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[導(dǎo)讀]基于PxA255的U-B00t啟動(dòng)分析及移植

摘要:Bootloader在嵌入式系統(tǒng)中是必不可少的重要組成部分,這里使用U-Boot 1.3.O在基于PXA255的嵌入式系統(tǒng)上,構(gòu)建引導(dǎo)加載程序。在對目標(biāo)板的硬件資源進(jìn)行簡要說明之后,詳細(xì)分析了U-Boot的啟動(dòng)流程;接著從參考板的選擇、目標(biāo)板支持文件的建立和相關(guān)代碼的修改,闡述移植的全過程;最后給出了編譯和調(diào)試的方法。結(jié)果表明,U-Boot能穩(wěn)定地運(yùn)行。將U-Boot移植到自制的以PXA255為處理器的目標(biāo)板上,并能成功引導(dǎo)Linux內(nèi)核,該目標(biāo)板已經(jīng)應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn),取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞:U-Boot;PXA255;Bootloader;嵌入式系統(tǒng);軟件移植


0 引 言
    Bootloader是操作系統(tǒng)運(yùn)行之前執(zhí)行的一小段程序,用來初始化硬件設(shè)備,建立一個(gè)系統(tǒng)空間映射圖和一個(gè)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)軟硬件環(huán)境。最終Bootloader把操作系統(tǒng)內(nèi)核映像加載到RAM中。并將系統(tǒng)控制權(quán)交給內(nèi)核。
    U-Boot被認(rèn)為是功能最多,最具彈性以及開發(fā)最積極的開放源碼Bootloader。U-Boot已經(jīng)能夠支持PowerPC,ARM,X86和MIPS體系結(jié)構(gòu)的上百種開發(fā)板,U-Boot還具有通過TFTP,從IDE或SCSI磁盤以及DOc啟動(dòng)的能力,還提供了JFFS2的只讀功能。正是由于U-Boot較高的可靠性和穩(wěn)定性;高度靈活的功能設(shè)置;豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和豐富的開發(fā)和調(diào)試文檔,因此選擇U-Boot作為目標(biāo)板的Boot-loader。
    對于嵌入式系統(tǒng),Bootloader是基于特定的硬件來實(shí)現(xiàn)的,因此建立一個(gè)通用的。Bootloader是不可能的,要使Bootloader能在目標(biāo)板上運(yùn)行,必須做出相應(yīng)的修改。


l 目標(biāo)板
    目標(biāo)板采用Intel PXA255處理器,頻率最高可達(dá)400 MHz,配置了32 MB的FLASH(Intel StrataFLASH)和64 MB的SDRAM(Samsung),網(wǎng)卡采用LAN91C96。板上有JTAG口、串口和網(wǎng)口,可分別完成程序的下載和調(diào)試工作。目標(biāo)板的主要硬件資源如圖1所示。

2 U-Boot啟動(dòng)過程分析
    充分理解代碼的啟動(dòng)流程,對于準(zhǔn)確地判斷出移植過程中出錯(cuò)的原因和出錯(cuò)的位置具有重要的作用。
2.1 U-Boot啟動(dòng)的入口點(diǎn)
    一個(gè)可執(zhí)行的Image必須有一個(gè)入口點(diǎn),并且只能有一個(gè)全局入口??蓤?zhí)行Image的入口一般通過鏈接腳本文件來實(shí)現(xiàn),鏈接腳本主要用于規(guī)定如何把文件內(nèi)的section放入輸出映像文件內(nèi),并控制輸出文件內(nèi)各個(gè)部分在程序地址空間內(nèi)的分布。鏈接腳本文件位于board目錄下的各個(gè)開發(fā)板目錄。
    以U-Boot支持的開發(fā)板1ubbock為例,查看鏈接腳本board/lubbock/u-boot.lds,就可以知道各個(gè)部分的鏈接順序。這個(gè)連接腳本決定了U-Boot的第一階段的代碼是從0xO開始的,入口由_start符號指定(ENTRY(_start)),第一個(gè)鏈接的文件是cup/pxa/start.o,那么U-Boot的入口指令一定位于這個(gè)程序中。
2.2 U-Boot的啟動(dòng)步驟
    U—Boot的啟動(dòng)一般分為stagel和stage2兩個(gè)部分。依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼,通常用匯編語言實(shí)現(xiàn),放在stagel;而stage2則通常用C語言來實(shí)現(xiàn),這樣可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能,而且有更好的可讀性和移植性。
    根據(jù)對鏈接腳本文件和源代碼的分析,U-Boot的啟動(dòng)過程中函數(shù)調(diào)用的順序如圖2所示。

