎng)絡服務。Bootloader下載文件一般都使用TFTP網(wǎng)絡協(xié)議，還可以通過DHCP的方式動態(tài)配置IP地址。

DHCP/BOOTP服務為Bootloader分配IP地址，配置網(wǎng)絡參數(shù)，然后才能夠支持網(wǎng)絡傳輸功能。如果Bootloader可以直接設置網(wǎng)絡參數(shù)，就可以不使用DHCP。

TFTP服務為Bootloader客戶端提供文件下載功能，把內(nèi)核映像和其他文件放在/tftpboot目錄下。這樣Bootloader可以通過簡單的TFTP協(xié)議遠程下載內(nèi)核映像到內(nèi)存。如圖6.1所示。

圖6.1  網(wǎng)絡啟動示意圖

大部分引導程序都能夠支持網(wǎng)絡啟動方式。例如：BIOS的PXE（Preboot Execution Environment）功能就是網(wǎng)絡啟動方式；U-Boot也支持網(wǎng)絡啟動功能。

2．磁盤啟動方式

傳統(tǒng)的Linux系統(tǒng)運行在臺式機或者服務器上，這些計算機一般都使用BIOS引導，并且使用磁盤作為存儲介質(zhì)。如果進入BIOS設置菜單，可以探測處理器、內(nèi)存、硬盤等設備，可以設置BIOS從軟盤、光盤或者某塊硬盤啟動。也就是說，BIOS并不直接引導操作系統(tǒng)。那么在硬盤的主引導區(qū)，還需要一個Bootloader。這個Bootloader可以從磁盤文件系統(tǒng)中把操作系統(tǒng)引導起來。

Linux傳統(tǒng)上是通過LILO（LInux LOader）引導的，后來又出現(xiàn)了GNU的軟件GRUB（GRand Unified Bootloader）。這2種Bootloader廣泛應用在X86的Linux系統(tǒng)上。你的開發(fā)主機可能就使用了其中一種，熟悉它們有助于配置多種系統(tǒng)引導功能。

LILO軟件工程是由Werner Almesberger創(chuàng)建，專門為引導Linux開發(fā)的?，F(xiàn)在LILO的維護者是John Coffman，最新版本下載站點：http://lilo.go.。LILO有詳細的文檔，例如LILO套件中附帶使用手冊和參考手冊。此外，還可以在LDP的“LILO mini-HOWTO”中找到LILO的使用指南。

GRUB是GNU計劃的主要bootloader。GRUB最初是由Erich Boleyn為GNU Mach操作系統(tǒng)撰寫的引導程序。后來有Gordon Matzigkeit和Okuji Yoshinori接替Erich的工作，繼續(xù)維護和開發(fā)GRUB。GRUB的網(wǎng)站http://www./software/grub/上有對套件使用的說明文件，叫作《GRUB manual》。GRUB能夠使用TFTP和BOOTP或者DHCP通過網(wǎng)絡啟動，這種功能對于系統(tǒng)開發(fā)過程很有用。

除了傳統(tǒng)的Linux系統(tǒng)上的引導程序以外，還有其他一些引導程序，也可以支持磁盤引導啟動。例如：LoadLin可以從DOS下啟動Linux；還有ROLO、LinuxBIOS，U-Boot也支持這種功能。

3．Flash啟動方式

大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)上都使用Flash存儲介質(zhì)。Flash有很多類型，包括NOR Flash、NAND Flash和其他半導體盤。其中，NOR Flash（也就是線性Flash）使用最為普遍。

NOR Flash可以支持隨機訪問，所以代碼是可以直接在Flash上執(zhí)行的。Bootloader一般是存儲在Flash芯片上的。另外，Linux內(nèi)核映像和RAMDISK也可以存儲在Flash上。通常需要把Flash分區(qū)使用，每個區(qū)的大小應該是Flash擦除塊大小的整數(shù)倍。圖6.2是Bootloader和內(nèi)核映像以及文件系統(tǒng)的分區(qū)表。

圖6.2  Flash存儲示意圖

Bootloader一般放在Flash的底端或者頂端，這要根據(jù)處理器的復位向量設置。要使Bootloader的入口位于處理器上電執(zhí)行第一條指令的位置。

接下來分配參數(shù)區(qū)，這里可以作為Bootloader的參數(shù)保存區(qū)域。

再下來內(nèi)核映像區(qū)。Bootloader引導Linux內(nèi)核，就是要從這個地方把內(nèi)核映像解壓到RAM中去，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核映像入口執(zhí)行。

然后是文件系統(tǒng)區(qū)。如果使用Ramdisk文件系統(tǒng)，則需要Bootloader把它解壓到RAM中。如果使用JFFS2文件系統(tǒng)，將直接掛接為根文件系統(tǒng)。這兩種文件系統(tǒng)將在第12章詳細講解。

最后還可以分出一些數(shù)據(jù)區(qū)，這要根據(jù)實際需要和Flash大小來考慮了。

這些分區(qū)是開發(fā)者定義的，Bootloader一般直接讀寫對應的偏移地址。到了Linux內(nèi)核空間，可以配置成MTD設備來訪問Flash分區(qū)。但是，有的Bootloader也支持分區(qū)的功能，例如：Redboot可以創(chuàng)建Flash分區(qū)表，并且內(nèi)核MTD驅(qū)動可以解析出redboot的分區(qū)表。

除了NOR Flash，還有NAND Flash、Compact Flash、DiskOnChip等。這些Flash具有芯片價格低，存儲容量大的特點。但是這些芯片一般通過專用控制器的I/O方式來訪問，不能隨機訪問，因此引導方式跟NOR Flash也不同。在這些芯片上，需要配置專用的引導程序。通常，這種引導程序起始的一段代碼就把整個引導程序復制到RAM中運行，從而實現(xiàn)自舉啟動，這跟從磁盤上啟動有些相似。

6.1.3  Bootloader的種類

嵌入式系統(tǒng)世界已經(jīng)有各種各樣的Bootloader，種類劃分也有多種方式。除了按照處理器體系結(jié)構(gòu)不同劃分以外，還有功能復雜程度的不同。

首先區(qū)分一下“Bootloader”和“Monitor”的概念。嚴格來說，“Bootloader”只是引導設備并且執(zhí)行主程序的固件；而“Monitor”還提供了更多的命令行接口，可以進行調(diào)試、讀寫內(nèi)存、燒寫Flash、配置環(huán)境變量等?！?/SPAN>Monitor”在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中可以提供很好的調(diào)試功能，開發(fā)完成以后，就完全設置成了一個“Bootloader”。所以，習慣上大家把它們統(tǒng)稱為Bootloader。

表6.1列出了Linux的開放源碼引導程序及其支持的體系結(jié)構(gòu)。表中給出了X86 ARM PowerPC體系結(jié)構(gòu)的常用引導程序，并且注明了每一種引導程序是不是“Monitor”。

表6.1                                                   開放源碼的Linux 引導程序

Bootloader

Monitor

描    述

x86

ARM

PowerPC

LILO

否

Linux磁盤引導程序

是

否

否

GRUB

否

GNU的LILO替代程序

是

否

否

Loadlin

否

從DOS引導Linux

是

否

否

ROLO

否

從ROM引導Linux而不需要BIOS

是

否

否

Etherboot

否

通過以太網(wǎng)卡啟動Linux系統(tǒng)的固件

是

否

否

LinuxBIOS

否

完全替代BUIS的Linux引導程序

是

否

否

BLOB

否

LART等硬件平臺的引導程序

否

是

否

U-boot

是

通用引導程序

是

是

是

RedBoot

是

基于eCos的引導程序

是

是

是

 

對于每種體系結(jié)構(gòu)，都有一系列開放源碼Bootloader可以選用。

（1）X86

X86的工作站和服務器上一般使用LILO和GRUB。LILO是Linux發(fā)行版主流的Bootloader。不過Redhat Linux發(fā)行版已經(jīng)使用了GRUB，GRUB比LILO有更有好的顯示界面，使用配置也更加靈活方便。

在某些X86嵌入式單板機或者特殊設備上，會采用其他Bootloader，例如：ROLO。這些Bootloader可以取代BIOS的功能，能夠從FLASH中直接引導Linux啟動?，F(xiàn)在ROLO支持的開發(fā)板已經(jīng)并入U-Boot，所以U-Boot也可以支持X86平臺。

