基于U-Boot的嵌入式系統(tǒng)雙啟動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代制造工藝和設(shè)計(jì)能力的不斷進(jìn)步和發(fā)展，硬件的集成度越來(lái)越高，使嵌入式系統(tǒng)在生產(chǎn)、生活中被廣泛采用。但隨之而來(lái)的是用戶需求也越來(lái)越高，為了充分發(fā)揮嵌入式設(shè)備的性能，需要一個(gè)強(qiáng)大的操作系統(tǒng)，而在操作系統(tǒng)運(yùn)行之前需要一段程序完成基本的初始化操作進(jìn)而啟動(dòng)操作系統(tǒng)，Boot Loader 就是這段程序。此舉實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)從硬件啟動(dòng)到操作系統(tǒng)啟動(dòng)的過(guò)渡，它固化在硬件中，被認(rèn)為是嵌入式系統(tǒng)不可缺少的一部分，其作用類似于 PC上的 BIOS 和GRUB。但當(dāng)前嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的Boot Loader 大多只支持一個(gè)操作系統(tǒng)的引導(dǎo)，大大限制了嵌入式設(shè)備的使用。

本文結(jié)合在 ARM 平臺(tái)上廣泛使用的 U-Boot，詳細(xì)討論了嵌入式 Boot Loader 的整體架構(gòu)和運(yùn)行流程。闡述了系統(tǒng)主要硬件的原理和裸機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，包含系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置， CPU 模式設(shè)置，內(nèi)存初始化，NAND FLASH 配置和操作方法， WinCE 和嵌入式 Linux 在 ARM 平臺(tái)下啟動(dòng)的實(shí)現(xiàn)原理和方法。最終實(shí)現(xiàn)了在 ARM 平臺(tái)上的雙啟動(dòng) Boot Loader。

1 系統(tǒng)的硬件平臺(tái)

本文使用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為友善之臂 Mini6410 開(kāi)發(fā)板， 使用 Samsung 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 S3C6410 處理器， 使用 2 片K4X1G163PC 構(gòu)成 256 M SDRAM，將 K9GAG08U0E 作為永久存儲(chǔ)器。

1.1 CPU

S3C6410 基于ARM1176JZF-S 內(nèi)核 [1-2]， 包括分立的16kB指令和 16kB數(shù)據(jù) Cache，16kB指令和數(shù)據(jù) TCM，及1個(gè)完全的 MMU，用以處理虛擬存儲(chǔ)管理。S3C6410內(nèi)部有3 個(gè) PLL，分別是 APLL，MPLL 和EPLL。APLL 用于 ARM 時(shí)鐘操作，MPLL 用于主時(shí)鐘操作，EPLL 用于特殊用途。時(shí)鐘操作被分為三組 ：APLL 產(chǎn)生ARM 時(shí)鐘 ；MPLL 產(chǎn)生主系統(tǒng)時(shí)鐘，用于操作 AXI，AHB 和 APB 總線 ；EPLL 產(chǎn)生的時(shí)鐘主要用于外設(shè) IPS，對(duì) CPU 的設(shè)置主要采用 CPU 模式、中斷和時(shí)鐘設(shè)置，Boot Loader 和操作系統(tǒng)運(yùn)行在 SVC 模式， 在U-Boot 中無(wú)需中斷，時(shí)鐘的選擇根據(jù)應(yīng)用環(huán)境而定。

1.2 內(nèi)存

本系統(tǒng)選用兩片 64 M×16 bit 的Mobile DDR 芯片，連接到S3C6410 SRAM 控制器，工作頻率為 133 MHz，在處理器內(nèi)部時(shí)鐘為 533 MHz 時(shí)，能夠接近最高使用效率。內(nèi)存的初始化主要是對(duì) SRAM 控制器的初始化，具體的初始化步驟在S3C6410 手冊(cè)上有詳細(xì)說(shuō)明 [3]。具體流程如下：

(1) 使 SRAM控制器進(jìn)入配置模式；

(2) 填寫(xiě)內(nèi)存芯片的時(shí)序參數(shù)，并開(kāi)始內(nèi)存芯片的初始化序列 ；

(3) 配置完成后檢查狀態(tài)標(biāo)志位。

1.3 NANDFLASH

NANDFLASH作為嵌入式系統(tǒng)中廣泛使用的永久性存儲(chǔ)器 [4]，具有容量大、改寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，但是由于 NANDFLASH的設(shè)計(jì)原理，在操作時(shí)有自己獨(dú)特的要求 ：只能以頁(yè)為單位讀寫(xiě)，而且寫(xiě)時(shí)只能將 1寫(xiě)為 0。所以在寫(xiě)入前必須以塊為單位擦除。