2.2.1 stagel部分
    U-Boot的stagel代碼從人口函數(shù)start.S開始,它用匯編語言寫成,主要完成的工作為:設(shè)置異常向量;設(shè)置CPu的速度、時(shí)鐘頻率及中斷控制寄存器;初始化內(nèi)存控制器;將ROM中的程序復(fù)制到RAM中;初始化堆棧;轉(zhuǎn)到RAM中執(zhí)行。[!--empirenews.page--]
    stage1代碼執(zhí)行完以后,就為stage2的運(yùn)行建立起了基本的硬件環(huán)境,此時(shí)的U-Boot的存儲器SDRAM映射圖如圖3所示。

2.2.2 stage2部分
    接下來進(jìn)入到U-Boot stage2,即C語言代碼部分,入口是start_arml300t,位于lib_arm/board.c中。startarmboot是C語言開始的函數(shù),也是整個(gè)啟動(dòng)代碼中C語言的主函數(shù),同時(shí)還是整個(gè)U-Boot的主函數(shù),該函數(shù)主要完成的操作為:初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備;檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射;將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像從FLASH拷貝到SDRAM中;為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù);調(diào)用內(nèi)核。
    在stage2部分,首先初始化全局?jǐn)?shù)據(jù)表;然后順序執(zhí)行函數(shù)指針數(shù)組init_sequence中的初始化函數(shù);接下來調(diào)用FLAsH_init()函數(shù)初始化CFI FLAsH(針對NOR FLASH);接著調(diào)用env_relocate()函數(shù)初始化環(huán)境變量;然后獲取目標(biāo)板的網(wǎng)絡(luò)地址,包括IP地址和MAC地址;接著調(diào)用commend/console.c中定義的函數(shù)console_init_r()初始化串口控制臺;最后進(jìn)入main_loop循環(huán),以接收用戶命令。至此Bootloader的任務(wù)已經(jīng)完成:初始化硬件,為內(nèi)核傳遞參數(shù),加載內(nèi)核。