（2）ARM

ARM處理器的芯片商很多，所以每種芯片的開發(fā)板都有自己的Bootloader。結(jié)果ARM bootloader也變得多種多樣。最早有為ARM720處理器的開發(fā)板的固件，又有了armboot，StrongARM平臺的blob，還有S3C2410處理器開發(fā)板上的vivi等?，F(xiàn)在armboot已經(jīng)并入了U-Boot，所以U-Boot也支持ARM/XSCALE平臺。U-Boot已經(jīng)成為ARM平臺事實上的標準Bootloader。

（3）PowerPC

PowerPC平臺的處理器有標準的Bootloader，就是ppcboot。PPCBOOT在合并armboot等之后，創(chuàng)建了U-Boot，成為各種體系結(jié)構(gòu)開發(fā)板的通用引導程序。U-Boot仍然是PowerPC平臺的主要Bootloader。

（4）MIPS

MIPS公司開發(fā)的YAMON是標準的Bootloader，也有許多MIPS芯片商為自己的開發(fā)板寫了Bootloader?，F(xiàn)在，U-Boot也已經(jīng)支持MIPS平臺。

（5）SH

SH平臺的標準Bootloader是sh-boot。Redboot在這種平臺上也很好用。

（6）M68K

M68K平臺沒有標準的Bootloader。Redboot能夠支持m68k系列的系統(tǒng)。

值得說明的是Redboot，它幾乎能夠支持所有的體系結(jié)構(gòu)，包括MIPS、SH、M68K等體系結(jié)構(gòu)。Redboot是以eCos為基礎，采用GPL許可的開源軟件工程。現(xiàn)在由core eCos的開發(fā)人員維護，源碼下載網(wǎng)站是http://www./snapshots。Redboot的文檔也相當完善，有詳細的使用手冊《RedBoot User’s Guide》。

6.2.1  U-Boot工程簡介

最早，DENX軟件工程中心的Wolfgang Denk基于8xxrom的源碼創(chuàng)建了PPCBOOT工程，并且不斷添加處理器的支持。后來，Sysgo Gmbh把ppcboot移植到ARM平臺上，創(chuàng)建了ARMboot工程。然后以ppcboot工程和armboot工程為基礎，創(chuàng)建了U-Boot工程。

現(xiàn)在U-Boot已經(jīng)能夠支持PowerPC、ARM、X86、MIPS體系結(jié)構(gòu)的上百種開發(fā)板，已經(jīng)成為功能最多、靈活性最強并且開發(fā)最積極的開放源碼Bootloader。目前仍然由DENX的Wolfgang Denk維護。

U-Boot的源碼包可以從sourceforge網(wǎng)站下載，還可以訂閱該網(wǎng)站活躍的U-Boot Users郵件論壇，這個郵件論壇對于U-Boot的開發(fā)和使用都很有幫助。

U-Boot軟件包下載網(wǎng)站：http:///project/u-boot。

U-Boot郵件列表網(wǎng)站：http://lists./lists/listinfo/u-boot-users/。

DENX相關(guān)的網(wǎng)站：http://www./re/DPLG.html。

6.2.2  U-Boot源碼結(jié)構(gòu)

從網(wǎng)站上下載得到U-Boot源碼包，例如：U-Boot-1.1.2.tar.bz2

解壓就可以得到全部U-Boot源程序。在頂層目錄下有18個子目錄，分別存放和管理不同的源程序。這些目錄中所要存放的文件有其規(guī)則，可以分為3類。

· 第1類目錄與處理器體系結(jié)構(gòu)或者開發(fā)板硬件直接相關(guān)；

· 第2類目錄是一些通用的函數(shù)或者驅(qū)動程序；

· 第3類目錄是U-Boot的應用程序、工具或者文檔。

表6.2列出了U-Boot頂層目錄下各級目錄存放原則。

表6.2                                                  U-Boot的源碼頂層目錄說明

目    錄

特    性

解 釋 說 明

board

平臺依賴

存放電路板相關(guān)的目錄文件，例如：RPXlite(mpc8xx)、smdk2410(arm920t)、sc520_cdp(x86) 等目錄

cpu

平臺依賴

存放CPU相關(guān)的目錄文件，例如：mpc8xx、ppc4xx、arm720t、arm920t、 xscale、i386等目錄

lib_ppc

平臺依賴

存放對PowerPC體系結(jié)構(gòu)通用的文件，主要用于實現(xiàn)PowerPC平臺通用的函數(shù)

目    錄

特    性

解 釋 說 明

lib_arm

平臺依賴

存放對ARM體系結(jié)構(gòu)通用的文件，主要用于實現(xiàn)ARM平臺通用的函數(shù)

lib_i386

平臺依賴

存放對X86體系結(jié)構(gòu)通用的文件，主要用于實現(xiàn)X86平臺通用的函數(shù)

include

通用

頭文件和開發(fā)板配置文件，所有開發(fā)板的配置文件都在configs目錄下

common

通用

通用的多功能函數(shù)實現(xiàn)

lib_generic

通用

通用庫函數(shù)的實現(xiàn)

Net

通用

存放網(wǎng)絡的程序

Fs

通用

存放文件系統(tǒng)的程序

Post

通用

存放上電自檢程序

drivers

通用

通用的設備驅(qū)動程序，主要有以太網(wǎng)接口的驅(qū)動

Disk

通用

硬盤接口程序

Rtc

通用

RTC的驅(qū)動程序

Dtt

通用

數(shù)字溫度測量器或者傳感器的驅(qū)動

examples

應用例程

一些獨立運行的應用程序的例子，例如helloworld

tools

工具

存放制作S-Record 或者 U-Boot格式的映像等工具，例如mkimage

Doc

文檔

開發(fā)使用文檔

 

U-Boot的源代碼包含對幾十種處理器、數(shù)百種開發(fā)板的支持?？墒菍τ谔囟ǖ拈_發(fā)板，配置編譯過程只需要其中部分程序。這里具體以S3C2410 arm920t處理器為例，具體分析S3C2410處理器和開發(fā)板所依賴的程序，以及U-Boot的通用函數(shù)和工具。

6.2.3  U-Boot的編譯

U-Boot的源碼是通過GCC和Makefile組織編譯的。頂層目錄下的Makefile首先可以設置開發(fā)板的定義，然后遞歸地調(diào)用各級子目錄下的Makefile，最后把編譯過的程序鏈接成U-Boot映像。

1．頂層目錄下的Makefile

它負責U-Boot整體配置編譯。按照配置的順序閱讀其中關(guān)鍵的幾行。

每一種開發(fā)板在Makefile都需要有板子配置的定義。例如smdk2410開發(fā)板的定義如下。

 

smdk2410_config :   unconfig

     @./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0

 

執(zhí)行配置U-Boot的命令make smdk2410_config，通過./mkconfig腳本生成include/config.
mk的配置文件。文件內(nèi)容正是根據(jù)Makefile對開發(fā)板的配置生成的。

 

ARCH   = arm

CPU    = arm920t

BOARD  = smdk2410

SOC    = s3c24x0

 

上面的include/config.mk文件定義了ARCH、CPU、BOARD、SOC這些變量。這樣硬件平臺依賴的目錄文件可以根據(jù)這些定義來確定。SMDK2410平臺相關(guān)目錄如下。

board/smdk2410/

cpu/arm920t/

cpu/arm920t/s3c24x0/

lib_arm/

include/asm-arm/

include/configs/smdk2410.h

再回到頂層目錄的Makefile文件開始的部分，其中下列幾行包含了這些變量的定義。

 

# load ARCH, BOARD, and CPU configuration

include include/config.mk

export       ARCH CPU BOARD VENDOR SOC

 

Makefile的編譯選項和規(guī)則在頂層目錄的config.mk文件中定義。各種體系結(jié)構(gòu)通用的規(guī)則直接在這個文件中定義。通過ARCH、CPU、BOARD、SOC等變量為不同硬件平臺定義不同選項。不同體系結(jié)構(gòu)的規(guī)則分別包含在ppc_config.mk、arm_config.mk、mips_config.mk等文件中。

頂層目錄的Makefile中還要定義交叉編譯器，以及編譯U-Boot所依賴的目標文件。

 

ifeq ($(ARCH),arm)

