嵌入式Linux开发环境的搭建之：U-Boot移植

5.2U-Boot移植

5.2.1Bootloader介绍

1．概念

简单地说，Bootloader就是在操作系统内核运行之前运行的一段程序，它类似于PC机中的BIOS程序。通过这段程序，可以完成硬件设备的初始化，并建立内存空间的映射关系，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，为最终加载系统内核做好准备。

通常，Bootloader比较依赖于硬件平台，特别是在嵌入式系统中，更为如此。因此，在嵌入式世界里建立一个通用的Bootloader是一件比较困难的事情。尽管如此，仍然可以对Bootloader归纳出一些通用的概念来指导面向用户定制的Bootloader设计与实现。

（1）Bootloader所支持的CPU和嵌入式开发板。

每种不同的CPU体系结构都有不同的Bootloader。有些Bootloader也支持多种体系结构的CPU，如后面要介绍的U-Boot支持ARM、MIPS、PowerPC等众多体系结构。除了依赖于CPU的体系结构外，Bootloader实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。

（2）Bootloader的存储位置。

系统加电或复位后，所有的CPU通常都从某个由CPU制造商预先安排的地址上取指令。而基于CPU构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备（比如ROM、EEPROM或Flash等）被映射到这个预先安排的地址上。因此在系统加电后，CPU将首先执行Bootloader程序。

（3）Bootloader的启动过程分为单阶段和多阶段两种。通常多阶段的Bootloader能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性。

（4）Bootloader的操作模式。大多数Bootloader都包含两种不同的操作模式：“启动加载”模式和“下载”模式，这种区别仅对于开发人员才有意义。

n 启动加载模式：这种模式也称为“自主”模式。也就是Bootloader从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程并没有用户的介入。这种模式是嵌入式产品发布时的通用模式。

n 下载模式：在这种模式下，目标机上的Bootloader将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机（Host）下载文件，比如：下载内核映像和根文件系统映像等。从主机下载的文件通常首先被Bootloader保存到目标机的RAM中，然后再被Bootloader写入到目标机上的Flash类固态存储设备中。Bootloader的这种模式在系统更新时使用。工作于这种模式下的Bootloader通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。

（5）Bootloader与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议，最常见的情况就是，目标机上的Bootloader通过串口与主机之间进行文件传输，传输协议通常是xmodem/ymodem/zmodem等。但是，串口传输的速度是有限的，因此通过以太网连接并借助TFTP等协议来下载文件是个更好的选择。

2．Bootloader启动流程

Bootloader的启动流程一般分为两个阶段：stage1和stage2，下面分别对这两个阶段进行讲解。

（1）Bootloader的stage1。

在stage1中Bootloader主要完成以下工作。

n 基本的硬件初始化，包括屏蔽所有的中断、设置CPU的速度和时钟频率、RAM初始化、初始化外围设备、关闭CPU内部指令和数据cache等。

n 为加载stage2准备RAM空间，通常为了获得更快的执行速度，通常把stage2加载到RAM空间中来执行，因此必须为加载Bootloader的stage2准备好一段可用的RAM空间。

n 复制stage2到RAM中，在这里要确定两点：①stage2的可执行映像在固态存储设备的存放起始地址和终止地址；②RAM空间的起始地址。

n 设置堆栈指针sp，这是为执行stage2的C语言代码做好准备。

（2）Bootloader的stage2。

在stage2中Bootloader主要完成以下工作。

n 用汇编语言跳转到main入口函数。

由于stage2的代码通常用C语言来实现，目的是实现更复杂的功能和取得更好的代码可读性和可移植性。但是与普通C语言应用程序不同的是，在编译和链接Bootloader这样的程序时，不能使用glibc库中的任何支持函数。

