U-Boot在S3C2410上的移植
U-Boot是用于初始化目標(biāo)板硬件,為嵌入式操作系統(tǒng)提供目標(biāo)板硬件配置信息,完成嵌入式操作系統(tǒng)裝載、引導(dǎo)和運(yùn)行的固件程序。它能夠?qū)⑾到y(tǒng)的軟硬件緊密銜接在一起。S3C2410是三星公司的一款基于ARM920T核的嵌入式通用處理器。本文將詳細(xì)介紹U-Boot在S3C2410開(kāi)發(fā)板上的移植與運(yùn)行。
U-BOOT簡(jiǎn)介
U-Boot支持ARM、 PowerPC等多種架構(gòu)的處理器,也支持Linux、NetBSD和VxWorks等多種操作系統(tǒng)。它提供啟動(dòng)加載和下載兩種工作模式。啟動(dòng)加載模式也稱自主模式,一般是將存儲(chǔ)在目標(biāo)板Flash中的內(nèi)核和文件系統(tǒng)的鏡像裝載到SDRAM中,整個(gè)過(guò)程無(wú)需用戶的介入。在使用嵌入式產(chǎn)品時(shí),一般工作在該模式下。工作在下載模式時(shí),目標(biāo)板往往受外設(shè)(一般是PC機(jī))的控制,從而將外設(shè)中調(diào)試好的內(nèi)核和文件系統(tǒng)下載到目標(biāo)板中去。U-Boot允許用戶在這兩種工作模式間進(jìn)行切換。通常目標(biāo)板啟動(dòng)時(shí),會(huì)延時(shí)等待一段時(shí)間,如果在設(shè)定的延時(shí)時(shí)間范圍內(nèi),用戶沒(méi)有按鍵,U-Boot就進(jìn)入啟動(dòng)加載模式。
開(kāi)發(fā)板的主要配置包括三星ARM9處理器S3C2410、1個(gè)串口和JTAG接口,晶振為12MHz,系統(tǒng)主頻為200MHz。另外,開(kāi)發(fā)板上還包括1片4M×16位數(shù)據(jù)寬度的Flash,地址范圍為0x01000000~0x01800000和2片8M×16位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM,地址范圍為0x30000000~0x32000000。Flash使用了2410處理器的BANK0單元,由于2410中地址是循環(huán)映射的,因而0x01000000 和0x0地址等同。
在本系統(tǒng)中,U-Boot的主要功能包括:建立和初始化RAM;初始化一個(gè)串口;檢測(cè)機(jī)器的體系結(jié)構(gòu),傳遞MACH_TYPE_xxx的值(SMDK2410)給內(nèi)核;建立內(nèi)核的標(biāo)記列表(tagged list);調(diào)用內(nèi)核鏡像。
U-Boot移植步驟
為了使U-Boot支持新的開(kāi)發(fā)板,一種簡(jiǎn)便的做法是在U-Boot已經(jīng)支持的開(kāi)發(fā)板中選擇一種和目標(biāo)板接近的,并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。代碼修改的步驟如下:
1)在board目錄下創(chuàng)建smdk2410目錄,添加smdk2410.c、flash.c、memsetup.s、u-boot.lds和config.mk等;
2)在cpu目錄下創(chuàng)建arm920t目錄,主要包含start.s、interrupts.c、cpu.c、serial.c和speed.c等文件;
3)在include/configs目錄下添加smdk2410.h,它定義了全局的宏定義等;
4)修改u-boot根目錄下的Makefile文件:
smdk2410_config : unconfig@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410
5)運(yùn)行make smdk2410_config,如果沒(méi)有錯(cuò)誤,就可以開(kāi)始進(jìn)行與硬件相關(guān)的代碼移植工作。由于這部分代碼與硬件緊密相關(guān),所以要熟悉開(kāi)發(fā)板的硬件配置,可參考各芯片的用戶手冊(cè)。
U-Boot啟動(dòng)過(guò)程
U-Boot的啟動(dòng)過(guò)程可以分成3個(gè)階段。首先在Flash中運(yùn)行匯編程序,將Flash中的啟動(dòng)代碼部分復(fù)制到SDRAM中,同時(shí)創(chuàng)造環(huán)境準(zhǔn)備運(yùn)行C程序;然后在SDRAM中執(zhí)行,對(duì)硬件進(jìn)行初始化;最后設(shè)置內(nèi)核參數(shù)的標(biāo)記列表,復(fù)制鏡像文件,進(jìn)入內(nèi)核的入口函數(shù)。