CROSS_COMPILE = arm-linux-          //交叉編譯器的前綴

#endif

export  CROSS_COMPILE

…

# U-Boot objects....order is important (i.e. start must be first)

OBJS  = cpu/$(CPU)/start.o                  //處理器相關(guān)的目標文件

…

LIBS  = lib_generic/libgeneric.a            //定義依賴的目錄，每個目錄下先把目標文件連接成*.a文件。

LIBS += board/$(BOARDDIR)/lib$(BOARD).a

LIBS += cpu/$(CPU)/lib$(CPU).a

ifdef SOC

LIBS += cpu/$(CPU)/$(SOC)/lib$(SOC).a

endif

LIBS += lib_$(ARCH)/lib$(ARCH).a

…

 

然后還有U-Boot映像編譯的依賴關(guān)系。

 

ALL = u-boot.srec u-boot.bin System.map

all:        $(ALL)

u-boot.srec:    u-boot

            $(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O srec $< $@

u-boot.bin: u-boot

            $(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O binary $< $@

……

u-boot:         depend $(SUBDIRS) $(OBJS) $(LIBS) $(LDSCRIPT)

            UNDEF_SYM='$(OBJDUMP) -x $(LIBS) \

            |sed  -n -e 's/.*\(__u_boot_cmd_.*\)/-u\1/p'|sort|uniq`;\

            $(LD) $(LDFLAGS) $$UNDEF_SYM $(OBJS) \

                 --start-group $(LIBS) $(PLATFORM_LIBS) --end-group \

                 -Map u-boot.map -o u-boot

 

Makefile缺省的編譯目標為all，包括u-boot.srec、u-boot.bin、System.map。u-boot.srec和u-boot.bin又依賴于U-Boot。U-Boot就是通過ld命令按照u-boot.map地址表把目標文件組裝成u-boot。

其他Makefile內(nèi)容就不再詳細分析了，上述代碼分析應該可以為閱讀代碼提供了一個線索。

2．開發(fā)板配置頭文件

除了編譯過程Makefile以外，還要在程序中為開發(fā)板定義配置選項或者參數(shù)。這個頭文件是include/configs/<board_name>.h。<board_name>用相應的BOARD定義代替。

這個頭文件中主要定義了兩類變量。

一類是選項，前綴是CONFIG_，用來選擇處理器、設備接口、命令、屬性等。例如：

 

#define   CONFIG_ARM920T         1

#define   CONFIG_DRIVER_CS8900  1

 

另一類是參數(shù)，前綴是CFG_，用來定義總線頻率、串口波特率、Flash地址等參數(shù)。例如：

 

#define     CFG_FLASH_BASE      0x00000000

#define CFG_PROMPT          "=>"

3．編譯結(jié)果

根據(jù)對Makefile的分析，編譯分為2步。第1步配置，例如：make smdk2410_config；第2步編譯，執(zhí)行make就可以了。

編譯完成后，可以得到U-Boot各種格式的映像文件和符號表，如表6.3所示。

表6.3                                                  U-Boot編譯生成的映像文件

文 件 名 稱

說    明

文 件 名 稱

說    明

System.map

U-Boot映像的符號表

u-boot.bin

U-Boot映像原始的二進制格式

u-boot

U-Boot映像的ELF格式

u-boot.srec

U-Boot映像的S-Record格式

 

U-Boot的3種映像格式都可以燒寫到Flash中，但需要看加載器能否識別這些格式。一般u-boot.bin最為常用，直接按照二進制格式下載，并且按照絕對地址燒寫到Flash中就可以了。U-Boot和u-boot.srec格式映像都自帶定位信息。

4．U-Boot工具

在tools目錄下還有些U-Boot的工具。這些工具有的也經(jīng)常用到。表6.4說明了幾種工具的用途。

表6.4                                                              U-Boot的工具

工 具 名 稱

說    明

工 具 名 稱

說    明

bmp_logo

制作標記的位圖結(jié)構(gòu)體

img2srec

轉(zhuǎn)換SREC格式映像

envcrc

校驗u-boot內(nèi)部嵌入的環(huán)境變量

mkimage

轉(zhuǎn)換U-Boot格式映像

gen_eth_addr

生成以太網(wǎng)接口MAC地址

updater

U-Boot自動更新升級工具

 

這些工具都有源代碼，可以參考改寫其他工具。其中mkimage是很常用的一個工具，Linux內(nèi)核映像和ramdisk文件系統(tǒng)映像都可以轉(zhuǎn)換成U-Boot的格式。

6.2.4  U-Boot的移植

U-Boot能夠支持多種體系結(jié)構(gòu)的處理器，支持的開發(fā)板也越來越多。因為Bootloader是完全依賴硬件平臺的，所以在新電路板上需要移植U-Boot程序。

開始移植U-Boot之前，先要熟悉硬件電路板和處理器。確認U-Boot是否已經(jīng)支持新開發(fā)板的處理器和I/O設備。假如U-Boot已經(jīng)支持一塊非常相似的電路板，那么移植的過程將非常簡單。

移植U-Boot工作就是添加開發(fā)板硬件相關(guān)的文件、配置選項，然后配置編譯。

開始移植之前，需要先分析一下U-Boot已經(jīng)支持的開發(fā)板，比較出硬件配置最接近的開發(fā)板。選擇的原則是，首先處理器相同，其次處理器體系結(jié)構(gòu)相同，然后是以太網(wǎng)接口等外圍接口。還要驗證一下這個參考開發(fā)板的U-Boot，至少能夠配置編譯通過。

以S3C2410處理器的開發(fā)板為例，U-Boot-1.1.2版本已經(jīng)支持SMDK2410開發(fā)板。我們可以基于SMDK2410移植，那么先把SMDK2410編譯通過。

我們以S3C2410開發(fā)板fs2410為例說明。移植的過程參考SMDK2410開發(fā)板，SMDK2410在U-Boot-1.1.2中已經(jīng)支持。

移植U-Boot的基本步驟如下。

（1）在頂層Makefile中為開發(fā)板添加新的配置選項，使用已有的配置項目為例。

 

smdk2410_config   :       unconfig

         @./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0

 

參考上面2行，添加下面2行。

 

fs2410_config   :       unconfig

     @./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t fs2410 NULL s3c24x0

 

（2）創(chuàng)建一個新目錄存放開發(fā)板相關(guān)的代碼，并且添加文件。

board/fs2410/config.mk

board/fs2410/flash.c

board/fs2410/fs2410.c

board/fs2410/Makefile

board/fs2410/memsetup.S

board/fs2410/u-boot.lds

（3）為開發(fā)板添加新的配置文件

可以先復制參考開發(fā)板的配置文件，再修改。例如：

$cp include/configs/smdk2410.h  include/configs/fs2410.h

如果是為一顆新的CPU移植，還要創(chuàng)建一個新的目錄存放CPU相關(guān)的代碼。

（4）配置開發(fā)板

$ make fs2410_config

（5）編譯U-Boot

執(zhí)行make命令，編譯成功可以得到U-Boot映像。有些錯誤是跟配置選項是有關(guān)系的，通常打開某些功能選項會帶來一些錯誤，一開始可以盡量跟參考板配置相同。

（6）添加驅(qū)動或者功能選項

在能夠編譯通過的基礎上，還要實現(xiàn)U-Boot的以太網(wǎng)接口、Flash擦寫等功能。

對于FS2410開發(fā)板的以太網(wǎng)驅(qū)動和smdk2410完全相同，所以可以直接使用。CS8900驅(qū)動程序文件如下。

drivers/cs8900.c

drivers/cs8900.h

對于Flash的選擇就麻煩多了，Flash芯片價格或者采購方面的因素都有影響。多數(shù)開發(fā)板大小、型號不都相同。所以還需要移植Flash的驅(qū)動。每種開發(fā)板目錄下一般都有flash.c這個文件，需要根據(jù)具體的Flash類型修改。例如：

board/fs2410/flash.c

（7）調(diào)試U-Boot源代碼，直到U-Boot在開發(fā)板上能夠正常啟動。

調(diào)試的過程可能是很艱難的，需要借助工具，并且有些問題可能困擾很長時間。

6.2.5 添加U-Boot命令

U-Boot的命令為用戶提供了交互功能，并且已經(jīng)實現(xiàn)了幾十個常用的命令。如果開發(fā)板需要很特殊的操作，可以添加新的U-Boot命令。

U-Boot的每一個命令都是通過U_Boot_CMD宏定義的。這個宏在include/command.h頭文件中定義，每一個命令定義一個cmd_tbl_t結(jié)構(gòu)體。

 

#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) \

cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage, help}

 

這樣每一個U-Boot命令有一個結(jié)構(gòu)體來描述。結(jié)構(gòu)體包含的成員變量：命令名稱、最大參數(shù)個數(shù)、重復數(shù)、命令執(zhí)行函數(shù)、用法、幫助。