S3C6410內(nèi)部包含一個(gè) NANDFLASH控制器，用戶只需配置好 NANDFLASH 的時(shí)序參數(shù)，NANDFLASH 控制器即可自動(dòng)產(chǎn)生所需時(shí)序 [5]。主要配置的時(shí)序?yàn)?CLE/ALE拉高到 nWE拉低的等待時(shí)間，nWE為低的持續(xù)時(shí)間，nWE拉高后 CLE/ALE繼續(xù)保持為高的時(shí)間。

1.4 存儲(chǔ)器規(guī)劃與分配

將 NAND FLASH 分為如下區(qū)域 ：Boot Loader，Linux_ kernel，Linux_rootfs，WinCE 等。 通過(guò)外部跳線，NAND FLASH 啟動(dòng)后，S3C6410 將自動(dòng)加載前 8 k 內(nèi)容到 S3C6410 的內(nèi)部 SRAM（Steppingstone）并開(kāi)始從地址 0 處運(yùn)行，最終加載并引導(dǎo)操作系統(tǒng)，如圖 1（a）所示。

引導(dǎo)操作系統(tǒng)時(shí)需要用戶在控制臺(tái)中輸入命令選擇啟動(dòng)的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)將加載制定 NAND FLASH 中的內(nèi)容到內(nèi)存指定位置，圖 1（b）為物理內(nèi)存使用規(guī)劃，該配置內(nèi)容將保存在開(kāi)發(fā)板配置文件 $（board）.h 中。

2 U-Boot分析

U-Boot（Universal Boot Loader）是遵循 GPL 協(xié)議的開(kāi)放源碼項(xiàng)目。具有系統(tǒng)引導(dǎo)、上電自檢、CRC32 校驗(yàn)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、支持 NFS 掛載、支持多種方式存儲(chǔ)等功能。在嵌入式領(lǐng)域被廣泛使用。

U-Boot 屬于兩階段啟動(dòng)的Boot Loader，在第一階段由匯編語(yǔ)言完成，與處理器直接相關(guān)，完成 CPU 模式切換，禁止看門狗，初始化內(nèi)存控制器，設(shè)置堆棧，重定位 U-Boot 運(yùn)行位置等操作，最后跳轉(zhuǎn)到第二階段代碼運(yùn)行。第二階段代碼主要由 C 語(yǔ)言完成，與目標(biāo)板相關(guān)，主要完成所有設(shè)備的初始化工作，最后加載并啟動(dòng)操作系統(tǒng)，具體流程如圖 2 所示。

U-Boot 目標(biāo)文件通過(guò) <$（board）/u-boot.lds> 鏈接腳本控制，該文件定義了連接到目標(biāo)文件中各段的名稱和位置，從該文件可以看出，U-Boot 由 <$（CPU）/start.o> 文件開(kāi)始， start.o由start.S 編譯生成，包含了U-Boot 第一階段的主要代碼。第二階段代碼以<$（arch）/board.c> 為入口。

U-Boot 支持多種平臺(tái)，其驅(qū)動(dòng)程序代碼位于 drivers 文件夾下，各設(shè)備的板級(jí)配置信息由 <include/configs/$（board）.h> 文件控制，是移植過(guò)程中需要修改的主要文件。

為提高軟件的復(fù)用性，系統(tǒng)將操作系統(tǒng)的引導(dǎo)函數(shù)作為獨(dú)立的U-Boot 命令添加到 U-Boot 中，支持多種命令，其命令的實(shí)現(xiàn)代碼保存在 Common 中，以“cmd_”作為文件前綴， 添加 U_Boot 命令時(shí)需使用 U-Boot 提供的 U_BOOT_CMD 宏聲明。

U_BOOT_CMD 各參數(shù)的意義 ：

(1) Name：命令的名稱，用于唯一區(qū)別命令，在 U-Boot中如果命令的前綴不同，在終端可以直接輸入前綴執(zhí)行命令。

(2) Maxages：命令可以接收的最多的參數(shù)個(gè)數(shù)。

(3) Cmd：命令的實(shí)現(xiàn)函數(shù)，命令被執(zhí)行時(shí)，該函數(shù)被調(diào)用。

(4) Uasege：短的幫助信息，使用 help時(shí)將打印該信息。

(5) Help：長(zhǎng)的幫助信息，使用 helpCmd時(shí)打印該信息。在添加完代碼后，還需在 <Common/Makefile> 文件中添加相應(yīng)命令的目標(biāo)文件。

