U-Boot在基于BF561的嵌入式Linux系統(tǒng)上的移植

1  引言
    嵌入式Linux系統(tǒng)常用的Boot Loader有arm-boot、redboot、U-Boot等。U-Boot (全稱Universal Boot Loader)是當(dāng)前比較流行的遵循GPL條件的開放源碼項(xiàng)目。U-Boot具有源碼公開的特點(diǎn)，開發(fā)人員可根據(jù)自身需要進(jìn)行裁減；支持多種處理器和嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核；具有多種設(shè)備驅(qū)動(dòng)源碼：支持多種引導(dǎo)方式；具有功能強(qiáng)大且成熟、穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中廣泛采用。U-Boot嚴(yán)重依賴于底層硬件，不同的CPU或嵌入式板及設(shè)備需要不同的U-Boot，因此，在嵌入式系統(tǒng)中建立通用的U-Boot是非常困難的，故U-Boot需針對(duì)開發(fā)版本量身定做。
2  開發(fā)平臺(tái)
    系統(tǒng)的開發(fā)板硬件系統(tǒng)如圖1所示。
 

圖1　BF561開發(fā)板
    目標(biāo)板以Blackfin嵌入式處理器BF561為核心，數(shù)據(jù)地址線復(fù)用到SDRAM、 Flash、USB、Ethernet，并通過FPGA實(shí)現(xiàn)邏輯控制。此外，將UART端口轉(zhuǎn)換為RS232端口引出。其中SDRAM的地址為 0x00000000～0x02000000，F(xiàn)lash的地址為0x20000000～0x20300000。宿主機(jī)采用Window和 Suse10.0雙操作系統(tǒng)，采用串行接口和以太網(wǎng)連接宿主機(jī)和目標(biāo)板，程序先在宿主機(jī)上編譯，然后下載至目標(biāo)板上運(yùn)行，目標(biāo)板的終端被重定向到串行接口，由宿主機(jī)輸出。
    開發(fā)環(huán)境的建立步驟如下：
    ⑴在宿主機(jī)上設(shè)置終端：大部分嵌入式系統(tǒng)在宿主機(jī)上大多都采用kermit或minaicom實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)板的通信，本系統(tǒng)采用inicom。minicom是Linux下一個(gè)類似于Windows超級(jí)終端的友好串口通信程序。在終端輸入 bash#minicom-s進(jìn)入minicom設(shè)置畫面，設(shè)置串口波特率、有效數(shù)據(jù)位、停止位以及奇偶校驗(yàn)位分別為57600、8 bit、1位停止位以及無奇偶校驗(yàn)位等。
    ⑵安裝交叉編譯器：交叉編譯是在一個(gè)架構(gòu)下編譯另外一個(gè)架構(gòu)的目標(biāo)文件。要從http：//blackfin.uclinux.org網(wǎng)站上下載Blackfin ToolChain，然后安裝并修改環(huán)境變量PATH，使其包含ToolChain的安裝目錄。
bash# rpm–Uvh blackfin-toolchain-06r1-4.i386.rpm
bash$ export PATH=$PATH：/opt/uClinux/bfin-uclinux/ bin
在U-Boot-1.1.3/Makefile下可以看到選擇交叉編譯器為bfin-uclinux-gcc。
ifeq($(ARCH)，blackfin)
       CROSS_COMPILE = bfin-uclinux-gcc
3　U-Boot啟動(dòng)兩階段
    U-Boot代碼一般分為stage1和stage2兩大部分。stage1依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)如設(shè)備初始化代碼，常用匯編語言編寫以達(dá)到短小精悍，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的目的。它主要包括cpu/bf561目錄下的start.s。stage2一般采用C語言編寫實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能，這樣代碼則具有更好的可讀性和可移植性，主要包括lib blackfin/board.c文件和common/main.c文件中main_loop函數(shù)。
    stagel從CPU入口函數(shù)cpu/bf561/start.s開始，通常包含以下步驟，
    (1)基本硬件的初始化，為隨后執(zhí)行kernel準(zhǔn)備好基本的硬件環(huán)境。包括：屏蔽所有中斷，引導(dǎo)裝載程序的執(zhí)行過程中不必執(zhí)行任何中斷，中斷屏蔽可通過寫CPU的中斷屏蔽寄存器或狀態(tài)寄存器實(shí)現(xiàn)；設(shè)置CPU的速度和時(shí)鐘頻率，初始化pll；RAM初始化，初始化內(nèi)存控制器的各個(gè)寄存器；初始化UART，向串口打印U-Boot的字符信息；關(guān)閉CPU內(nèi)部指令，數(shù)據(jù)cache。
    (2) 為加載U-Boot的stage2準(zhǔn)備RAM空間，通常將stage2置于整個(gè)RAM空間的最頂層1MB空間。
    (3)拷貝U-Boot的stage2到RAM。判斷是否是Flash運(yùn)行，如果是就將stage2的代碼拷貝到TEXT BASE處。將stage2安排到RAM空間的最頂層1MB是較推薦的方法。