從控制臺輸入的命令是由common/command.c中的程序解釋執(zhí)行的。find_cmd()負責匹配輸入的命令，從列表中找出對應的命令結(jié)構(gòu)體。

基于U-Boot命令的基本框架，來分析一下簡單的icache操作命令，就可以知道添加新命令的方法。

（1）定義CACHE命令。在include/cmd_confdefs.h中定義了所有U-Boot命令的標志位。

 

#define CFG_CMD_CACHE       0x00000010ULL   /* icache, dcache       */

 

如果有更多的命令，也要在這里添加定義。

（2）實現(xiàn)CACHE命令的操作函數(shù)。下面是common/cmd_cache.c文件中icache命令部分的代碼。

 

#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_CACHE)

static int on_off (const char *s)

{       //這個函數(shù)解析參數(shù)，判斷是打開cache，還是關(guān)閉cache

        if (strcmp(s, "on") == 0) {  //參數(shù)為“on”

               return (1);

        } else if (strcmp(s, "off") == 0) {  //參數(shù)為“off”

               return (0);

    }

    return (-1);

}

 

int do_icache ( cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])

{     //對指令cache的操作函數(shù)

      switch (argc) {

      case 2:               /* 參數(shù)個數(shù)為1，則執(zhí)行打開或者關(guān)閉指令cache操作 */

             switch (on_off(argv[1])) {

             case 0:     icache_disable();        //打開指令cache

                   break;

             case 1:     icache_enable ();        //關(guān)閉指令cache

                   break;

             }

            /* FALL TROUGH */

      case 1:           /* 參數(shù)個數(shù)為0，則獲取指令cache狀態(tài)*/ 

            printf ("Instruction Cache is %s\n",

                    icache_status() ? "ON" : "OFF");

            return 0;

      default:  //其他缺省情況下，打印命令使用說明

            printf ("Usage:\n%s\n", cmdtp->usage);

            return 1;

      }

      return 0;

}

……

U_Boot_CMD( //通過宏定義命令

    icache,   2,   1,     do_icache,  //命令為icache，命令執(zhí)行函數(shù)為do_icache()

    "icache  - enable or disable instruction cache\n",   //幫助信息

    "[on, off]\n"

    "    - enable or disable instruction cache\n"

);

……

#endif

 

U-Boot的命令都是通過結(jié)構(gòu)體__U_Boot_cmd_##name來描述的。根據(jù)U_Boot_CMD在include/command.h中的兩行定義可以明白。

 

#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) \

cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage, help}

 

還有，不要忘了在common/Makefile中添加編譯的目標文件。

（3）打開CONFIG_COMMANDS選項的命令標志位。這個程序文件開頭有#if語句需要預處理是否包含這個命令函數(shù)。CONFIG_COMMANDS選項在開發(fā)板的配置文件中定義。例如：SMDK2410平臺在include/configs/smdk2410.h中有如下定義。

 

/***********************************************************

 * Command definition

 ***********************************************************/

#define CONFIG_COMMANDS \

                 (CONFIG_CMD_DFL  | \

                 CFG_CMD_CACHE     | \

                 CFG_CMD_REGINFO    | \

                 CFG_CMD_DATE      | \

                 CFG_CMD_ELF)

 

按照這3步，就可以添加新的U-Boot命令。

6.3  U-Boot的調(diào)試

新移植的U-Boot不能正常工作，這時就需要調(diào)試了。調(diào)試U-Boot離不開工具，只有理解U-Boot啟動過程，才能正確地調(diào)試U-Boot源碼。

6.3.1 硬件調(diào)試器

硬件電路板制作完成以后，這時上面還沒有任何程序，就叫作裸板。首要的工作是把程序或者固件加載到裸板上，這就要通過硬件工具來完成。習慣上，這種硬件工具叫作仿真器。

仿真器可以通過處理器的JTAG等接口控制板子，直接把程序下載到目標板內(nèi)存，或者進行Flash編程。如果板上的Flash是可以拔插的，就可以通過專用的Flash燒寫器來完成。在第4章介紹過目標板跟主機之間的連接，其中JTAG等接口就是專門用來連接仿真器的。

仿真器還有一個重要的功能就是在線調(diào)試程序，這對于調(diào)試Bootloader和硬件測試程序很有用。

從最簡單的JTAG電纜，到ICE仿真器，再到可以調(diào)試Linux內(nèi)核的仿真器。

復雜的仿真器可以支持與計算機間的以太網(wǎng)或者USB接口通信。

對于U-Boot的調(diào)試，可以采用BDI2000。BDI2000完全可以反匯編地跟蹤Flash中的程序，也可以進行源碼級的調(diào)試。

使用BDI2000調(diào)試U-boot的方法如下。

（1）配置BDI2000和目標板初始化程序，連接目標板。

（2）添加U-Boot的調(diào)試編譯選項，重新編譯。

U-Boot的程序代碼是位置相關(guān)的，調(diào)試的時候盡量在內(nèi)存中調(diào)試，可以修改連接定位地址TEXT_BASE。TEXT_BASE在board/<board_name>/config.mk中定義。

另外，如果有復位向量也需要先從鏈接腳本中去掉。鏈接腳本是board/<board_name>/
u-boot.lds。

添加調(diào)試選項，在config.mk文件中查找，DBGFLAGS，加上-g選項。然后重新編譯U-Boot。

（3）下載U-Boot到目標板內(nèi)存。

通過BDI2000的下載命令LOAD，把程序加載到目標板內(nèi)存中。然后跳轉(zhuǎn)到U-Boot入口。

（4）啟動GDB調(diào)試。

啟動GDB調(diào)試，這里是交叉調(diào)試的GDB。GDB與BDI2000建立鏈接，然后就可以設置斷點執(zhí)行了。

 

$ arm-linux-gdb u-boot

(gdb)target remote 192.168.1.100:2001

(gdb)stepi

(gdb)b start_armboot

(gdb)c

6.3.2 軟件跟蹤

假如U-Boot沒有任何串口打印信息，手頭又沒有硬件調(diào)試工具，那樣怎么知道U-Boot執(zhí)行到什么地方了呢？可以通過開發(fā)板上的LED指示燈判斷。

開發(fā)板上最好設計安裝八段數(shù)碼管等LED，可以用來顯示數(shù)字或者數(shù)字位。

U-Boot可以定義函數(shù)show_boot_progress (int status)，用來指示當前啟動進度。在include/common.h頭文件中聲明這個函數(shù)。

 

#ifdef CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS

void    show_boot_progress (int status);

#endif

 

CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS是需要定義的。這個在板子配置的頭文件中定義。CSB226開發(fā)板對這項功能有完整實現(xiàn)，可以參考。在頭文件include/configs/csb226.h中，有下列一行。

 

#define CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS       1

 

函數(shù)show_boot_progress (int status)的實現(xiàn)跟開發(fā)板關(guān)系密切，所以一般在board目錄下的文件中實現(xiàn)?？匆幌?/SPAN>CSB226在board/csb226/csb226.c中的實現(xiàn)函數(shù)。

 

/** 設置CSB226板的0、1、2三個指示燈的開關(guān)狀態(tài)

 * csb226_set_led: - switch LEDs on or off

 * @param led:   LED to switch (0,1,2)

 * @param state: switch on (1) or off (0)

 */

void csb226_set_led(int led, int state)

{

      switch(led) {

             case 0: if (state==1) {

                              GPCR0 |= CSB226_USER_LED0;

                    } else if (state==0) {

                            GPSR0 |= CSB226_USER_LED0;

                    }

                    break;

             case 1: if (state==1) {

                              GPCR0 |= CSB226_USER_LED1;

                    } else if (state==0) {

                              GPSR0 |= CSB226_USER_LED1;

                    }

                    break;

             case 2: if (state==1) {

                              GPCR0 |= CSB226_USER_LED2;

                  } else if (state==0) {

                          GPSR0 |= CSB226_USER_LED2;

                  }

                  break;

      }

      return;

}

/** 顯示啟動進度函數(shù)，在比較重要的階段，設置三個燈為亮的狀態(tài)（1, 5, 15）*/

void show_boot_progress (int status)

{

      switch(status) {

            case  1: csb226_set_led(0,1); break;

            case  5: csb226_set_led(1,1); break;

            case 15: csb226_set_led(2,1); break;

      }

      return;

}

 