3 U-Boot的移植
3.1 移植的目標(biāo)與主要工作
    在移植之前,需要清楚移植的目標(biāo)是什么。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo),需要做哪些工作。一般的開發(fā)板上U-Boot所需的最小功能,包括:串口、FLASH和網(wǎng)卡,由此可得移植目標(biāo)是:
    (1)將U-Boot移植到目標(biāo)板FLASH上;
    (2)U-Boot能夠在目標(biāo)板上運(yùn)行起來;
    (3)U-Boot能夠讀寫目標(biāo)板上FLAsH等存儲設(shè)備;
    (4)U-Boot能夠使網(wǎng)卡正常工作,能通過網(wǎng)卡下載數(shù)據(jù)。
    根據(jù)以上的移植目標(biāo),所做的主要工作應(yīng)該包括:
移植U-Boot與目標(biāo)CPU相應(yīng)的代碼;移植U-Boot的FLASH驅(qū)動(dòng);移植U-Boot,的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。
3.2 參考板的選取
    U-Boot本身已經(jīng)支持多種開發(fā)板,所以在移植的過程中一般不需要從零開始,可以選擇一個(gè)與自己目標(biāo)板最接近的參考板,在參考板的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。所以選擇適當(dāng)?shù)膮⒖及迨鞘种匾模x擇參考板的原則是參考板和目標(biāo)板具有相同的處理器,至少類似的處理器;參考板和開發(fā)板具有相同的外圍接口電路,至少基本接口相同??傊M量重用已成熟的代碼。
    這里目標(biāo)板的CPU為PXA255,在board目錄里選擇lubbock開發(fā)板作為參考板。對于相應(yīng)的FLASH設(shè)備由于Intel FLAsH支持CFI(Common FLAsHInterface),選擇drivers/cfi_FLAsH.c作為FLASH設(shè)備驅(qū)動(dòng)。由于目標(biāo)板使用LAN91C96網(wǎng)卡,所以選擇drivers/lan91c96.c作為網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。
3.3 建立目標(biāo)板支持文件
    選擇好參考板后,就可以依據(jù)參考板按照下面的步驟建立起目標(biāo)板的支持文件:
    在board目錄下,通過“cp-rlubbock xsbase255”建立起目標(biāo)板的支持目錄,將lubbock.c改名為xsbase255.c,在Makefile里把lubbock.o改名為xsbase255.o。
    在inclLlde/configs目錄里.通過“cp 1ubbock.h xs-base255.h”命令建立起目標(biāo)板的配置文件,這個(gè)文件需要經(jīng)常修改。
    在U-Boot根目錄里的MakefiIe中加入如下的命令以創(chuàng)建目標(biāo)板的編譯環(huán)境:
    xsbase2 5 5 config:unconfig
    @$(MKCONFIG)$(@:_config=)arm pxa xsbase255
    注意在@$(MKCONFIG)$(@:_config=)arm
pxa xsbase255前面的空白處是由Tab鍵生成的,千萬不能以空格代替。至此,U-Boot已經(jīng)為目標(biāo)板配置好了支持文件。
3.4 修改相關(guān)代碼
    從移植U-Boot最小要求U-Boot能正常啟動(dòng)的角度出發(fā),主要修改如下文件:
    incIude/configs/xsbase255.h文件,大多數(shù)的寄存器參數(shù)都是在這一文件中設(shè)置完成的。通過宏定義,用于對平臺無關(guān)的代碼進(jìn)行平臺相關(guān)的定制,包括U-Boot命令、缺省的環(huán)境變量等。
     board/xsbase255/xsbase255.c文件,只需進(jìn)行基本的配置,包括設(shè)置math-type,啟動(dòng)參數(shù)首地址,獲取系統(tǒng)的RAM信息等。
    board/xsbase255/config.mk文件,設(shè)置TEXT-BASE,即設(shè)置U-Boot:自己啟動(dòng)時(shí)將自己復(fù)制到RAM中的起始地址。
    驅(qū)動(dòng)程序文件,主要包括網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和FLASH驅(qū)動(dòng)程序。[!--empirenews.page--]
3.4.1 目標(biāo)板配置文件的修改
    目標(biāo)板配置文件inclLlde/configs/xsbase255.h,是移植過程中最重要的文件。在這個(gè)文件中,包括兩種類型的配置,一類是選項(xiàng),前綴是CONFIG_,用來選擇處理器、接口、命令、屬性等;另一類是CFG_用來定義總線頻率、串口波特率等。例如:
    #define CONFIG_PXA255 1
    #define CFG_SDRAMBASE O xa0000000
    在這個(gè)頭文件中,配置相當(dāng)?shù)闹匾锩媾渲弥饕布膮?shù),配置時(shí)必須結(jié)合相應(yīng)的硬件手冊才能正確的完成。主要的配置參數(shù)如表1所示。

