U-Boot在S3C2440上的分析和移植

夏禮勇， 符秀輝

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110142)

移植Bootloader的目的是在系統(tǒng)上電后，使用Bootloader初始化系統(tǒng)硬件，構(gòu)建系統(tǒng)軟件環(huán)境，最后引導(dǎo)系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到Linux內(nèi)核繼續(xù)運(yùn)行.在不同的嵌入式平臺(tái)上，需要對(duì)于針對(duì)特定的硬件配置制作對(duì)應(yīng)的Bootloader.Bootloader種類很多，每種Bootloader都具有平臺(tái)針對(duì)性，其中U-Boot對(duì)于ARM架構(gòu)的芯片支持更加完善.

目前研究U-Boot移植的文獻(xiàn)大多數(shù)介紹的是在NAND Flash上的移植操作，在文獻(xiàn)中沒有介紹U-Boot如何引導(dǎo)系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到Linux內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),只有移植步驟和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象，不能明顯體現(xiàn)移植目的.本文通過虛擬機(jī)搭建編譯環(huán)境，分析U-Boot啟動(dòng)流程，并在啟動(dòng)流程第二階段中具體介紹U-Boot引導(dǎo)系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到Linux內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，詳細(xì)分析U-Boot的移植步驟，最后在NOR Flash上移植U-Boot.文中移植U-Boot的操作是后續(xù)嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，同時(shí)文中介紹的U-Boot啟動(dòng)流程和移植步驟也能給類似平臺(tái)移植Bootloader提供參考.

1 U-Boot簡(jiǎn)介

U-Boot是一種業(yè)界廣泛使用的Bootloader，其程序開源，兼容性好，源代碼可在互聯(lián)網(wǎng)上直接下載.U-Boot支持很多架構(gòu)的CPU,如X86、ARM、MIPS等架構(gòu)的CPU，能夠引導(dǎo)Linux和Wince等嵌入式操作系統(tǒng).本文基于1.1.6版本的U-Boot進(jìn)行移植，根據(jù)U-Boot源碼文件夾下各個(gè)目錄的特性進(jìn)行分類，可分為5類,如表1所示.

表1 目錄分類

2 U-Boot的移植環(huán)境

2.1 硬件環(huán)境

移植平臺(tái)是以S3C2440A為核心的ARM9開發(fā)板，S3C2440A芯片內(nèi)部的CPU型號(hào)為ARM920T.S3C2440A內(nèi)部集成SRAM，具有5級(jí)流水線，支持NOR Flash和NAND Flash[1].開發(fā)板主要資源如表2所示.

表2 板載主要元器件

Table 2 Plate main components

2.2 軟件環(huán)境

通過在VMware Workstation虛擬機(jī)上運(yùn)行Ubuntu14.10系統(tǒng)搭建移植軟件編譯環(huán)境，arm-linux-gcc-4.3.2作為編譯器，使用JTAG作為下載和調(diào)試工具.

3 U-Boot的啟動(dòng)流程分析

U-Boot可以設(shè)置從NOR Flash啟動(dòng)，也可以設(shè)置從NAND Flash啟動(dòng)，因?yàn)镹AND Flash容易產(chǎn)生壞塊，所以選擇從NOR Flash啟動(dòng)，在本文后續(xù)的移植過程中將編譯生成的uboot.bin文件燒錄到NOR Flash中，實(shí)現(xiàn)從NOR Flash啟動(dòng)系統(tǒng)程序.

3.1 U-Boot啟動(dòng)流程第一階段

U-Boot是具有兩階段啟動(dòng)過程的Bootloader，通常用匯編語言實(shí)現(xiàn)第一階段程序，用C語言實(shí)現(xiàn)第二階段程序.在啟動(dòng)第一階段系統(tǒng)執(zhí)行start.S和lowlevel_init.S匯編文件，這兩個(gè)文件分別位于cpu/$(CPU)和board/$(BOARDDIR)目錄中，主要完成以下工作：(1)初始化開發(fā)板相關(guān)的硬件；(2)初始化板載內(nèi)存芯片；(3)將U-Boot代碼拷貝到初始化好的SDRAM中；(4)設(shè)置棧；(5)跳到第二階段C代碼中繼續(xù)執(zhí)行[2].$(CPU)和$(BOARDDIR)分別代表SoC內(nèi)部的CPU型號(hào)、進(jìn)行移植的開發(fā)板名稱，兩個(gè)變量的值分別為arm920t和my2440.

3.2 U-Boot啟動(dòng)流程第二階段

U-Boot啟動(dòng)流程第二階段如圖1所示.