    (4)設(shè)置堆棧指針sp為C語言代碼執(zhí)行做好準(zhǔn)備。
    (5)跳轉(zhuǎn)到stage2的C語言代碼入口點(diǎn)。
    stage2主要包括lib-blackfin/board.c中board_init_f、board_init_r函數(shù)以及common/main.C中main_loop函數(shù)。通常包含以下步驟：
    (1) 初始化此階段需用的硬件設(shè)備，由board_init_f和board_init_r函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
void board_init_f(ulong bootflag)
{……………
      init_IRQ()；          //初始化中斷
      init_baudrate()；      //設(shè)置串口波特率
      serial_init()；         //設(shè)置串口工作方式
}
void board_init_r(gd_t*id，ulong dest_addr)
{……………
      size = flash_init()；    //Flash 初始化……………
      for (；；)
         {main_loop()；    //設(shè)置延時(shí)時(shí)間，確定目標(biāo)板是進(jìn)入下載模式還是啟動(dòng)加載模式
}
}
    (2)內(nèi)存映射檢測。
    (3)加載內(nèi)核并為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)。
    (4)調(diào)用內(nèi)核。
4　U-BOOT的移植
4.1  U-Boot方法與要點(diǎn)
    移植U-Boot簡便的方法是從U-Boot支持的開發(fā)板中選擇一個(gè)與其目標(biāo)板接近的開發(fā)板進(jìn)行修改。需修改的是與硬件相關(guān)的部分，涉及到兩個(gè)層面：針對(duì)CPU的移植，由于U-Boot_1.1.3支持BF561，故只需做第二層面的移植：針對(duì)目標(biāo)板硬件的移植。在移植前，需仔細(xì)閱讀U-Boot/readme文件，該文件對(duì)目錄結(jié)構(gòu)和如何移植作了簡要介紹。從移植U-Boot的最小要求、U- Boot能夠正常啟動(dòng)的角度出發(fā)，選擇BF561的STAMP板為模板，相關(guān)源代碼在/board/stamp目錄下，結(jié)合U-Boot的啟動(dòng)流程，主要修改文件如下：
    (1)與目標(biāo)板相關(guān)的代碼部分：在board下創(chuàng)建mybf561目錄，無需從頭開始，參考與目標(biāo)板相似的STAMP板在mybf561目錄下創(chuàng)建mybf561.c、mybf561.h、flash.c、config.mk、Makefie等文件。需要修改/board/mybf561/config.mk：
TEXT_BASE = 0x01FC0000
PLATFORM_CPPFLAGS += - I$(TOPDIR)
TFEXT_BASE用于設(shè)置程序編譯鏈接的起始地址即將U-Boot的stage2拷貝到SDRAM的TEXT_BASE處，即SDRAM最頂層一段存儲(chǔ)區(qū)。修改board/mybf561/Makefile：
include $(TOPDIR)/config.mk
LIB= lib$(BOARD).a             # 選擇庫文件
OBJS=$(BOARD).o mybf561.o     # 目標(biāo)文件
    (2)與CPU相關(guān)的代碼部分：U-Boot_1.1.3/epu文件中含有BF561的目錄，其中包含start.s、cpu.c、cpu.h、interrupt.c、init_sdram.s等。故不需要建立與cpu相關(guān)的文件目錄。
    (3)與頭文件相關(guān)的代碼：在include/configs創(chuàng)建mybf561.h，參考include/configs/stamp.h，如下：
#define CONFIG_MYBF561 1
#define CONFIG_CLKIN_HZ 1000000   // 輸入時(shí)鐘
#define CONFIG_PLL_BYPASS 0       // 使用鎖相環(huán)
    與Flash 相關(guān)設(shè)置：
#define CFG_FLASH_BASE 0x20000000    // Flash起始地址
#define CFG_MAX_FLASH_BANKS 1     // max number of memory banks
#define CFG_MAX_FLASH_SECT 67      // max number of sector on one chip
#define CFG_ENV_ADDR 0x20004000     // 環(huán)境變量保存地址
#define CFG_ENV_OFFSET   (CFG_ENV_ADDR-CFG_FLASH_BASE)
#define CFG_ENV_SIZE          0x2000
#define CFG_ENV_SECT_SIZE    0x2000
    Flash的修改與具體型號(hào)和容量有關(guān)，修改過程中參考Flash擦除數(shù)據(jù)命令、特定寄存器的寫入地址以及扇區(qū)的大小和位置。
與SDRAM相關(guān)設(shè)置：