3 U-Boot雙系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

U-Boot 要啟動(dòng)操作系統(tǒng)，必須首先完成必要硬件的初始化，設(shè)置好操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境后加載并啟動(dòng)操作系統(tǒng)。

3.1 硬件初始化代碼修改和配置

Mini6410 使用三星公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的基于 ARM1176JZF-S 內(nèi)核的S3C6410 處理器 [6]。為提高代碼復(fù)用度，減小移植難度，選用三星公司修改的 U-Boot1.1.6 版本，該版本支持與本開(kāi)發(fā)板類似的 SMDK6410，適當(dāng)修改后可以應(yīng)用在本開(kāi)發(fā)板上，可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的主要功能。

修改 /Makefile ：添加 mini6410 的編譯命令 ：

-CROSS_COMPILE= /usr/local/arm/4.2.2-eabi/usr/bin/arm- linux-

+ CROSS_COMPILE = arm-linux-

+ mini6410_nand_config ：unconfig

+@$（MKCONFIG）mini6410 arm s3c64xx mini6410 samsung s3c6410 NAND ram256

復(fù)制參考板代碼 ：

board/samsung/smdk6410-> board/samsung/mini6410 include/configs/smdk6410.h-> include/config/mini6410.h

修改平臺(tái)相關(guān)代碼 ：

Include/configs/Mini6410.h

Mini6410.h 包含了所有 Mini6410 開(kāi)發(fā)板的配置選項(xiàng)，如SDRAM 的大小、位置，NAND FLASH 的大小，串口的配置， 網(wǎng)卡的型號(hào)，MAC 地址，IP 地址等信息，以及默認(rèn)的內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)等。

(2) CPU/s3c64xx/Start.s

Start.s 是整個(gè)U-Boot 的入口，包含了最基本的設(shè)置 CPU 模式的代碼，可調(diào)用內(nèi)存初始化函數(shù)、系統(tǒng)時(shí)鐘初始化函數(shù)、第二階段入口函數(shù)。本文件主要修改的內(nèi)容是去掉 SMDK6410 中包含的 ONENAND 初始化代碼。

(3) Board/Samsung/Mini6410/Mini6410.c

Mini6410.c 包含了一些板級(jí)初始化代碼，包含網(wǎng)卡初始化函數(shù)的調(diào)用、LCD 初始化函數(shù)調(diào)用代碼等，以及虛擬內(nèi)存地址到物理內(nèi)存地址的轉(zhuǎn)換函數(shù)。本文件主要修改的內(nèi)容是去掉 SMDK6410 中包含的 CS8900 網(wǎng)卡的初始化函數(shù)，添加了DM9000 的初始化函數(shù)和 USB 下載功能的支持函數(shù)。

(4) Common/Main.c

Main.c 包含了 U-Boot 接收并執(zhí)行命令的主循環(huán)函數(shù)man_loop（），本文件的代碼與體系無(wú)關(guān)，不用做其他修改。但為了提高 U-Boot 的可用性添加了菜單函數(shù)。

3.2 引導(dǎo)WinCE系統(tǒng)

Boot Loader 引導(dǎo) WinCE 需要完成以下操作 ：

設(shè)置 CPU為SVC模式。

完成 CPU，內(nèi)存控制器，系統(tǒng)時(shí)鐘，串口，Caches，TLBs的初始化。

解壓 WinCE內(nèi)核鏡像文件頭，檢查校驗(yàn)和，加載內(nèi)核到指定位置。

跳轉(zhuǎn)之前禁用中斷和 MMU。

解壓文件頭需要分析 WinCE 文件頭格式[7]，WinCE 鏡像存在兩種格式，分別為 nb0 和 bin。nb0 是原始的二進(jìn)制鏡像，可以直接燒到 FLASH/ROM 中，它不包括頭，可以直接跳轉(zhuǎn)到其入口執(zhí)行，一般情況下采用 nb0 將內(nèi)核下載到設(shè)備的RAM 中運(yùn)行。bin 是一種二進(jìn)制鏡像格式，以片斷為單位組織數(shù)據(jù)，每個(gè)片斷都包括一個(gè)頭，頭中指定有起始地址、長(zhǎng)度、校驗(yàn)值。Platform Builder 將 WinCE 內(nèi)核所有文件以 bin 格式合并成一個(gè)文件，默認(rèn)文件名為 nk.bin。Boot Loader 需要將nk.bin 分解成多個(gè)文件放到 RAM 中。