圖1 U-Boot啟動(dòng)流程第二階段

在第一階段第5步中，U-Boot通過ldr指令將第二階段C語言程序start_armboot函數(shù)入口地址賦值給PC寄存器，使系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到第二階段執(zhí)行C語言代碼.

在第二階段啟動(dòng)過程中，程序初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、初始化定時(shí)器、初始化串口模塊，檢測(cè)Flash上環(huán)境參數(shù)是否設(shè)置.完成上述步驟后，start_armboot函數(shù)繼續(xù)初始化NOR Flash，將存儲(chǔ)在NOR Flash上的環(huán)境參數(shù)讀入SDRAM，初始化網(wǎng)卡模塊，調(diào)用main_loop()函數(shù).

在main_loop()函數(shù)中，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)U-Boot環(huán)境參數(shù)bootdelay和bootcmd的值是否定義，如果沒有定義系統(tǒng)會(huì)不斷檢測(cè)串口輸入，并解析執(zhí)行串口輸入的命令；如果已經(jīng)定義bootdelay和bootcmd，系統(tǒng)則會(huì)倒數(shù)bootdelay秒；若在bootdelay秒內(nèi)串口有輸入，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入讀取串口輸入命令、執(zhí)行命令的循環(huán)中；若沒有輸入，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行環(huán)境參數(shù)bootcmd中定義的命令，環(huán)境參數(shù)bootcmd中定義了系統(tǒng)內(nèi)核的讀取指令和啟動(dòng)內(nèi)核指令[3]，執(zhí)行bootcmd命令后便成功跳轉(zhuǎn)到Linux內(nèi)核中繼續(xù)運(yùn)行.

4 U-Boot在S3C2440上的移植步驟

4.1 下載U-Boot-1.1.6源碼包解壓縮

本文的移植平臺(tái)是S3C2440開發(fā)板，要在此硬件平臺(tái)上移植U-Boot，需要根據(jù)板載硬件修改U-Boot源碼.首先從互聯(lián)網(wǎng)下載1.1.6版本的U-Boot源碼壓縮包，把源碼壓縮包放入到Ubantu14.10主機(jī)的/work/system目錄下，在Linux主機(jī)上進(jìn)入/work/system目錄下，在終端命令行中執(zhí)行“tar xjf U-Boot-1.1.6.tar.bz2”命令，待命令執(zhí)行完畢后，可以得到已經(jīng)解包解壓縮的U-Boot-1.1.6文件夾.

4.2 創(chuàng)建工程相應(yīng)目錄和文件

目前1.1.6版本的U-Boot源碼已經(jīng)能夠支持大部分的2410開發(fā)板，本文基于smdk2410的U-Boot程序?qū)3C2440開發(fā)板移植U-Boot.在解壓好的u-boot-1.1.6文件夾中的board目錄下存在smdk2410文件夾，首先進(jìn)行以下6步操作：

(1) 在U-Boot源碼根目錄board文件夾下新建my2440文件夾；

(2) 將smdk2410目錄下的所有文件拷貝到my2440文件夾中；

(3) 在include/configs目錄下新建my2440.h文件；

(4) 復(fù)制相同目錄下smdk2410.h中的全部?jī)?nèi)容到my2440.h中；

(5) 在U-Boot源碼根目錄下的Makefile中添加如下配置命令[4]：

my2440_config:unconfig

@$(MKCONFIG) $(@:_config=) arm arm920t my2440 NULL s3c24x0

(6) 修改board目錄下my2440目錄中的Makefile，將Makefile文件中的“COBJS：=”項(xiàng)后smdk2410.o修改為my2440.o.

4.3 修改系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置

查閱芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)可知S3C2410A主頻為200 MHz，S3C2440A主頻為400 MHz.從S3C2440A數(shù)據(jù)手冊(cè)中得知系統(tǒng)頻率MPLL和USB控制器頻率UPLL計(jì)算公式如下[5]：

MPLL=(2×m×fin)/(p×2s)

(1)

UPLL=(m×fin)/(p×2s)

(2)

在公式(1)和(2)中，m=MDIV+8，p=PDIV+2,s=SDIV，fin為外接晶振頻率.本文的移植平臺(tái)上外接晶振為12 MHz,所以fin的值是12 MHz.在系統(tǒng)晶振輸入為12 MHz的情況下，要改變系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和USB控制器頻率，需要在系統(tǒng)時(shí)鐘的宏定義中給PLLCON寄存器賦值.根據(jù)S3C2440A數(shù)據(jù)手冊(cè)可知PLLCON寄存器分為MDIV，PDIV，SDIV三個(gè)部分，要使系統(tǒng)頻率倍頻到400 MHz，需要將MDIV,PDIV,SDIV分別賦值為0x5c，0x01，0x01；要使USB控制器頻率變成48 MHz，需要將MDIV，PDIV，SDIV分別賦值0x38，0x02，0x02.