這樣，在U-Boot啟動過程中就可以通過show_boot_progresss指示執(zhí)行進度。比如hang()函數(shù)是系統(tǒng)出錯時調(diào)用的函數(shù)，這里需要根據(jù)特定的開發(fā)板給定顯示的參數(shù)值。

 

void hang (void)

{

      puts ("### ERROR ### Please RESET the board ###\n");

#ifdef CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS

      show_boot_progress(-30);

#endif

      for (;;);

6.3.3  U-Boot啟動過程

盡管有了調(diào)試跟蹤手段，甚至也可以通過串口打印信息了，但是不一定能夠判斷出錯原因。如果能夠充分理解代碼的啟動流程，那么對準確地解決和分析問題很有幫助。

開發(fā)板上電后，執(zhí)行U-Boot的第一條指令，然后順序執(zhí)行U-Boot啟動函數(shù)。函數(shù)調(diào)用順序如圖6.3所示。

看一下board/smsk2410/u-boot.lds這個鏈接腳本，可以知道目標程序的各部分鏈接順序。第一個要鏈接的是cpu/arm920t/start.o，那么U-Boot的入口指令一定位于這個程序中。下面詳細分析一下程序跳轉(zhuǎn)和函數(shù)的調(diào)用關(guān)系以及函數(shù)實現(xiàn)。

1．cpu/arm920t/start.S

這個匯編程序是U-Boot的入口程序，開頭就是復位向量的代碼。

圖6.3  U-Boot啟動代碼流程圖

 

_start: b       reset        //復位向量

       ldr   pc, _undefined_instruction

       ldr   pc, _software_interrupt

       ldr   pc, _prefetch_abort

       ldr   pc, _data_abort

       ldr   pc, _not_used

       ldr   pc, _irq      //中斷向量

       ldr   pc, _fiq      //中斷向量

…

 /* the actual reset code  */

reset:          //復位啟動子程序

       /* 設置CPU為SVC32模式 */

       mrs   r0,cpsr

       bic   r0,r0,#0x1f

       orr   r0,r0,#0xd3

       msr   cpsr,r0

/* 關(guān)閉看門狗 */

 

/* 這些初始化代碼在系統(tǒng)重起的時候執(zhí)行，運行時熱復位從RAM中啟動不執(zhí)行 */

#ifdef CONFIG_INIT_CRITICAL

       bl    cpu_init_crit

#endif

 

relocate:                       /* 把U-Boot重新定位到RAM */

       adr   r0, _start          /* r0是代碼的當前位置 */

       ldr   r1, _TEXT_BASE      /* 測試判斷是從Flash啟動，還是RAM */

       cmp     r0, r1          /* 比較r0和r1，調(diào)試的時候不要執(zhí)行重定位 */

       beq     stack_setup    /* 如果r0等于r1，跳過重定位代碼 */

       /* 準備重新定位代碼 */

       ldr   r2, _armboot_start

       ldr   r3, _bss_start

       sub   r2, r3, r2          /* r2 得到armboot的大小   */

       add   r2, r0, r2          /* r2 得到要復制代碼的末尾地址 */

copy_loop: /* 重新定位代碼 */

       ldmia r0!, {r3-r10}   /*從源地址[r0]復制 */

       stmia r1!, {r3-r10}   /* 復制到目的地址[r1] */

       cmp   r0, r2          /* 復制數(shù)據(jù)塊直到源數(shù)據(jù)末尾地址[r2] */

       ble   copy_loop

 

       /* 初始化堆棧等    */

stack_setup:

       ldr   r0, _TEXT_BASE              /* 上面是128 KiB重定位的u-boot */

       sub   r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN     /* 向下是內(nèi)存分配空間 */

       sub   r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* 然后是bdinfo結(jié)構(gòu)體地址空間  */

#ifdef CONFIG_USE_IRQ

       sub   r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)

#endif

       sub   sp, r0, #12     /* 為abort-stack預留3個字 */

clear_bss:

       ldr   r0, _bss_start      /* 找到bss段起始地址 */

       ldr   r1, _bss_end        /*  bss段末尾地址   */

       mov   r2, #0x00000000     /* 清零 */

clbss_l:str r2, [r0]        /* bss段地址空間清零循環(huán)...  */

       add   r0, r0, #4

       cmp   r0, r1

       bne   clbss_l

       /* 跳轉(zhuǎn)到start_armboot函數(shù)入口，_start_armboot字保存函數(shù)入口指針 */

       ldr   pc, _start_armboot

_start_armboot: .word start_armboot     //start_armboot函數(shù)在lib_arm/board.c中實現(xiàn)

/* 關(guān)鍵的初始化子程序 */

cpu_init_crit:

……  //初始化CACHE，關(guān)閉MMU等操作指令

       /* 初始化RAM時鐘。

       * 因為內(nèi)存時鐘是依賴開發(fā)板硬件的，所以在board的相應目錄下可以找到memsetup.S文件。

       */

       mov   ip, lr

       bl    memsetup        //memsetup子程序在board/smdk2410/memsetup.S中實現(xiàn)

       mov   lr, ip

       mov   pc, lr

 

2．lib_arm/board.c

start_armboot是U-Boot執(zhí)行的第一個C語言函數(shù)，完成系統(tǒng)初始化工作，進入主循環(huán)，處理用戶輸入的命令。

 

 

void start_armboot (void)

{

       DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;

       ulong size;

       init_fnc_t **init_fnc_ptr;

       char *s;

       /* Pointer is writable since we allocated a register for it */

       gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));

       /* compiler optimization barrier needed for GCC >= 3.4 */

       __asm__ __volatile__("": : :"memory");

       memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t));

       gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));

       memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));

       monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;

       /* 順序執(zhí)行init_sequence數(shù)組中的初始化函數(shù) */

       for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {

              if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {

                      hang ();

              }

       }

       /*配置可用的Flash */

       size = flash_init ();

       display_flash_config (size);

       /* _armboot_start 在u-boot.lds鏈接腳本中定義 */

       mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);

       /* 配置環(huán)境變量，重新定位 */

       env_relocate ();

       /* 從環(huán)境變量中獲取IP地址 */

       gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");

       /* 以太網(wǎng)接口MAC 地址 */

       ……

       devices_init ();      /* 獲取列表中的設備 */

       jumptable_init ();

       console_init_r ();    /* 完整地初始化控制臺設備 */

       enable_interrupts (); /* 使能例外處理 */

       /* 通過環(huán)境變量初始化 */

       if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {

               load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);

       }

       /* main_loop()總是試圖自動啟動，循環(huán)不斷執(zhí)行 */

       for (;;) {

               main_loop ();      /* 主循環(huán)函數(shù)處理執(zhí)行用戶命令 -- common/main.c */

       }

       /* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */

}

 

3．init_sequence[]

init_sequence[]數(shù)組保存著基本的初始化函數(shù)指針。這些函數(shù)名稱和實現(xiàn)的程序文件在下列注釋中。

 

init_fnc_t *init_sequence[] = {

       cpu_init,             /* 基本的處理器相關(guān)配置 -- cpu/arm920t/cpu.c */

       board_init,           /* 基本的板級相關(guān)配置 -- board/smdk2410/smdk2410.c */

       interrupt_init,       /* 初始化例外處理 -- cpu/arm920t/s3c24x0/interrupt.c */

       env_init,             /* 初始化環(huán)境變量 -- common/cmd_flash.c */

       init_baudrate,        /* 初始化波特率設置 -- lib_arm/board.c */

       serial_init,          /* 串口通訊設置 -- cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c */

       console_init_f,       /* 控制臺初始化階段1 -- common/console.c */

       display_banner,       /* 打印u-boot信息 -- lib_arm/board.c */

       dram_init,            /* 配置可用的RAM -- board/smdk2410/smdk2410.c */

       display_dram_config,  /* 顯示RAM的配置大小 -- lib_arm/board.c */

       NULL,

};

6.3.4  U-Boot與內(nèi)核的關(guān)系

U-Boot作為Bootloader，具備多種引導內(nèi)核啟動的方式。常用的go和bootm命令可以直接引導內(nèi)核映像啟動。U-Boot與內(nèi)核的關(guān)系主要是內(nèi)核啟動過程中參數(shù)的傳遞。

1．go命令的實現(xiàn)

 

/* common/cmd_boot.c  */

int do_go (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])

{

       ulong addr, rc;

       int     rcode = 0;

       if (argc < 2) {

              printf ("Usage:\n%s\n", cmdtp->usage);

              return 1;

