用U-BOOT构建嵌入式体系的引导装载步伐

   摘 要：BootLoader(引导装载步伐)是嵌入式体系软件开辟的第一个关键，它把操纵体系和硬件平台衔接在一起，对付嵌入式体系的后续软件开辟非常紧张，在整个开辟中也占据相称大的比例。U-BOOT是当前比较盛行、成果强大的BootLoader，可以支持多种体系布局。LH7A400是Sharp公司生产的一款基于ARM922T内核的32位RISC芯片，本文细致先容U-BOOT的成果、特点以及在LH7A400处理惩罚器上的移植进程。


   关键词：BootLoader U-BOOT移植 LH7A400 ARM922T


引 言：

　　本文以U-BOOT为例，先容了如安在ARM9开辟板上移植BootLoader的进程。LH7A400学习板是旋极公司推出的一款高性能嵌入式开辟板，其采取的处理惩罚器LH7A400是Sharp公司生产的一款基于ARM922T内核的32位RISC芯片。该芯片集成了高性能的32位RISC处理惩罚器核ARM922T(运算速率200MHz，总线速率100MHz) ，能使处理惩罚速率到达每秒220百万条指令(MIPS)，能耗为1.33mW/MIPS，可以在低电压状态下事变(内核1.8V，输入/输出3.3 V)，片内带有锁相回路(PLL)和低能耗内核。别的该芯片还包括: 16KB 高速缓存(Cache)， 存储器办理单位(MMU)， 80KB 静态存储器(SRAM)， 彩色液晶表现控制器(LCD)， 直接存储控制器(10通道DMA)， 异步串行口控制器(UART)， 同步串行口控制器(SSP)， PCMCIA控制器， AC97声音控制器， 智能卡控制器， 多媒体卡控制器， 电池控制器， USB控制器和时钟/供电办理器。值得一提的是，LH7A400是一款宽温芯片，其事变温度范畴为-40℃～+85℃(低落时钟频率)，可遍及应用于无线手持配置、智能德律风、PDA、家庭娱乐控制器、PocketPC及种种工控配置。
该学习板还包括如下硬件：由2片16位Flash (32MB)和2片16位的SDRAM(64M)构成32位宽的高速存储器布局；10/100M自适应网络芯片DM9000；Sharp 3.5’TFT LCD彩屏；触摸屏；USB Host/Device；CF卡插槽；全成果JTAG接口等。

1 U-BOOT简介

　　U-BOOT是由德国的工程师Wolfgang Denk从8XXROM代码生长而来的，它支持很多处理惩罚器，比如PowerPC、ARM、MIPS和x86。如今，U-BOOT源代码在sourceforge网站的社区办事器中，Internet上有一群自由开辟职员对其举行维护和开辟，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办事器中匿名得到。
#cvs -d:pserver:anonymous@cvs.sourceforge.net:/cvsroot/U-BOOT login
#cvs -z6 -d:pserver:anonymous@cvs.sourceforge.net:/cvsroot/U-BOOT \ co -P modulename

1.1 U-BOOT源代码目次布局

◆ board：和一些已有开辟板有关的文件，比如Makefile和u-boot.lds等都和详细开辟板的硬件和地点分派有关。
◆ common：与体系布局无关的文件，实现种种下令的C文件。
◆ cpu：CPU相干文件，此中的子目次都因此U-BOOT所支持的CPU为名，比如有子目次arm926ejs、mips、mpc8260和nios等，每个特定的子目次中都包括cpu.c和interrupt.c，start.S。此中cpu.c初始化CPU、设置指令Cache和数据Cache等；interrupt.c设置体系的种种停止和非常，比如快速停止、开关停止、时钟停止、软件停止、预取中断和未定义指令等；start.S是U-BOOT启动时实行的第一个文件，它重要是设置体系堆栈和事变方法，为进入C步伐奠定底子。
◆ disk：disk驱动的分区处理惩罚代码。
◆ doc：文档。
◆ drivers：通用配置驱动步伐，比如种种网卡、支持CFI的Flash、串口和USB总线等。
◆fs:支持文件体系的文件，U-BOOT如今支持cramfs、fat、fdos、jffs2和registerfs。
◆ include：头文件，另有对种种硬件平台支持的汇编文件，体系的配置文件和对文件体系支持的文件。
◆ net：与网络有关的代码，BOOTP协议、TFTP协议、RARP协讲和NFS文件体系的实现。
◆ lib_arm：与ARM体系布局相干的代码。
◆ tools：创建S-Record格局文件 和U-BOOT images的东西。

1.2 U-BOOT的特点

　　U-BOOT支持SCC/FEC以太网、OOTP/TFTP引导、IP和MAC的预置成果，这一点和别的BootLoader(如BLOB和RedBoot等)雷同。但U-BOOT还具有一些特有的成果。