1) 程序首先在Flash中運(yùn)行CPU入口函數(shù)/cpu/arm920t/start.s。具體工作包括:設(shè)置異常的入口地址和異常處理函數(shù);配置PLLCON寄存器,確定系統(tǒng)的主頻;屏蔽看門(mén)狗和中斷;初始化I/O寄存器;關(guān)閉MMU功能;調(diào)用/board/smdk2410中的memsetup.s,初始化存儲(chǔ)器空間,設(shè)置刷新頻率;將U-Boot的內(nèi)容復(fù)制到SDRAM中;設(shè)置堆棧的大小,ldr pc, _start_armboot。
board/s3c2410中config.mk文件(TEXT_BASE = 0x31F00000)用于設(shè)置程序編譯連接的起始地址,在程序中要特別注意與地址相關(guān)指令的使用。
當(dāng)程序在Flash中運(yùn)行時(shí),執(zhí)行程序跳轉(zhuǎn)時(shí)必須要使用跳轉(zhuǎn)指令,而不能使用絕對(duì)地址的跳轉(zhuǎn)(即直接對(duì)PC操作)。如果使用絕對(duì)地址,那么,程序的取指是相對(duì)于當(dāng)前PC位置向前或者向后的32MB空間內(nèi),而不會(huì)跳入SDRAM中。
2) 程序跳轉(zhuǎn)到SDRAM中執(zhí)行/lib_arm/board.c中的start_armboot()函數(shù)。該函數(shù)將完成如下工作:
*設(shè)置通用端口rGPxCON;rGPxUP;設(shè)置處理器類型gd->bd->bi_arch_number = 193;設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)地址gd->bd->bi_boot_params = 0x30000100;
* env_init:設(shè)置環(huán)境變量,初始化環(huán)境;
* init_baudrate:設(shè)置串口的波特率;
* serial_init:設(shè)置串口的工作方式;
* flash_init:設(shè)置ID號(hào)、每個(gè)分頁(yè)的起始地址等信息,將信息送到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體中;
* dram_init:設(shè)置SDRAM的起始地址和大小;
* env_relocate:將環(huán)境變量的地址送到全局變量結(jié)構(gòu)體中(gd->env_addr = (ulong)&(env_ptr->data));
* enable_interrupts:開(kāi)啟中斷;
* main_loop:該函數(shù)主要用于設(shè)置延時(shí)等待,從而確定目標(biāo)板是進(jìn)入下載操作模式還是裝載鏡像文件啟動(dòng)內(nèi)核。在設(shè)定的延時(shí)時(shí)間范圍內(nèi),目標(biāo)板將在串口等待輸入命令,當(dāng)目標(biāo)板接到正確的命令后,系統(tǒng)進(jìn)入下載模式。在延時(shí)時(shí)間到達(dá)后,如果沒(méi)有接收到相關(guān)命令,系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入裝載模式,執(zhí)行bootm 30008000 30800000命令,程序進(jìn)入do_bootm_linux()函數(shù),調(diào)用內(nèi)核啟動(dòng)函數(shù);
3) 裝載模式下系統(tǒng)將執(zhí)行do_bootm_linux()函數(shù),0x30008000是內(nèi)核在SDRAM中的起始地址;0x30800000是ramdisk在SDRAM中的起始地址;0x40000是內(nèi)核在Flash中的位置,0x100000是數(shù)據(jù)塊的大??;0x140000是ramdisk在FLASH中的位置,0x440000是數(shù)據(jù)塊的大小。系統(tǒng)調(diào)用memcpy()函數(shù)將內(nèi)核從flash和ramdisk復(fù)制到SDRAM中,具體如下:
memcpy((void *)0x30008000, (void *)0x40000, 0x100000);//復(fù)制數(shù)據(jù)塊
memcpy((void *)0x30800000, (void *)0x140000, 0x440000);//復(fù)制數(shù)據(jù)塊
