U-BOOT的特点及利用其构建开发板的引导装载程序

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:[e-mail]:/cvsroot/U-BOOT login

#cvs -z6 -d:pserver:[e-mail]:/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：

◆ 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。

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，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。

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