基于ARM9的U-Boot自動識別啟動實現(xiàn)

解 霏，蔣大明

（北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

嵌入式Linux系統(tǒng)通常由引導(dǎo)裝載程序 （包括固化在固件中的 boot代碼和 BootLoader），Linux內(nèi)核，文件系統(tǒng)，應(yīng)用程序這4部分構(gòu)成。引導(dǎo)裝載程序是系統(tǒng)加電后執(zhí)行的第一段軟件代碼，在嵌入式系統(tǒng)中整個系統(tǒng)的加載啟動任務(wù)就完全由 BootLoader來完成[1]。BootLoader嚴(yán)重依賴硬件，需要根據(jù)不同的硬件配置進(jìn)行移植。U-boot是德國DENX小組開發(fā)的多種嵌入式CPU的BootLoader程序，支持Linux VxWorks QNX等多種嵌入式系統(tǒng)。筆者通過對U-Boot啟動過程的分析并對其修改，使其支持自動識別啟動，并在基于S3C2440的硬件平臺驗證通過，同時正確引導(dǎo)Linux內(nèi)核。

1 硬件平臺介紹

硬件平臺選用的是基于ARM9體系結(jié)構(gòu)，ARM920T的CPU，SOC選用的是三星S3C2440A，同時支持Nor FLASH與Nand FLASH啟動。主要硬件資源如表1所示。

2 U-Boot啟動流程分析及簡介

2.1 U-Boot簡介

U-Boot全稱是Universal Bootloader，是遵循GPL條款的開放源碼項目。DENX軟件工程中心的Wolfgang Denk最早基于8xxROM的源碼創(chuàng)建了PCC-Boot工程，并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(chǔ)，創(chuàng)建了U-Boot工程[2]。

表1 開發(fā)板硬件資源Tab.1 Hardware resource of platform

2.2 U-Boot啟動流程分析

U-Boot的啟動分為階段 1（stage1）和階段 2（stage2），階段1的代碼通常在start.S中，由匯編語言寫成。階段2的代碼通常用C語言來實現(xiàn)，可以實現(xiàn)復(fù)雜功能，階段2的代碼通常在lib_arm/board.c中。啟動流程如圖1所示。第1階段完成的工作包括，基本硬件初始化，屏蔽所有中斷源，關(guān)閉看門狗，設(shè)置CPU速度和時鐘頻率，RAM初始化等。設(shè)置堆棧指針，為階段2的C語言做好準(zhǔn)備，拷貝階段2代碼到RAM，跳轉(zhuǎn)到階段2的C入口點。第2階段完成的工作包括，初始化本階段用到的硬件，檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射，加載內(nèi)核映像與根文件系統(tǒng)映像，設(shè)置內(nèi)核啟動參數(shù)，啟動內(nèi)核[3]。

圖1 U-Boot啟動流程Fig.1 Flow chart of boot U-Boot

3 U-Boot的自動識別啟動實現(xiàn)

3.1 Nor FLASH與Nand FLASH啟動差異

基于S3C2440的開發(fā)板支持Nor FLASH和Nand FLASH這兩種啟動方式，不論從那種方式啟動，程序都是從0x00000000地址處開始執(zhí)行的，不同的地方是地址映射不一樣。要使開發(fā)板上電后能自動識別啟動設(shè)備，需要根據(jù)2種FLASH啟動時的不同點加以區(qū)別。

當(dāng)采用Nor FLASH這種啟動時，Nor FLASH被映射到nGCS0（0x00000000）中，S3C2440可以直接從 0x00000000運行。

當(dāng)采用Nand FLASH這種啟動時，S3C2440的Nand FLASH控制器會自動把Nand FLASH中前4K數(shù)據(jù)被拷貝到S3C2440內(nèi)部大小為4 k的 SRAM（Steppingstone）中，同時內(nèi)部的SRAM被映射到nGCS0（0x00000000）和0x40000000～0x40001000地址空間。S3C2440從0x00000000開始執(zhí)行[4]。

3.2 U-Boot自動識別啟動實現(xiàn)

S3C2440的啟動方式可以由引腳OM1與OM0決定，這2個引腳的邏輯電平是實現(xiàn)U-Boot自動識別啟動的關(guān)鍵。OM功能如表2所示。

表2OM功能Tab.2 Function of OM

當(dāng)OM[1:0]=00時，S3C2440從 Nand FLASH啟動，其他情況則S3C2440從Nor FLASH啟動，所以可以通過檢測OM[1:0]的電平來判定S3C2440的啟動方式。寄存器rBWSCON的[2:1]位是由OM[1:0]電平狀態(tài)決定的，因此可以通過檢測寄存rBWSCON[2:1]的狀態(tài)來識別啟動方式。