n 初始化本阶段要使用到的硬件设备，包括初始化串口、初始化计时器等。在初始化这些设备之前可以输出一些打印信息。

n 检测系统的内存映射，所谓内存映射就是指在整个4GB物理地址空间中指出哪些地址范围被分配用来寻址系统的内存。

n 加载内核映像和根文件系统映像，这里包括规划内存占用的布局和从Flash上复制数据。

n 设置内核的启动参数。

5.2.2U-Boot概述

1．U-Boot简介

U-Boot（UniversalBootloader）是遵循GPL条款的开放源码项目。它是从FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步发展演化而来。其源码目录、编译形式与Linux内核很相似，事实上，不少U-Boot源码就是相应的Linux内核源程序的简化，尤其是一些设备的驱动程序，这从U-Boot源码的注释中能体现这一点。但是U-Boot不仅仅支持嵌入式Linux系统的引导，而且还支持NetBSD、VxWorks、QNX、RTEMS、ARTOS、LynxOS等嵌入式操作系统。其目前要支持的目标操作系统是OpenBSD、NetBSD、FreeBSD、4.4BSD、Linux、SVR4、Esix、Solaris、Irix、SCO、Dell、NCR、VxWorks、LynxOS、pSOS、QNX、RTEMS、ARTOS。这是U-Boot中Universal的一层含义，另外一层含义则是U-Boot除了支持PowerPC系列的处理器外，还能支持MIPS、x86、ARM、NIOS、XScale等诸多常用系列的处理器。这两个特点正是U-Boot项目的开发目标，即支持尽可能多的嵌入式处理器和嵌入式操作系统。就目前为止，U-Boot对PowerPC系列处理器支持最为丰富，对Linux的支持最完善。

2．U-Boot特点

U-Boot的特点如下。

n 开放源码；

n 支持多种嵌入式操作系统内核，如Linux、NetBSD、VxWorks、QNX、RTEMS、ARTOS、LynxOS；

n 支持多个处理器系列，如PowerPC、ARM、x86、MIPS、XScale；

n 较高的可靠性和稳定性；

n 高度灵活的功能设置，适合U-Boot调试、操作系统不同引导要求和产品发布等；

n 丰富的设备驱动源码，如串口、以太网、SDRAM、Flash、LCD、NVRAM、EEPROM、RTC、键盘等；

n 较为丰富的开发调试文档与强大的网络技术支持。

3．U-Boot主要功能

U-Boot可支持的主要功能列表。

n 系统引导：支持NFS挂载、RAMDISK（压缩或非压缩）形式的根文件系统。支持NFS挂载，并从Flash中引导压缩或非压缩系统内核。

n 基本辅助功能：强大的操作系统接口功能；可灵活设置、传递多个关键参数给操作系统，适合系统在不同开发阶段的调试要求与产品发布，尤其对Linux支持最为强劲；支持目标板环境参数多种存储方式，如Flash、NVRAM、EEPROM；CRC32校验，可校验Flash中内核、RAMDISK映像文件是否完好。

n 设备驱动：串口、SDRAM、Flash、以太网、LCD、NVRAM、EEPROM、键盘、USB、PCMCIA、PCI、RTC等驱动支持。

n 上电自检功能：SDRAM、Flash大小自动检测；SDRAM故障检测；CPU型号。

n 特殊功能：XIP内核引导。

5.2.3U-Boot源码导读

1．U-Boot源码结构

U-Boot源码结构如图5.27所示。

图5.27U-Boot源码结构

n board：和一些已有开发板有关的代码，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。

n common：与体系结构无关的代码，用来实现各种命令的C程序。

n cpu：包含CPU相关代码，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等。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；汇编代码文件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。

n disk：disk驱动的分区相关代码。

n doc：文档。

n 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。

n fs：支持文件系统的文件，U-BOOT现在支持cramfs、fat、fdos、jffs2和registerfs等。

n 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。

n 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。

n lib_arm：与ARM体系结构相关的代码。

n tools：创建S-Record格式文件和U-BOOTimages的工具。