通常,將內(nèi)核參數(shù)傳遞給Linux操作系統(tǒng)有兩種方法:采用struct param_struct結(jié)構(gòu)體或標(biāo)記列表。本系統(tǒng)中采用了第二種方法。
一個(gè)合法的標(biāo)記列表開(kāi)始于ATAG_CORE,結(jié)束于ATAG_NONE。ATAG_CORE可以為空,一個(gè)空的ATAG_CORE的size字段設(shè)為“2”(0x00000002)。ATAG_NONE 的size字段必須設(shè)為“0”。標(biāo)記列表可以有任意多的標(biāo)記(tag)。在嵌入式Linux系統(tǒng)中,通常由U-Boot設(shè)置的啟動(dòng)參數(shù)有:ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。
在本系統(tǒng)中,傳遞參數(shù)時(shí)分別調(diào)用了以下tag:
setup_start_tag(bd); //標(biāo)記列表開(kāi)始
setup_memory_tags(bd); //設(shè)置內(nèi)存的起始位置和大小
setup_commandline_tag(bd, commandline); /*Linux內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)可以命令行參數(shù)的形式來(lái)接收信息,利用這一點(diǎn)可以向內(nèi)核提供那些內(nèi)核不能檢測(cè)的硬件參數(shù)信息,或者重載(override)內(nèi)核檢測(cè)到的信息,這里char *commandline "initrd=0x30800000,0x440000 root=/dev/ram init=/linuxrc console=ttyS0";*/
setup_ramdisk_tag(bd); //表示內(nèi)核解壓后ramdisk的大小
setup_initrd_tag(bd, initrd_start, initrd_end); //設(shè)置ramdisk的大小和物理起始地址
setup_end_tag(bd); //標(biāo)記列表結(jié)束
其中bd_t *bd = gd->bd是指向bd_t 結(jié)構(gòu)體的指針,在該結(jié)構(gòu)體中存放了關(guān)于開(kāi)發(fā)板配置的基本信息。標(biāo)記列表應(yīng)該放在內(nèi)核解壓和initrd的bootp程序都不會(huì)覆蓋的內(nèi)存區(qū)域,同時(shí)又不能和異常處理的入口地址相沖突。建議放在RAM起始的16K大小處,在本系統(tǒng)中即為0x30000100處。
U-BOOT調(diào)用 Linux 內(nèi)核的方法是直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處,也即直接跳轉(zhuǎn)到 MEM_START+0x8000地址處。在跳轉(zhuǎn)時(shí),要滿足下列條件:
a) CPU寄存器的設(shè)置:R0=0;R1=機(jī)器類型 ID,本系統(tǒng)的機(jī)器類型ID=193。R2=啟動(dòng)參數(shù)標(biāo)記列表在RAM中的起始基地址;
b) CPU模式:必須禁止中斷(IRQs和FIQs);CPU必須工作在SVC模式;
c) Cache和MMU的設(shè)置:MMU 必須關(guān)閉;指令Cache可以打開(kāi)也可以關(guān)閉;數(shù)據(jù)Cache必須關(guān)閉。
系統(tǒng)采用下列代碼來(lái)進(jìn)入內(nèi)核函數(shù):
theKernel = (void (*)(int, int))ntohl(hdr->ih_ep);
theKernel(0, bd->bi_arch_number);其中,hdr是image_header_t類型的結(jié)構(gòu)體,hdr->ih_ep指向內(nèi)核的第一條指令地址,即Linux操作系統(tǒng)下的/kernel/arch/arm/boot/compressed/head.S匯編程序。theKernel()函數(shù)調(diào)用應(yīng)該不會(huì)返回,如果該調(diào)用返回,則說(shuō)明出錯(cuò)。
結(jié)語(yǔ)
本文總結(jié)介紹了U-Boot在S3C2410上的移植,移植完成后,U-Boot能夠穩(wěn)定地運(yùn)行在開(kāi)發(fā)板上,為后續(xù)的軟件開(kāi)發(fā)打下較好的基礎(chǔ)