       }

       addr = simple_strtoul(argv[1], NULL, 16);

       printf ("## Starting application at 0x%08lX ...\n", addr);

       /*

        * pass address parameter as argv[0] (aka command name),

        * and all remaining args

        */

       rc = ((ulong (*)(int, char *[]))addr) (--argc, &argv[1]);

       if (rc != 0) rcode = 1;

 

       printf ("## Application terminated, rc = 0x%lX\n", rc);

       return rcode;

}

 

go命令調(diào)用do_go()函數(shù)，跳轉(zhuǎn)到某個地址執(zhí)行的。如果在這個地址準備好了自引導的內(nèi)核映像，就可以啟動了。盡管go命令可以帶變參，實際使用時一般不用來傳遞參數(shù)。

2．bootm命令的實現(xiàn)

 

/* common/cmd_bootm.c */

int do_bootm (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])

{

       ulong iflag;

       ulong addr;

       ulong data, len, checksum;

       ulong  *len_ptr;

       uint  unc_len = 0x400000;

       int   i, verify;

       char  *name, *s;

       int   (*appl)(int, char *[]);

       image_header_t *hdr = &header;

 

       s = getenv ("verify");

       verify = (s && (*s == 'n')) ? 0 : 1;

       if (argc < 2) {

              addr = load_addr;

       } else {

              addr = simple_strtoul(argv[1], NULL, 16);

       }

       SHOW_BOOT_PROGRESS (1);

       printf ("## Booting image at %08lx ...\n", addr);

       /* Copy header so we can blank CRC field for re-calculation */

       memmove (&header, (char *)addr, sizeof(image_header_t));

       if (ntohl(hdr->ih_magic) != IH_MAGIC)

       {

              puts ("Bad Magic Number\n");

              SHOW_BOOT_PROGRESS (-1);

              return 1;

       }

       SHOW_BOOT_PROGRESS (2);

       data = (ulong)&header;

       len  = sizeof(image_header_t);

 

       checksum = ntohl(hdr->ih_hcrc);

       hdr->ih_hcrc = 0;

 

       if(crc32 (0, (char *)data, len) != checksum) {

              puts ("Bad Header Checksum\n");

              SHOW_BOOT_PROGRESS (-2);

              return 1;

       }

       SHOW_BOOT_PROGRESS (3);

       /* for multi-file images we need the data part, too */

       print_image_hdr ((image_header_t *)addr);

       data = addr + sizeof(image_header_t);

       len  = ntohl(hdr->ih_size);

       if(verify) {

              puts ("   Verifying Checksum ... ");

              if(crc32 (0, (char *)data, len) != ntohl(hdr->ih_dcrc)) {

                     printf ("Bad Data CRC\n");

                     SHOW_BOOT_PROGRESS (-3);

                     return 1;

              }

              puts ("OK\n");

       }

       SHOW_BOOT_PROGRESS (4);

       len_ptr = (ulong *)data;

……

       switch (hdr->ih_os) {

       default:                /* handled by (original) Linux case */

       case IH_OS_LINUX:

             do_bootm_linux  (cmdtp, flag, argc, argv,

                         addr, len_ptr, verify);

             break;

       ……

}

 

bootm命令調(diào)用do_bootm函數(shù)。這個函數(shù)專門用來引導各種操作系統(tǒng)映像，可以支持引導Linux、vxWorks、QNX等操作系統(tǒng)。引導Linux的時候，調(diào)用do_bootm_linux()函數(shù)。

3．do_bootm_linux函數(shù)的實現(xiàn)

 

/* lib_arm/armlinux.c */

void do_bootm_linux (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[],

                   ulong addr, ulong *len_ptr, int verify)

{

       DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;

       ulong len = 0, checksum;

       ulong initrd_start, initrd_end;

       ulong data;

       void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);

       image_header_t *hdr = &header;

       bd_t *bd = gd->bd;

#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG

       char *commandline = getenv ("bootargs");

#endif

       theKernel = (void (*)(int, int, uint))ntohl(hdr->ih_ep);

       /* Check if there is an initrd image */

       if(argc >= 3) {

              SHOW_BOOT_PROGRESS (9);

              addr = simple_strtoul (argv[2], NULL, 16);

              printf ("## Loading Ramdisk Image at %08lx ...\n", addr);

              /* Copy header so we can blank CRC field for re-calculation */

              memcpy (&header, (char *) addr, sizeof (image_header_t));

              if (ntohl (hdr->ih_magic) != IH_MAGIC) {

                      printf ("Bad Magic Number\n");

                      SHOW_BOOT_PROGRESS (-10);

                      do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);

              }

              data = (ulong) & header;

              len = sizeof (image_header_t);

              checksum = ntohl (hdr->ih_hcrc);

              hdr->ih_hcrc = 0;

              if(crc32 (0, (char *) data, len) != checksum) {

                     printf ("Bad Header Checksum\n");

                     SHOW_BOOT_PROGRESS (-11);

                     do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);

              }

              SHOW_BOOT_PROGRESS (10);

              print_image_hdr (hdr);

              data = addr + sizeof (image_header_t);

              len = ntohl (hdr->ih_size);

              if(verify) {

                     ulong csum = 0;

                     printf ("   Verifying Checksum ... ");

                     csum = crc32 (0, (char *) data, len);

                     if (csum != ntohl (hdr->ih_dcrc)) {

                            printf ("Bad Data CRC\n");

                            SHOW_BOOT_PROGRESS (-12);

                            do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);

                     }

                     printf ("OK\n");

              }

              SHOW_BOOT_PROGRESS (11);

              if ((hdr->ih_os != IH_OS_LINUX) ||

                     (hdr->ih_arch != IH_CPU_ARM) ||

                     (hdr->ih_type != IH_TYPE_RAMDISK)) {

                     printf ("No Linux ARM Ramdisk Image\n");

                     SHOW_BOOT_PROGRESS (-13);

                     do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);

              }

              /* Now check if we have a multifile image */

       } else if ((hdr->ih_type == IH_TYPE_MULTI) && (len_ptr[1])) {

               ulong tail = ntohl (len_ptr[0]) % 4;

               int i;

               SHOW_BOOT_PROGRESS (13);

               /* skip kernel length and terminator */

               data = (ulong) (&len_ptr[2]);

               /* skip any additional image length fields */

               for (i = 1; len_ptr[i]; ++i)

                       data += 4;

              /* add kernel length, and align */

              data += ntohl (len_ptr[0]);

              if (tail) {

                       data += 4 - tail;

              }

              len = ntohl (len_ptr[1]);

       } else {

               /* no initrd image */

              SHOW_BOOT_PROGRESS (14);

              len = data = 0;

       }

       if (data) {

               initrd_start = data;

               initrd_end = initrd_start + len;

       } else {

               initrd_start = 0;

               initrd_end = 0;

       }

       SHOW_BOOT_PROGRESS (15);

       debug ("## Transferring control to Linux (at address %08lx) ...\n",

               (ulong) theKernel);

#if defined (CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || \

      defined (CONFIG_CMDLINE_TAG) || \

      defined (CONFIG_INITRD_TAG) || \

      defined (CONFIG_SERIAL_TAG) || \

      defined (CONFIG_REVISION_TAG) || \

      defined (CONFIG_LCD) || \

      defined (CONFIG_VFD)

      setup_start_tag (bd);

#ifdef CONFIG_SERIAL_TAG

      setup_serial_tag (&params);

#endif

#ifdef CONFIG_REVISION_TAG

      setup_revision_tag (&params);

#endif

#ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS

      setup_memory_tags (bd);

#endif

#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG

      setup_commandline_tag (bd, commandline);

#endif

#ifdef CONFIG_INITRD_TAG

      if (initrd_start && initrd_end)

               setup_initrd_tag (bd, initrd_start, initrd_end);

#endif

      setup_end_tag (bd);

#endif

      /* we assume that the kernel is in place */

      printf ("\nStarting kernel ...\n\n");

      cleanup_before_linux ();

 

      theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params);

}

 

do_bootm_linux()函數(shù)是專門引導Linux映像的函數(shù)，它還可以處理ramdisk文件系統(tǒng)的映像。這里引導的內(nèi)核映像和ramdisk映像，必須是U-Boot格式的。U-Boot格式的映像可以通過mkimage工具來轉(zhuǎn)換，其中包含了U-Boot可以識別的符號。