筆者將AUTO_DETECT函數(shù)添加到start.S文件中，這個函數(shù)可以實現(xiàn)啟動位置的自動識別，識別為Nor FLASH啟動后，函數(shù)會自動跳轉(zhuǎn)到NOR_BOOT函數(shù)中，識別為Nand FLASH啟動后，函數(shù)則會跳轉(zhuǎn)到NAND_BOOT函數(shù)中，實現(xiàn)語句如下：

_TEXT_BASE存放的是編譯連接時U-Boot在SRAM中運行的基地址，由config.mk定義。函數(shù)首先檢測U-Boot是否在內(nèi)存中運行，然后檢測寄存器rBWSCON[2:1]的值是否為0，為0時跳轉(zhuǎn)到NAND_BOOT函數(shù)，不為0時跳轉(zhuǎn)到NOR_BOOT函數(shù)。

調(diào)用NOR_BOOT時，由于Nor FLASH的結(jié)構(gòu)特點，其支持片內(nèi)運行可以直接從Nor FLASH中復(fù)制U-Boot到SRAM中，所以啟動函數(shù)較為簡單。實現(xiàn)語句如下：

_armboot_start為代碼段的起始地址，_bss_start為代碼段的末地址，兩者間的差值即為U-boot的大小，存放寄存器R2中，寄存器R0中存放的是當(dāng)前代碼的地址。調(diào)用一個拷貝循環(huán)將U-Boot拷貝到RAM中。

調(diào)用NAND_BOOT時，Nand FLASH的讀寫需要用專門的驅(qū)動程序來控制，而驅(qū)動程序又比較復(fù)雜，采用C語言實現(xiàn)NAND_BOOT的核心功能要比匯編語言容易些[7]。NAND_BOOT函數(shù)中復(fù)制U-Boot到RAM這段核心代碼用C語言實現(xiàn)，其他部分匯編語言實現(xiàn)。鑒于篇幅有限本文只重點說明下U-Boot復(fù)制到RAM的實現(xiàn)過程。部分實現(xiàn)語句如下：

NAND_BOOT中調(diào)用的C語言函數(shù)為int nand_read_ll（unsigned char*buf， unsigned long start_addr， int size）， 這個函數(shù)在nand_read.c這個文件中。nand_read_ll函數(shù)的參數(shù)分別存放在R0，R1，R2這3個寄存器中，R0中存放目標(biāo)地址，R1中存放源地址，R2中存放復(fù)制長度[5]。函數(shù)的執(zhí)行過程如圖2所示。

圖2 nand_read_ll函數(shù)執(zhí)行流程Fig.2 Execution flow chart of function nand_read_ll

4 U-Boot引導(dǎo)并啟動Linux內(nèi)核

4.1 Linux內(nèi)核的啟動參數(shù)設(shè)置

U-Boot最終要完成的任務(wù)是引導(dǎo)并成功啟動內(nèi)核，內(nèi)核啟動前需要正確設(shè)置內(nèi)核的啟動參數(shù)，U-Boot與內(nèi)核的交互式單向的，U-Boot需要將各類參數(shù)傳遞給內(nèi)核。筆者引導(dǎo)的Linux內(nèi)核為2.6.32.2，通過對Linux中Nand FLASH分區(qū)表分析，可以得出如下的啟動參數(shù)：

采用NFS方式掛載根文件系統(tǒng)。

UvBoot默認(rèn)支持uImage格式的linux內(nèi)核引導(dǎo)，而Linux2.6.32.2默認(rèn)編譯生成zImage格式的linux內(nèi)核[6]，利用mkimage這個 U-Boot自帶的工具處理下即可，uImage比zImage多一個大小為0x40的頭信息，里面包含CPU體系結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)，加載到內(nèi)存的位置，在內(nèi)存中入口點的位置及映像名等信息。

4.2 Linux內(nèi)核的引導(dǎo)啟動

將編譯生成的u-boot.bin通過JTAG下載到FLASH的0地址處，通過tftp將uImage下載到Nand FLASH中，重啟開發(fā)板，若從串口打印出如下信息則說明U-Boot成功引導(dǎo)了linux內(nèi)核。

圖3 串口打印信息Fig.3 Printed information of UART

5 結(jié)束語

BootLoader一直是嵌入式開發(fā)的熱門研究方向，U-Boot是一款十分優(yōu)秀的開源BootLoader，對U-Boot的研究具有很大的實用價值。本文對于基于S3C2440硬件平臺的自動識別啟動原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并提出了實現(xiàn)方案，同時對linux內(nèi)核的啟動參數(shù)做了簡要分析。編譯生成的u-boot.bin燒寫到Nor FLASH或者Nand FLASH均能穩(wěn)定運行，這對進(jìn)一步嵌入式系統(tǒng)開 發(fā)帶來了很大的便利。

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[3]韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊[M].北京:人民郵電出版社，2008.

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