Ｕ－Ｂｏｏｔ在ＡＴ９１ＲＭ９２００上的移植及啟動分析

摘 要：采用U-Boot 1.1.2構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)加載程序。在對U-Boot的啟動工作機(jī)理和源碼主要函數(shù)功能進(jìn)行了簡略分析后，針對基于AT91RM9200的目標(biāo)板對U-Boot作了具體的修改和移植，并講述如何設(shè)置環(huán)境變量，從而引導(dǎo)Linux內(nèi)核啟動。應(yīng)用結(jié)果表明，移植后的U-Boot在目標(biāo)板上運行良好，可成功引導(dǎo)Linux內(nèi)核。

關(guān)鍵詞：U-Boot；移植；內(nèi)核；AT91RM9200；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號：TN99 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0515703

Porting and Start Analysis of U-Boot Based on AT91RM9200 Board

ZHOU Qingsong，SHI Xiaojun

(Deptartment of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing，210018，China)

Abstract：A bootloader for embedded system is developed with the U-Boot 1.1.2.After analyzing the booting mechanism of U-Boot and the function of sound code，the modification and porting in an embedded system board based on AT91RM9200 are done in detail，with environment variable settings and consequent Linux kernel booting process.The application shows that U-Boot runs well and can lead Linux kernel successfully.

Keywords：U-Boot;porting;kernel;AT91RM9200;embedded system

1 引 言

U-Boot(Universal Boot Loader)是遵循GPL條款的開放源碼項目，他支持多種體系結(jié)構(gòu)的上百種開發(fā)板，并且支持多種嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，已經(jīng)成為功能最多、靈活性最強(qiáng)并且開發(fā)最積極的開放源碼BootLoader。作為通用的BootLoader，U-Boot可以方便地移植到其他硬件平臺上。

本文基于AT91RM9200的嵌入式目標(biāo)板和U-Boot 1.1.2源碼資源，分析了U-Boot的啟動過程，介紹了U-Boot的移植方法和具體操作，最后講述如何引導(dǎo)內(nèi)核啟動。

2 U-Boot啟動分析

在具體移植之前，先來了解一下U-Boot啟動過程。U-Boot啟動過程可以分成3個階段。

(1) 在FLASH中運行匯編程序，進(jìn)行基本硬件初始化，并將FLASH中的啟動代碼復(fù)制到SDRAM中，同時創(chuàng)造環(huán)境準(zhǔn)備運行C程序。

匯編程序start.s是U-Boot啟動后執(zhí)行的第一個程序，他位于CPU/AT91RM9200中，鏈接腳本Board/AT91RM920DK/U-Boot.lds決定U-Boot的入口函數(shù)位于該程序中，上電后，處理器首先執(zhí)行該程序，具體工作流程如圖1所示。

(2) 跳轉(zhuǎn)到SDRAM中執(zhí)行，對硬件進(jìn)行初始化，并向顯示終端輸出啟動信息。

start[CD#*2]armboot是U-Boot執(zhí)行的第一個C語言函數(shù)，他位于lib[CD#*2]arm/board.c中，主要完成系統(tǒng)初始化工作，進(jìn)入主循環(huán)，處理用戶輸入的命令。 具體工作流程如圖2所示。

全局變量結(jié)構(gòu)體gd用來保存開發(fā)板信息、終端存在標(biāo)志位、環(huán)境變量結(jié)構(gòu)體起始地址、環(huán)境變量校驗標(biāo)志位、frame buffer 基地址等。他是指向gd[CD#*2]t結(jié)構(gòu)體的指針，gd[CD#*2]t結(jié)構(gòu)體定義在include\\\\asm-asm\\\\global[CD#*2]data.h中。

硬件初始化中執(zhí)行函數(shù)及各函數(shù)作用如下：

board[CD#*2]init：基本的板級相關(guān)配置，主要包括：設(shè)置處理器類型和啟動參數(shù)地址；

interrupt[CD#*2]init：中斷處理初始化，主要對TC控制器作設(shè)置。

env[CD#*2]init：設(shè)置環(huán)境變量，初始化環(huán)境；

init[CD#*2]baudrate：指定串口的波特率；

serial[CD#*2]init：串口初始化設(shè)置；選擇通訊端口，設(shè)置串口波特率和工作方式；

console[CD#*2]init[CD#*2]f：設(shè)置gd->have[CD#*2]console=1，表示可以使用串口通訊控制臺；

display[CD#*2]banner：在控制臺輸出 U-Boot信息；

dram[CD#*2]init：設(shè)置SDRAM的起始地址和大小；

display[CD#*2]dram[CD#*2]config：在控制臺輸出 SDRAM信息；

FLASH[CD#*2]init：設(shè)置FLASH芯片ID號、每個扇區(qū)起始地址等信息，將信息送到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體中；對FLASH中U-Boot和環(huán)境變量存儲扇區(qū)做軟件寫保護(hù)；