綜合上述分析，在board_init函數(shù)中添加如下宏定義：

#define S3C2440_MPLL_TO_400 MHz

((0x5c?12)|(0x01?4)|(0x01))

#defineS3C2440_UPLL_TO_48 MHz

((0x38?12)|(0x02?4)|(0x02))

其中，board_init函數(shù)定義于my2440目錄下的my2440.c文件中.完成上述設(shè)置后，還需要設(shè)置時(shí)鐘分頻比，根據(jù)S3C2440A數(shù)據(jù)手冊(cè)給CLKDIVN寄存器賦值0x05，實(shí)現(xiàn)FCLK、HCLK、PCLK的分頻比為1∶4∶8.具體步驟為在my2440.c文件中繼續(xù)添加如下宏定義：

#define S3C2440_CLKDIVN 0x05

4.4 設(shè)置支持DM9000網(wǎng)卡

在嵌入式Linux系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)功能很重要.U-Boot-1.1.6已經(jīng)支持smdk2410開發(fā)板板載的CS8900網(wǎng)卡,S3C2440開發(fā)板板載的是DM9000網(wǎng)卡，要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)支持，首先需要在include/configs文件夾下的my2440.h文件中刪除如下所示的支持CS8900網(wǎng)卡的宏定義[6]：

#define CONFIG_DRIVER_CS8900 1

#define CS8900_BASE 0x19000300

#define CS8900_BUS16 1

S3C2440開發(fā)板中DM9000網(wǎng)卡連接在存儲(chǔ)控制器的BANK4，從數(shù)據(jù)手冊(cè)得知DM9000網(wǎng)卡的地址為0x20000000，設(shè)置支持DM9000網(wǎng)卡需要在my2440.h文件中添加如下宏定義：

#define CONFIG_DRIVER_DM9000 1

#define CONFIG_DM9000_IO_BASE 0x20000000

#define DM9000_DATA

(CONFIG_DM9000_IO_BASE+4)

4.5 編譯U-Boot在my2440平臺(tái)上燒錄

在完成上面一系列步驟后，U-Boot編譯前的修改源碼工作已經(jīng)完成.此時(shí)在虛擬機(jī)上運(yùn)行Ubuntu系統(tǒng)，進(jìn)入U(xiǎn)-Boot根目錄下，在終端命令行中輸入“make my2440_config”配置命令，對(duì)U-Boot源碼進(jìn)行針對(duì)移植平臺(tái)的配置操作，待配置操作完成后，在終端命令行中輸入make命令編譯U-Boot.

在編譯結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)生成uboot.bin二進(jìn)制文件，使用JTAG工具將uboot.bin文件燒錄到移植平臺(tái)上，在燒錄過程中既可以燒錄到NAND Flash中，也可以燒錄到NOR Flash中，因?yàn)镹AND Flash易產(chǎn)生壞塊，為保證U-Boot的穩(wěn)定性，本文將uboot.bin文件燒錄到NOR Flash中.當(dāng)成功燒錄后，為開發(fā)板重新上電啟動(dòng)系統(tǒng)，通過Secure CRT工具可以查看到開發(fā)板串口上輸出的U-Boot和開發(fā)板相關(guān)的信息，如圖2所示.至此成功實(shí)現(xiàn)U-Boot在S3C2440開發(fā)板NOR Flash上的移植.

圖2 串口輸出信息

5 結(jié)束語

選用U-Boot作為移植對(duì)象，從互聯(lián)網(wǎng)下載U-Boot源碼，通過虛擬機(jī)搭建開發(fā)環(huán)境，對(duì)源碼壓縮包進(jìn)行解包解壓縮，基于smdk2410的U-Boot 源碼針對(duì)S3C2440開發(fā)板硬件資源修改源碼，得到適合在S3C2440上移植的U-Boot代碼，通過編譯環(huán)境和編譯器對(duì)U-Boot代碼進(jìn)行編譯，最后將編譯得到的uboot.bin文件燒錄到S3C2440開發(fā)板板載的NOR Flash中，成功完成S3C2440開發(fā)板的移植工作.在特定嵌入式硬件平臺(tái)上移植U-Boot是進(jìn)行嵌入式Linux開發(fā)工作的基礎(chǔ)，通過本文的移植工作，為后續(xù)工作做好鋪墊，也能為類似嵌入式平臺(tái)移植Bootloader提供一定的參考作用.

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