啟動(dòng) WinCE 操作系統(tǒng)只需要完成必要的硬件初始化，設(shè)置好 WinCE 系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，然后讀取并校驗(yàn) WinCE 鏡像文件，由鏡像文件頭部獲取 WinCE 的加載地址，并將 WinCE 保存到指定的位置后，跳轉(zhuǎn)到其開(kāi)始地址，就可以成功引導(dǎo)WinCE 操作系統(tǒng)，如圖 3 所示。

3.3 引導(dǎo) Linux系統(tǒng)

Boot Loader 引導(dǎo) Linux 內(nèi)核需要完成以下操作 ：

(1) 設(shè)置 CPU為SVC模式。

(2) 完成 CPU，內(nèi)存控制器，系統(tǒng)時(shí)鐘，串口，Caches，TLBs的初始化。

(3) 加載 Linux內(nèi)核鏡像文件到內(nèi)存指定位置。

(4) 設(shè)置Linux內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)并跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核。

圖 3 啟動(dòng) WinCE

通過(guò)Boot Loader 啟動(dòng)內(nèi)核要傳遞三個(gè)參數(shù) ：將第一個(gè)參數(shù)放在寄存器 0 中，一般 r0=0；第二個(gè)參數(shù)放在寄存器 1 中，是機(jī)器類型 ID ；第三個(gè)參數(shù)放在寄存器 2 中，是啟動(dòng)參數(shù)標(biāo)記列表（TaggedList）在 RAM 中的起始基地址。

其中機(jī)器ID 定義在<linux/arc/arm/tool/mach_types> 文件， 內(nèi)核用機(jī)器 ID 檢查是否支持當(dāng)前平臺(tái)；TaggedList 是Boot Loader 傳遞給內(nèi)核的主要參數(shù)，包含系統(tǒng)的根設(shè)備標(biāo)志，頁(yè)面大小，內(nèi)存的起始地址和大小，RAMDISK 的起始地址和大小，壓縮的 RAMDISK 根文件系統(tǒng)的起始地址和大小，內(nèi)核命令參數(shù)等。內(nèi)核參數(shù)鏈表的格式和說(shuō)明可以從內(nèi)核源代碼目錄樹(shù)的 <include/asm-arm/setup.h> 中找到， 參數(shù)鏈表必須以 ATAG_CORE 開(kāi)始，以 ATAG_NONE 結(jié)束。這里的 ATAG_CORE，ATAG_NONE 是各參數(shù)的標(biāo)記，是一個(gè)32 位值，例如：ATAG_CORE=0x54410001。其他參數(shù)標(biāo)記還包括 ATAG_MEM32，ATAG_INITRD，ATAG_RAMDISK，ATAG_COMDLINE 等。每個(gè)參數(shù)標(biāo)記就代表一個(gè)參數(shù)結(jié)構(gòu)體，由各參數(shù)結(jié)構(gòu)體構(gòu)成參數(shù)列表。內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)將解析該參數(shù)表，用于內(nèi)核啟動(dòng)的配置。

Linux 內(nèi)核的引導(dǎo)只需要完成必要的硬件初始化操作， 設(shè)置運(yùn)行環(huán)境后，讀取 Linux 內(nèi)核到預(yù)先規(guī)劃好的位置 ；設(shè)置好TaggedList 后，將TaggedList，MachID，內(nèi)存參數(shù)，文件系統(tǒng)位置等信息傳遞給Linux 內(nèi)核后就能完成 Linux 內(nèi)核的引導(dǎo)，如圖 4 所示。

圖 4 啟動(dòng) Linux

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以三星 S3C6410 為處理器的 Mini6410 開(kāi)發(fā)板為硬件平臺(tái)，以 U-Boot 為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)嵌入式設(shè)備上使用一個(gè) Boot Loader 引導(dǎo)多個(gè)操作系統(tǒng)的目的。本文將系統(tǒng)啟動(dòng)的代碼實(shí)現(xiàn)為一個(gè)獨(dú)立的函數(shù)，有利于降低項(xiàng)目代碼的耦合性，方便后續(xù)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。