# define CONFIG_MEM_SIZE 32    // 128，64，32，16
# define CONFIG_MEM_ADD_WDTH   // 8，9，10，11
# define CONFIG_MEM_MT48LC64M4A2FB_7E 1
# define CFG_MEMTEST_START 0x00000000  
// memtest works on
# if (CONFIG_MEM_SIZE == 32)
# define CFG_MAX_RAM_SIZE 0x02000000
# define CFG_MEMTEST_END 0x01F7FFFF   
// 1…31.5MB in DRAM
# define CFG_LOAD_ADDR 0x01000000
//default load
    最后一行要用Tab鍵開頭表示命令。其中blackfin表示CPU的種類。bf561是cpu bf561對(duì)應(yīng)的代碼目錄，mybf561是目標(biāo)板對(duì)應(yīng)的目錄。這樣可使用make mybf561_config配置自身的開發(fā)板。
    其他修改視情況而定。如根據(jù)SDRAM大小修改cplb表，根據(jù)需要修改堆棧大小。如drivers/cfi_flash.c中flash_init()函數(shù)，cpu/bf561/ints.c中init_IRQ()函數(shù)等。
    修改完畢后就可以采用以下命令編譯U-Boot：bash＄>make clean，bash＄>make mrproper，bash＄>make mybf561_ config，bash＄>make。
    編譯完后U-Boot_1.1.3生成U-Boot的二進(jìn)制文件U-Boot.bin(U- Boot.bin只能用于更新)。執(zhí)行bash＄>bfin-uclinux-objcopy-I binary-Oihex U-Boot.bin，生成可在Windows下首次燒寫到Flash的十六進(jìn)制文件U-Boot.hex。
4.2  U-Boot的燒寫
    下載U-Boot到目標(biāo)板，或者當(dāng)U-Boot不能正常啟動(dòng)時(shí)，必須通過JTAG或者ADI ICE將U-Boot下載到目標(biāo)板。在此可將ADI公司的仿真器與Visual DSP++環(huán)境相連，通過Visual DSP++，在TOOLS-->Flash Programmer下執(zhí)行Flash驅(qū)動(dòng)程序M25P64.dxe，選擇"Erase all"-->Load Flie燒寫U-Boot.hex文件到Flash中。
    移植成功后，打開終端minicom復(fù)位開發(fā)板，若串口能輸出正確的啟動(dòng)信息．則表明移植基本成功。啟動(dòng)后，如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，串口沒有接收到按鍵。U-Boot將自動(dòng)加載操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)。若設(shè)定時(shí)間內(nèi)串口接收到按鍵，則U-Boot停止自動(dòng)加載，進(jìn)入命令行，可看到U-Boot的提示符"mybf561>"，查看Flash信息，調(diào)試或手動(dòng)加載內(nèi)核。
    生成新的U-Boot.bin文件后?？赏ㄟ^Ethernet或者串口更新U-Boot。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的傳輸速度遠(yuǎn)比串口快，故一般選擇網(wǎng)絡(luò)傳輸。將新生成的U-Boot.bin拷貝到宿主機(jī)根目錄下的tftpboot目錄(前提是已經(jīng)創(chuàng)建tftp sever)，在目標(biāo)板出現(xiàn)U-Boot提示符后。按任意鍵進(jìn)入下載模式：
    mybf561>tftp 0x1000000 U-Boot.bin
    0x1000000為SDRAM默認(rèn)的下載地址空間，用于U-Boot的升級(jí)、調(diào)試。當(dāng)需要升級(jí)或者修改U-Boot，可將新的U-Boot從SDRAM燒寫到Flash，覆蓋原來的U-Boot，以減少燒寫Flash的次數(shù)。在燒寫以前最好測試一下所下載的U-Boot能否正常運(yùn)行：
    Mybf561>go 0x1000000
    如果運(yùn)行正常就可將U-Boot寫到Flash中：
    mybf561>protect off all
    mybf561>erase all
#可只擦除部分扇區(qū)
    檢驗(yàn)寫入Flash中的內(nèi)容是否正確：
    mybf561>cp.b 0x1000000 0x20000000  $(filesize)
    mybf561>cmp.b 0x1000000 0x20000000  $(filesize)
    如果不正確，應(yīng)重復(fù)執(zhí)行Erase all 和Copy 命令，直到正確為止。至此，U-Boot移植的步驟基本完成。
5　結(jié)束語
    U-Boot是一個(gè)功能強(qiáng)大的Boot loader。前期移植工作是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的首要環(huán)節(jié)。嵌入式開發(fā)人員應(yīng)該在了解U-Boot的工作機(jī)理、移植條件后，根據(jù)目標(biāo)板和具體情況靈活裁減U -Boot以提高操作系統(tǒng)移植的穩(wěn)定性，縮短移植周期，降低產(chǎn)品成本，為后續(xù)開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。