6.4  使用U-Boot

U-Boot是“Monitor”。除了Bootloader的系統(tǒng)引導功能，它還有用戶命令接口，提供了一些復雜的調(diào)試、讀寫內(nèi)存、燒寫Flash、配置環(huán)境變量等功能。掌握U-Boot的使用，將極大地方便嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

6.4.1 燒寫U-Boot到Flash

新開發(fā)的電路板沒有任何程序可以執(zhí)行，也就不能啟動，需要先將U-Boot燒寫到Flash中。

如果主板上的EPROM或者Flash能夠取下來，就可以通過編程器燒寫。例如：計算機BIOS就存儲在一塊256KB的Flash上，通過插座與主板連接。

但是多數(shù)嵌入式單板使用貼片的Flash，不能取下來燒寫。這種情況可以通過處理器的調(diào)試接口，直接對板上的Flash編程。

處理器調(diào)試接口是為處理器芯片設計的標準調(diào)試接口，包含BDM、JTAG和EJTAG 3種接口標準。JTAG接口在第4章已經(jīng)介紹過；BDM（Background Debug Mode）主要應用在PowerPC8xx系列處理器上；EJTAG主要應用在MIPS處理器上。這3種硬件接口標準定義有所不同，但是功能基本相同，下面都統(tǒng)稱為JTAG接口。

JTAG接口需要專用的硬件工具來連接。無論從功能、性能角度，還是從價格角度，這些工具都有很大差異。關(guān)于這些工具的選擇，將在第6.4.1節(jié)詳細介紹。

最簡單方式就是通過JTAG電纜，轉(zhuǎn)接到計算機并口連接。這需要在主機端開發(fā)燒寫程序，還需要有并口設備驅(qū)動程序。開發(fā)板上電或者復位的時候，燒寫程序探測到處理器并且開始通信，然后把Bootloader下載并燒寫到Flash中。這種方式速率很慢，可是價格非常便宜。一般來說，平均每秒鐘可以燒寫100～200個字節(jié)。

燒寫完成后，復位實驗板，串口終端應該顯示U-Boot的啟動信息。

6.4.2  U-Boot的常用命令

U-Boot上電啟動后，敲任意鍵可以退出自動啟動狀態(tài)，進入命令行。

 

U-Boot 1.1.2 (Apr 26 2005 - 12:27:13)

U-Boot code: 11080000 -> 1109614C  BSS: -> 1109A91C

RAM Configuration:

Bank #0: 10000000 32 MB

Micron StrataFlash MT28F128J3 device initialized

Flash: 32 MB

In:    serial

Out:   serial

Err:   serial

Hit any key to stop autoboot:  0

U-Boot>

 

在命令行提示符下，可以輸入U-Boot的命令并執(zhí)行。U-Boot可以支持幾十個常用命令，通過這些命令，可以對開發(fā)板進行調(diào)試，可以引導Linux內(nèi)核，還可以擦寫Flash完成系統(tǒng)部署等功能。掌握這些命令的使用，才能夠順利地進行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

輸入help命令，可以得到當前U-Boot的所有命令列表。每一條命令后面是簡單的命令說明。

 

=> help

       - alias for 'help'

autoscr - run script from memory

base    - print or set address offset

bdinfo  - print Board Info structure

boot    - boot default, i.e., run 'bootcmd'

bootd   - boot default, i.e., run 'bootcmd'

bootm   - boot application image from memory

bootp   - boot image via network using BootP/TFTP protocol

cmp     - memory compare

coninfo  - print console devices and information

cp      - memory copy

crc32   - checksum calculation

dhcp    - invoke DHCP client to obtain IP/boot params

echo    - echo args to console

erase   - erase FLASH memory

flinfo  - print FLASH memory information

go      - start application at address 'addr'

help    - print online help

iminfo  - print header information for application image

imls    - list all images found in flash

itest    - return true/false on integer compare

loadb   - load binary file over serial line (kermit mode)

loads   - load S-Record file over serial line

loop   - infinite loop on address range

md    - memory display

mm    - memory modify (auto-incrementing)

mtest   - simple RAM test

mw      - memory write (fill)

nfs     - boot image via network using NFS protocol

nm      - memory modify (constant address)

printenv - print environment variables

protect - enable or disable FLASH write protection

rarpboot - boot image via network using RARP/TFTP protocol

reset   - Perform RESET of the CPU

run     - run commands in an environment variable

saveenv - save environment variables to persistent storage

setenv  - set environment variables

sleep   - delay execution for some time

tftpboot - boot image via network using TFTP protocol

version - print monitor version

=>

 

U-Boot還提供了更加詳細的命令幫助，通過help命令還可以查看每個命令的參數(shù)說明。由于開發(fā)過程的需要，有必要先把U-Boot命令的用法弄清楚。接下來，根據(jù)每一條命令的幫助信息，解釋一下這些命令的功能和參數(shù)。

 

=> help bootm

bootm [addr [arg ...]]

    - boot application image stored in memory

          passing arguments 'arg ...'; when booting a Linux kernel,

          'arg' can be the address of an initrd image

 

bootm命令可以引導啟動存儲在內(nèi)存中的程序映像。這些內(nèi)存包括RAM和可以永久保存的Flash。

第1個參數(shù)addr是程序映像的地址，這個程序映像必須轉(zhuǎn)換成U-Boot的格式。

第2個參數(shù)對于引導Linux內(nèi)核有用，通常作為U-Boot格式的RAMDISK映像存儲地址；也可以是傳遞給Linux內(nèi)核的參數(shù)（缺省情況下傳遞bootargs環(huán)境變量給內(nèi)核）。

 

=> help bootp

bootp [loadAddress] [bootfilename]

bootp命令通過bootp請求，要求DHCP服務器分配IP地址，然后通過TFTP協(xié)議下載指定的文件到內(nèi)存。

第1個參數(shù)是下載文件存放的內(nèi)存地址。

第2個參數(shù)是要下載的文件名稱，這個文件應該在開發(fā)主機上準備好。

 

=> help cmp

cmp [.b, .w, .l] addr1 addr2 count

     - compare memory

 

cmp命令可以比較2塊內(nèi)存中的內(nèi)容。.b以字節(jié)為單位；.w以字為單位；.l以長字為單位。注意：cmp.b中間不能保留空格，需要連續(xù)敲入命令。

第1個參數(shù)addr1是第一塊內(nèi)存的起始地址。

第2個參數(shù)addr2是第二塊內(nèi)存的起始地址。

第3個參數(shù)count是要比較的數(shù)目，單位按照字節(jié)、字或者長字。

 

=> help cp

cp [.b, .w, .l] source target count

       - copy memory

 

cp命令可以在內(nèi)存中復制數(shù)據(jù)塊，包括對Flash的讀寫操作。

第1個參數(shù)source是要復制的數(shù)據(jù)塊起始地址。

第2個參數(shù)target是數(shù)據(jù)塊要復制到的地址。這個地址如果在Flash中，那么會直接調(diào)用寫Flash的函數(shù)操作。所以U-Boot寫Flash就使用這個命令，當然需要先把對應Flash區(qū)域擦干凈。

第3個參數(shù)count是要復制的數(shù)目，根據(jù)cp.b cp.w cp.l分別以字節(jié)、字、長字為單位。

 

=> help crc32

crc32 address count [addr]

     - compute CRC32 checksum [save at addr]  

 

crc32命令可以計算存儲數(shù)據(jù)的校驗和。

第1個參數(shù)address是需要校驗的數(shù)據(jù)起始地址。

第2個參數(shù)count是要校驗的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。

第3個參數(shù)addr用來指定保存結(jié)果的地址。

 

=> help echo

echo [args..]

      - echo args to console; \c suppresses newline

 

echo命令回顯參數(shù)。

 

=> help erase

erase start end

      - erase FLASH from addr 'start' to addr 'end'

erase N:SF[-SL]

      - erase sectors SF-SL in FLASH bank # N

erase bank N

      - erase FLASH bank # N

erase all

      - erase all FLASH banks

 

erase命令可以擦Flash。

參數(shù)必須指定Flash擦除的范圍。

按照起始地址和結(jié)束地址，start必須是擦除塊的起始地址；end必須是擦除末尾塊的結(jié)束地址。這種方式最常用。舉例說明：擦除0x20000 – 0x3ffff區(qū)域命令為erase 20000 3ffff。

按照組和扇區(qū)，N表示Flash的組號，SF表示擦除起始扇區(qū)號，SL表示擦除結(jié)束扇區(qū)號。另外，還可以擦除整個組，擦除組號為N的整個Flash組。擦除全部Flash只要給出一個all的參數(shù)即可。

 

=> help flinfo

flinfo

       - print information for all FLASH memory banks

flinfo N

       - print information for FLASH memory bank # N

 

flinfo命令打印全部Flash組的信息，也可以只打印其中某個組。一般嵌入式系統(tǒng)的Flash只有一個組。

 

=> help go

go addr [arg ...]