    除了上述表格列舉的以外,還有一些其他的參數(shù)需要修改,例如控制臺串口缺省的通信波特率,缺省的環(huán)境變量設(shè)置(包括本地IP地址、以太網(wǎng)接口的掩碼和MAC地址、服務(wù)器IP地址、傳遞給內(nèi)核的命令行參數(shù)等),啟動(dòng)參數(shù)列表配置等。頭文件的修改需要對目標(biāo)板的硬件資源有相當(dāng)?shù)牧私?,主要參考處理器和目?biāo)板的開發(fā)文檔。
3.4.2 目標(biāo)板支持文件的修改
    目標(biāo)板支持文件board/xsbase255/xsbase255.c也需要修改,此文件中的重點(diǎn)是board_init()函數(shù),這個(gè)函數(shù)里包含與開發(fā)板密切相關(guān)的設(shè)備的初始化。bi_arch_number為系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)傳遞給內(nèi)核的MACH號,如果這個(gè)參數(shù)與內(nèi)核配置的不相同,則內(nèi)核啟動(dòng)解壓縮完成后將出現(xiàn)“Error:a”錯(cuò)誤,提示用戶這個(gè)是體系結(jié)構(gòu)參數(shù)傳遞不正確。bi_boot_params為啟動(dòng)參數(shù)的地址,一般放在RAM起始的16 Kb處,在此設(shè)置為Oxa0000100。
3.4.3 驅(qū)動(dòng)的移植
    在這一部分主要包括閃存和網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序的移植。
    (1)FLASH驅(qū)動(dòng)。這里所使用的目標(biāo)板采用2片NOR型閃存,單片容量16 MB,數(shù)據(jù)線寬度為16 b,2片并作1個(gè)32 MB的數(shù)據(jù)寬度為32 b的。BANK。U-Boot本身支持CFI接口規(guī)范的閃存(CFI是針對NOR型FLASH提出的一種獲取閃存和結(jié)構(gòu)參數(shù)的操作規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)),涉及到的文件主要包括drivers/cfi-FLASH.c,comrhand/cmd_FLASH.c。要使U-Boot,支持CFI驅(qū)動(dòng),只需在include/configs/xsbase255.h中添加:
    #define CFG_FLASH_CFI
    #defineCFG_FLASH_CFl_DRIVER 1
    (2)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。這里使用的目標(biāo)板上采用的網(wǎng)卡是LAN91C96,U-Boot自帶的驅(qū)動(dòng)程序drivers/lan91c96.c恰好支持這個(gè)網(wǎng)卡,因此只需在include/Configs/xsbase255.h中添加相應(yīng)的配置即可:
    #define CONFIG_DRIVER_IAN91C96
    #define CONFIG_LAN91C96_BASE 0x0C000300
    CONFIG_LAN91C96_BASE定義的值,應(yīng)當(dāng)由網(wǎng)卡的片選地址和I/O基址決定。如果U-Boot固有的驅(qū)動(dòng)程序沒有對目標(biāo)板的支持,就需要自行在board/xsbase255目錄下添加驅(qū)動(dòng)程序,然后將其添加到本目錄的Makefile中進(jìn)行編譯和鏈接。


4 U-Boot的編譯和下載調(diào)試
    在U-Boot根目錄里輸入命令:
    make xsbase255_config
    該命令通過./mkconfig腳本生成include/config.mk的配置文件,然后運(yùn)行make命令,完成編譯。如果在編譯過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤,可根據(jù)錯(cuò)誤的提示逐一排查。完成了錯(cuò)誤的修改,在重新編譯前,先運(yùn)行make distclean命令,對先前編譯生成的文件進(jìn)行徹底的清除。
    成功編譯后,會生成3種不同的映像格式,分別是:u-boot:.bin(二進(jìn)制格式),u-boot(ELF格式)和u-boot.srec(S—Record格式),根據(jù)加載器的不同,選擇合適的格式燒寫到FLASH中進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。在此選擇u-boot.bin,直接按照二進(jìn)制格式下載。
    最有效的調(diào)試方法是下載映像到FLASH,使用硬件仿真器進(jìn)行跟蹤調(diào)試。但是由于硬件仿真器價(jià)格高等客觀因素,采用軟件跟蹤的方法,利用目標(biāo)板上的LED燈做出判斷。一旦可以打印串口信息,就可以利用串口,將調(diào)試信息輸出到屏幕上。


5 結(jié) 語
    U-Boot是一個(gè)功能強(qiáng)大的:Bootloader開發(fā)軟件,對多種開發(fā)板的支持使得它可以方便地移植到目標(biāo)板上。首先詳細(xì)分析U-Boot啟動(dòng)流程,然后詳細(xì)介紹U-Boot在PXA255目標(biāo)板上移植的全過程。目前U-Boot已經(jīng)在目標(biāo)板上穩(wěn)定的運(yùn)行,為Linux內(nèi)核的移植打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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