◆ 在线读写Flash、DOC、IDE、IIC、EEROM、RTC，别的的BootLoader底子不支持IDE和DOC的在线读写。
◆ 支持串行口kermit和S-record下载代码，U-BOOT本身的东西可以把ELF32格局的可实行文件转换成为 S-record格局，直接从串口下载并实行。
◆ 辨认二进制、ELF32、uImage格局的Image，对Linux引导有分外的支持。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前添加了一个特别的头，这个头在include/image.h中定义，包括目标操纵体系的种类(比如Linux，VxWorks等)、目标CPU的体系机构(比如ARM、PowerPC等)、映像文件压缩范例(比如gzip、bzip2等)、加载地点、入口地点、映像名称和映像的天生时间。当体系引导时，U-BOOT会对这个文件头举行CRC校验，要是精确，才会跳到内核实行。如下所示：
WT-ARM9# bootm 0xc1000000
## Checking Image at 0xc100000 ...
Image Name: Linux-2.4.20
Created: 2004-07-02 22:10:11 UTC
Image Type: ARM Linux Kernel Image (gzip compressed)
Data Size: 550196 Bytes = 537 kB = 0 MB
Load Address: 0xc0008000
Entry Point: 0xc0008000
Verifying Checksum ... OK
Uncompressing Kernel Image ……… OK
◆ 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步伐，这些独立的应用步伐可以利用U-BOOT控制外观的I/O函数、内存申请和停止办事等。这些应用步伐还可以在没有操纵体系的环境下运行，是测试硬件体系很好的东西。
◆ 监控(minitor)下令集：读写I/O，内存，寄存器、内存、外设测试成果等 
◆ 脚本语言支持(雷同BASH脚本)。利用U-BOOT中的autoscr下令，可以在U-BOOT中运行“脚本”。起首在文本文件中输入必要实行的下令，然后用tools/mkimage封装，然后下载到开辟板上，用autoscr实行就可以了。
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对脚本举行封装。
# 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中加载并实行这个脚本。
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和状态指示成果等。要是体系支持splash screen，U-BOOT启动时，会把这个图像表现到LCD上，给用户更友爱的以为。
◆ 支持MTD和文件体系。U-BOOT作为一种强大的BootLoader，它不但支持MTD，并且可以在MTD底子上实现多种文件体系，比如cramfs、fat和jffs2等。
◆ 支持停止。由于传统的BootLoader都分为stage1和stage2，以是在stage2中添加停止处理惩罚办事非常困难，比如BLOB；而U-BOOT是把两个部分放到了一起，以是添加停止办事步伐就很方便。
◆ 细致的开辟文档。由于大多数BootLoader都是开源项目，以是文档都不是很充分。U-BOOT的维护职员意识到了这个题目，充分记录了开辟文档，以是它的移植要比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支持新的开辟板，一种简便的做法是在U-BOOT已经支持的开辟板中选择一种靠近的举行修改。由于U-BOOT-1.10不支持ARM-922T内核，以是选择基于ARM-920T内核的smdk2400为模板。相干的源代码在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/目次下新建文件arm922t.h，内容如下：
#ifndef __ARM922T_H__
#define __ARM922T_H__
#endif
② 在include/目次下新建文件wt-arm9.h，该文件形貌了ARM922T中Timer、UART等寄存器的布局及多少宏定义。详细内容要参考相干处理惩罚器手册。
③ 在cpu/目次下新建目次arm922t，将目次arm920t下的内容复制后，参考手册分别修改cpu.c、interrupts.c和serial.c，别的文件不修改。

2.2 开辟板的支持

　　创建本身开辟板的目次和相干文件。
① 在include/configs目次中添加头文件lh7a400.h。这个文件是lh7a400开辟板的配置文件，它包括开辟板的CPU、体系时钟、RAM、Flash体系及别的相干的配置信息。其格局可参考include/configs/smdk2400.h。
② 在board/目次下新建wt-arm9目次，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配置的源代码文件。由于差别开辟板中Flash存储器的种类各不雷同，以是，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。设置种种总线时钟，打开数据Cache和指令Cache，并设置相干内存参数。
◆ 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点，直接拷贝 board/smdk2400/u-boot.lds，作如下修改：
.text
{
cpu/arm922t/start.o (.text)
*(.text)
}

2.3 添加网口配置控制步伐

　　在drivers/目次中添加网口配置控制步伐dm9000.c 和dm9000.h，此中dm9000.c 重要包括以下函数：
int eth_init (bd_t *bd)，初始化网络配置；
void eth_halt (void)，封闭网络配置；
int eth_send (volatile void *packet，int len)，发送数据包；
int eth_rx (void) 吸取数据包。
用停止方法处理惩罚数据包的收发，因此还定义了别的两个函数：
void InitInterrupt (void) ，停止初始化；
void dm9000_irq (void) ，停止处理惩罚。
以上两个函数在cpu/arm922t/interrupts.c中被调用，末了在drivers/Makefile中参加dm9000.o。

2.4 修改Makefile

　　在u-boot-1.1.0/Makefile中参加
lh7a400_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm922t wt-arm9
此中“arm”是CPU的种类， arm922t 是ARM CPU映射的代码目次，wt-arm9是本身开辟板映射的目次。
交错编译器安置在/opt/arm/3.3/bin/目次下，以是把CROSS_COMPILE设置成相应的路径：
export CROSS_COMPILE = /opt/arm/3.3/bin/arm-elf-

2.5 天生目标文件

　　 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
之后会天生三个文件：
u-boot——ELF格局的文件，可以被大多数Debug步伐辨认；
u-boot.bin——二进制bin文件，纯粹的U-BOOT二进制实行代码，不生存ELF格局和调试信息。这个文件一样平常用于烧录到用户开辟板中；
u-boot.srec——Motorola S-Record格局，可以通过串行口下载到开辟板中。

2.6 测 试

　　通过JTAG口将u-boot.bin烧写到Flash的零地点，复位后实行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得到全部下令列表，help command 列出该下令的成果。紧接着测试Flash和网卡，要是都正常事变的话，表明移植U-BOOT的事变根本完成，可以接着调试内核和文件体系。

结 语

　　BootLoader是操纵体系和硬件的关键，它为操纵体系内核的启动提供了须要的条件和参数。在移植进程中，开辟职员除了要掌握BootLoader的结会商事变流程外，还要对相干硬件有肯定的相识。如今，笔者移植的U-BOOT已经可以或许稳固地运行在开辟板上，并且可以通过Flash和网络加载内核和文件体系，为后续开辟，分外是驱动步伐的开辟奠定了精良的底子。