      - start application at address 'addr'

        passing 'arg' as arguments

 

go命令可以執(zhí)行應用程序。

第1個參數(shù)是要執(zhí)行程序的入口地址。

第2個可選參數(shù)是傳遞給程序的參數(shù)，可以不用。

 

=> help iminfo

iminfo addr [addr ...]

      - print header information for application image starting at

         address 'addr' in memory; this includes verification of the

         image contents (magic number, header and payload checksums)

 

iminfo可以打印程序映像的開頭信息，包含了映像內(nèi)容的校驗（序列號、頭和校驗和）。

第1個參數(shù)指定映像的起始地址。

可選的參數(shù)是指定更多的映像地址。

 

=> help loadb

loadb [ off ] [ baud ]

     - load binary file over serial line with offset 'off' and baudrate 'baud'

 

loadb命令可以通過串口線下載二進制格式文件。

 

=> help loads

loads [ off ]

    - load S-Record file over serial line with offset 'off'

 

loads命令可以通過串口線下載S-Record格式文件。

 

=> help mw

mw [.b, .w, .l] address value [count]

     - write memory

 

mw命令可以按照字節(jié)、字、長字寫內(nèi)存，.b .w .l的用法與cp命令相同。

第1個參數(shù)address是要寫的內(nèi)存地址。

第2個參數(shù)value是要寫的值。

第3個可選參數(shù)count是要寫單位值的數(shù)目。

 

=> help nfs

nfs [loadAddress] [host ip addr:bootfilename]

 

nfs命令可以使用NFS網(wǎng)絡協(xié)議通過網(wǎng)絡啟動映像。

 

=> help nm

nm [.b, .w, .l] address

     - memory modify, read and keep address

 

nm命令可以修改內(nèi)存，可以按照字節(jié)、字、長字操作。

參數(shù)address是要讀出并且修改的內(nèi)存地址。

 

=> help printenv

printenv

      - print values of all environment variables

printenv name ...

      - print value of environment variable 'name'

 

printenv命令打印環(huán)境變量。

可以打印全部環(huán)境變量，也可以只打印參數(shù)中列出的環(huán)境變量。

 

=> help protect

protect on  start end

      - protect Flash from addr 'start' to addr 'end'

protect on  N:SF[-SL]

      - protect sectors SF-SL in Flash bank # N

protect on  bank N

      - protect Flash bank # N

protect on  all

      - protect all Flash banks

protect off start end

      - make Flash from addr 'start' to addr 'end' writable

protect off N:SF[-SL]

     - make sectors SF-SL writable in Flash bank # N

protect off bank N

     - make Flash bank # N writable

protect off all

     - make all Flash banks writable

 

protect命令是對Flash寫保護的操作，可以使能和解除寫保護。

第1個參數(shù)on代表使能寫保護；off代表解除寫保護。

第2、3參數(shù)是指定Flash寫保護操作范圍，跟擦除的方式相同。

 

=> help rarpboot

rarpboot [loadAddress] [bootfilename]

 

rarboot命令可以使用TFTP協(xié)議通過網(wǎng)絡啟動映像。也就是把指定的文件下載到指定地址，然后執(zhí)行。

第1個參數(shù)是映像文件下載到的內(nèi)存地址。

第2個參數(shù)是要下載執(zhí)行的映像文件。

 

=> help run

run var [...]

      - run the commands in the environment variable(s) 'var'

 

run命令可以執(zhí)行環(huán)境變量中的命令，后面參數(shù)可以跟幾個環(huán)境變量名。

 

=> help setenv

setenv name value ...

      - set environment variable 'name' to 'value ...'

setenv name

      - delete environment variable 'name'

 

setenv命令可以設置環(huán)境變量。

第1個參數(shù)是環(huán)境變量的名稱。

第2個參數(shù)是要設置的值，如果沒有第2個參數(shù)，表示刪除這個環(huán)境變量。

 

 

=> help sleep

sleep N

      - delay execution for N seconds (N is _decimal_ !!!)

 

sleep命令可以延遲N秒鐘執(zhí)行，N為十進制數(shù)。

 

=> help tftpboot

tftpboot [loadAddress] [bootfilename]

 

tftpboot命令可以使用TFTP協(xié)議通過網(wǎng)絡下載文件。按照二進制文件格式下載。另外使用這個命令，必須配置好相關(guān)的環(huán)境變量。例如serverip和ipaddr。

第1個參數(shù)loadAddress是下載到的內(nèi)存地址。

第2個參數(shù)是要下載的文件名稱，必須放在TFTP服務器相應的目錄下。

這些U-Boot命令為嵌入式系統(tǒng)提供了豐富的開發(fā)和調(diào)試功能。在Linux內(nèi)核啟動和調(diào)試過程中，都可以用到U-Boot的命令。但是一般情況下，不需要使用全部命令。比如已經(jīng)支持以太網(wǎng)接口，可以通過tftpboot命令來下載文件，那么還有必要使用串口下載的loadb嗎？反過來，如果開發(fā)板需要特殊的調(diào)試功能，也可以添加新的命令。

在建立交叉開發(fā)環(huán)境和調(diào)試Linux內(nèi)核等章節(jié)時，在ARM平臺上移植了U-Boot，并且提供了具體U-Boot的操作步驟。

6.4.3  U-Boot的環(huán)境變量

有點類似Shell，U-Boot也使用環(huán)境變量?？梢酝ㄟ^printenv命令查看環(huán)境變量的設置。

 

U-Boot> printenv

bootdelay=3

baudrate=115200

netmask=255.255.0.0

ethaddr=12:34:56:78:90:ab

bootfile=uImage

bootargs=console=ttyS0,115200 root=/dev/ram rw initrd=0x30800000,8M

bootcmd=tftp 0x30008000 zImage;go 0x30008000

serverip=192.168.1.1

ipaddr=192.168.1.100

stdin=serial

stdout=serial

stderr=serial

 

Environment size: 337/131068 bytes

U-Boot>

 

表6.5是常用環(huán)境變量的含義解釋。通過printenv命令可以打印出這些變量的值。

表6.5                                                  U-Boot環(huán)境變量的解釋說明

環(huán) 境 變 量

解 釋 說 明

bootdelay

定義執(zhí)行自動啟動的等候秒數(shù)

baudrate

定義串口控制臺的波特率

netmask

定義以太網(wǎng)接口的掩碼

ethaddr

定義以太網(wǎng)接口的MAC地址

bootfile

定義缺省的下載文件

bootargs

定義傳遞給Linux內(nèi)核的命令行參數(shù)

bootcmd

定義自動啟動時執(zhí)行的幾條命令

serverip

定義tftp服務器端的IP地址

ipaddr

定義本地的IP地址

stdin

定義標準輸入設備，一般是串口

stdout

定義標準輸出設備，一般是串口

stderr

定義標準出錯信息輸出設備，一般是串口

 

U-Boot的環(huán)境變量都可以有缺省值，也可以修改并且保存在參數(shù)區(qū)。U-Boot的參數(shù)區(qū)一般有EEPROM和Flash兩種設備。

環(huán)境變量的設置命令為setenv，在6.2.2節(jié)有命令的解釋。

舉例說明環(huán)境變量的使用。

 

=>setenv serverip  192.168.1.1

=>setenv ipaddr  192.168.1.100

=>setenv rootpath  "/usr/local/arm/3.3.2/rootfs"

=>setenv bootargs  "root=/dev/nfs rw nfsroot=\$(serverip):\$(rootpath) ip=
\$(ipaddr) "

=>setenv kernel_addr 30000000

=>setenv nfscmd  "tftp \$(kernel_addr) uImage; bootm \$(kernel_addr) "

=>run nfscmd

 

上面定義的環(huán)境變量有serverip ipaddr rootpath bootargs kernel_addr。環(huán)境變量bootargs中還使用了環(huán)境變量，bootargs定義命令行參數(shù)，通過bootm命令傳遞給內(nèi)核。環(huán)境變量nfscmd中也使用了環(huán)境變量，功能是把uImage下載到指定的地址并且引導起來?？梢酝ㄟ^run命令執(zhí)行nfscmd腳本。