display[CD#*2]FLASH[CD#*2]config (size)：在上位機(jī)終端輸出FLASH大小。

(3) 將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像從FLASH拷貝到SDRAM中，為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)，進(jìn)入內(nèi)核的入口函數(shù)。

U-Boot作為BootLoader，具備多種引導(dǎo)內(nèi)核啟動的方式，常用bootm命令引導(dǎo)內(nèi)核映像啟動。使用bootm命令時，需要首先使用U-Boot自帶的mkimage命令，將內(nèi)核映像文件轉(zhuǎn)換成U-Boot格式映像。即在內(nèi)核的前頭加上64 B的信息幀頭，供建立tag之用。

bootm命令調(diào)用do[CD#*2]bootm函數(shù)，這個函數(shù)專門用來引導(dǎo)各種操作系統(tǒng)映像，可以支持引導(dǎo)Linux，vxWorks，QNX等操作系統(tǒng)。具體完成的工作有：保存內(nèi)核引導(dǎo)地址；分析內(nèi)核幀頭；復(fù)制內(nèi)核映像到SDRAM中；調(diào)用do[CD#*2]bootm[CD#*2]linux()函數(shù)。

do[CD#*2]bootm[CD#*2]linux()函數(shù)是專門引導(dǎo)Linux映像的函數(shù)，他還可以處理ramdisk文件系統(tǒng)的映像。具體完成的工作有：

(1) 檢查是否有根文件系統(tǒng)映像文件，這里只用bootm命令引導(dǎo)內(nèi)核映像；

(2) 將要傳遞給Linux的參數(shù)存放到標(biāo)記列表中，內(nèi)核將會從此處接收參數(shù)，完成參數(shù)傳遞；

(3) 調(diào)用 Linux內(nèi)核，系統(tǒng)采用下列代碼來進(jìn)入內(nèi)核函數(shù)：

第一行代碼將theKernel函數(shù)指向內(nèi)核首地址處；第二行代碼調(diào)用theKernel()函數(shù)，并通過r0，r1，r2將機(jī)器編號和參數(shù)鏈表物理地址傳遞給內(nèi)核。

3 嵌入式目標(biāo)板介紹

本目標(biāo)板以AT91RM9200作為微處理器，板上存儲系統(tǒng)包括NOR FLASH，NAND FLASH，SDRAM等；外圍支持設(shè)備有JTAG、串口、USB接口、 網(wǎng)絡(luò)接口、SD Card 接口及顯示接口等。目標(biāo)板硬件架構(gòu)如圖3所示，主要硬件資源如表1所示。

4 U-Boot源碼修改與編譯

根據(jù)目標(biāo)板的配置，主要考慮修改以下U-Boot源碼文件：

(1) include/configs/AT91RM9200dk.h:該頭文件包含了SDRAM的一些設(shè)置和定義，主要修改內(nèi)容包括：定義CONFIG[CD#*2]BOOTBINFUNC宏變量；修改SDRAM大小；修改FLASH大小和扇區(qū)數(shù)。

(2) board/AT91RM9200dk/FLASH.c:該程序完成的功能包括FLASH初始化、打印FLASH信息、FLAH擦除和FLASH寫入等操作。可在參考已有FLASH驅(qū)動的基礎(chǔ)上，結(jié)合目標(biāo)板FLASH數(shù)據(jù)手冊，進(jìn)行適當(dāng)修改。

(3) include/FLASH.h:FLASH程序頭文件，結(jié)合目標(biāo)板修改FLASH型號和ID定義。

U-Boot的源碼通過GCC和Makefile組織編譯。頂層目錄下的Makefile設(shè)置開發(fā)板的定義，遞歸地調(diào)用各級子目錄下的Makefile，把編譯過的程序鏈接成U-Boot映像。

這里上位機(jī)操作系統(tǒng)采用Redhat 9.0，交叉工具鏈采用cross-2.95.3。GCC安裝路徑為/usr/loacal/arm/2.95.3，在環(huán)境變量PATH中添加相應(yīng)路徑，就可以直接使用arm-linux-gcc命令。

編譯U-Boot分兩步:第一步配置，執(zhí)行命令： make at91rm9200dk[CD#*2]config；第二步編譯，執(zhí)行命令： make。編譯完成，生成3個映像文件system.map，U-Boot，U-Boot.bin，和1個符號表system.map，一般U-Boot.bin最為常用，直接按照二進(jìn)制格式下載。

使用FLASH燒寫程序?qū)-Boot.bin燒進(jìn)NOR FLASH中，目標(biāo)板重新上電復(fù)位后，U-Boot啟動成功，在超級終端會顯示如下啟動信息：

出現(xiàn)Warning的原因是還未設(shè)置環(huán)境變量，設(shè)置環(huán)境變量后執(zhí)行saveenv命令即可去掉Warning。

5 引導(dǎo)內(nèi)核

U-Boot的最終目的是引導(dǎo)內(nèi)核啟動。上述僅僅啟動了U-Boot，要引導(dǎo)內(nèi)核啟動還需要設(shè)置環(huán)境變量、下載內(nèi)核和根文件系統(tǒng)映像、執(zhí)行引導(dǎo)內(nèi)核啟動命令。假設(shè)內(nèi)核映像文件為zImage，根文件系統(tǒng)映像文件為myramdisk.gz(生成方法略)。具體方法如下：

(1) 啟動目標(biāo)機(jī)，在U-Boot中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等環(huán)境變量設(shè)置：

這里網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變量設(shè)置的目的是為了能夠使用TFTP協(xié)議；bootargs用來定義傳遞給Linux內(nèi)核的命令行參數(shù)；Bootcmd定義自動啟動時執(zhí)行的命令；bootm 10100000表示從0x10100000處引導(dǎo)內(nèi)核程序。[LL]

(2) 給內(nèi)核映像加幀頭

在上位機(jī)Linux環(huán)境下，將U-Boot\\\ools\\\\mkimage.exe COPY 到\\\\bin目錄下，輸入如下命令：

[root@localhost tftpboot]#mkimage-n ′linux-2.6.19′-A arm -O linux-T kernel-C none-a 0x20008000-e 0x20008000-d zImage zImage.img

這里zImage為原始內(nèi)核映像文件名；zImage.img為生成的加過幀頭的內(nèi)核映像名。

(3) 加載內(nèi)核和根文件系統(tǒng)映像到FLASH中

加載zImage.img到0x10100000，加載myramdisk.gz到0x10300000。

至此，我們將UBOOT、內(nèi)核、根文件系統(tǒng)都下載到FLASH中了，并且設(shè)置了環(huán)境變量。重啟目標(biāo)板，等待延時時間結(jié)束自動進(jìn)入本地裝載模式，即可引導(dǎo)內(nèi)核啟動。

上面講述的是將內(nèi)核和根文件系統(tǒng)固化到FLASH中的情況，即使用本地加載模式，當(dāng)以嵌入式產(chǎn)品發(fā)布時，BootLoader必須工作在這種模式下。但實際在初期調(diào)試的時候，可以在下載操作模式下直接用TFTP命令將這些映像文件下載到SDRAM中，然后用bootm命令從SDRAM中引導(dǎo)。此時在給內(nèi)核映像加幀頭的時候要注意，bootm xxxx 指定的地址xxxx是否與mkImage命令處的-a指定的加載地址相同。如果不同，mkImage命令的寫法和上面介紹的一致；如果相同，在使用mkImage命令時，-e參數(shù)后的入口地址要比-a參數(shù)后的存儲地址推后64 B。

6 結(jié) 語

U-Boot是一個功能強(qiáng)大的BootLoader開源軟件，他支持上百種開發(fā)板和多種嵌入式操作系統(tǒng)，可方便地移植到各種硬件平臺上。目前，筆者移植的U-Boot已成功運行在目標(biāo)板上，并在此基礎(chǔ)上成功地加載了Linux內(nèi)核和根文件系統(tǒng)，為后續(xù)的驅(qū)動和應(yīng)用開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。對于不同的CPU和開發(fā)板，U-Boot的啟動原理和移植步驟大致相同。希望本文能對學(xué)習(xí)U-Boot的朋友有所幫助。

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［4］Karim Yagbmour.構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社，2004.

作者簡介

周慶松 男，1980年出生，江蘇省儀征市人，碩士研究生。主要從事嵌入式系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。

史小軍 男，1952年出生，教授，碩士生導(dǎo)師。