摘 要：介绍了一款优秀的嵌入式BootLoader—U-Boot，详细讲解了它的运行原理，着重讨论了其在S3C2410上的移植过程，并对移植结果进行了测试。
关键词：U-Boot；S3C2410；移植；BootLoader
引 言 BootLoader是嵌入式系统软件开发的第一个环节，它紧密地将软硬件衔接在一起，对于一个嵌入式设备后续的软件开发至关重要。BootLoader还涉及到许多硬件相关的知识，对于普通的嵌入式开发板，它又是不可跳过的步骤，所以做好它的移植工作是必须的，对于后续的开发工作也是有益的。U-Boot是当前比较流行、功能强大的BootLoader，它操作简便，可以支持多种体系结构的处理器，同时提供了完备的命令体系。 S3C2410是三星公司一款基于ARM920T的嵌入式通用处理器。本文的移植平台就是以S3C2410 为核心的HHARM9-EDU-R2开发板，这块开发板的硬件资源配置较为完善。主要硬件资源有：S3C2410处理器；1片Intel TE28f128FLASH ( 16M)；2片Hynix HY57V561620 SDRAM(64M)；10/100M自适应网络芯片DM9000； USBHost/Device；RS232×2/RS485×1串口；LQ035FLM08L 256K色TFT真彩LCD显示屏；全功能JTAG调试口等。
U-Boot简介 U-Boot是Das U-Boot的简称，是由denx软件中心依照GPL 发布的公共软件，作为系统启动的引导模块，U-Boot支持多种处理器架构，比如Power-PC、ARM、MIPS和x86等。 目前，U-Boot源代码在sourceforge网站的社区服务器中， Internet上有一群自由开发人员对其进行维护和开发，它的项目主页是http：//sourceforge.net/ projects/ u-boot。当下载并解压U-Boot 源码包后，会形成如下的目录结构：board，和一些已有开发板有关的文件；common，实现各种U-Boot 命令的C 文件；cpu，CPU相关文件，其中的子目录都是以U-Boot 所支持的CPU命名的；disk，disk驱动的分区处理代码；doc，文档；drivers，通用设备驱动程序；fs，支持文件系统的文件；include，头文件，对各种硬件平台支持的汇编文件，系统的配置文件和对文件系统支持的文件；net：与网络有关的代码； lib-arm，与ARM体系结构相关的代码；tools，创建S-Record 格式文件和U-Boot Images的工具。
本文中U-Boot的移植就是根据HHARM9-EDU-R2开发板的硬件资源在以上的目录中修改或者添加相关源文件，并且重新编译的过程。移植工作开始之前，了解U-Boot的运行过程是十分必要的。
U- Boot 运行过程分析 U-Boot编译后的代码定义一般不超过100kB，并且这100 kB又分成两个阶段来执行。第一阶段的代码在start.s中定义，大小不超过10 kB，它包括从系统上电后在0x00000000 地址开始执行的部分。这部分代码运行在Flash中，它包括对S3C2410的一些寄存器的初始化和将U-Boot的第二阶段代码从Flash拷贝到SDRAM中。除去第一阶段的代码，剩下的部分都是第二阶段的代码。 第二阶段的起始地址是在第一阶段代码中指定的，被复制到SDRAM后，就从第一阶段跳到这个入口地址开始执行剩余部分代码。 第二阶段主要是进行一些BSS 段设置，堆栈的初始化等工作，最后会跳转到main-loop函数中，接受命令并进行命令处理。图1 给出了U-Boot的详细的运行过程包括对内核的设置、装载及调用过程。
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图1 U-Boot运行过程
了解了U-Boot 的运行过程以后，我们还必须确定开发板的地址空间分布，才可以进行源码的修改和移植工作。 地址空间的分布部分依赖于开发板的硬件配置及CPU 的复位地址。 本文中开发板的地址空间如图2 所示。
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图2 开发板地址空间分布
U-Boot的移植与测试 为了使移植工作更加快捷，应当选择U-Boot当前发布的最新版本1.1.2 (尽管通过CVS可以得到U-Boot1.1.3，但其正在开发，尚未发布，不宜使用) 。 因为最新的版本可以提供尽可能多的处理器核及开发板的支持。 对于U-Boot-1.1.2 而言，它不仅提供对ARM- 920T内核的支持，而且直接提供了对于S3C2410 的板级支持，这使移植工作量相对减少。
支持ARM- 920T内核的代码修改 由于U-Boot-1.1.2 提供对ARM-920T 内核的直接支持，所以本步骤不需要做任何工作，本文为了让读者了解BootLoder 移植的通用模式，在此只是稍加提示。
配置自己的开发板 建立自己开发板的目录和相关文件。
1) 在include/ configs目录中以smdk2410.h为模板添加头文件S3C2410. h(cp smdk2410.h S3C2410.h) 。 这个文件是开发板的配置文件，它包括开发板的CPU、系统时钟、RAM、Flash系统及其它相关的配置信息。
2) 在board/目录下创建S3C2410目录。拷贝smdk2410目录下所有文件到S3C2410目录下，共有如下六个文件：flash.c、memsetup.c、S3C2410.c、Makefile、U-Boot .lds 和config.mk，根据开发板实际情况对各个文件进行修改。
◆flash.c.U-Boot读、写和删除Flash 设备的源代码文件。由于不同开发板中Flash 存储器的种类各不相同，所以，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；
int flash-erase (flash-info-t *info，ints-first，ints -last)，Flash擦除；
volatile static int write- hword (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。
由于本文开发板所用flash芯片为IntelTE28f128，在board/ cmi目录中有此flash.c，只需对其稍加修改即可使用。
◆memsetup.c.初始化时钟、SMC控制器和SDRAM控制器。为了以后能用U-Boot的GO命令执行修改过的用loadb或tftp下载的U-Boot.在标记符“0：”上加入五句：
mov r3，pc
ldr r4，= 0x3FFF0000
and r3，r3，r4 / /以上三句得到实际起动的内存地址
aad r0，r0，r3 / /用GO 命令调试uboot时，启动地址在RAM
add r2，r2，r3 / /把初始化内存信息的地址，加上实际起动地址
◆S3C2410.C.设置各种总线时钟，打开数据Cache和指令Cache，并设置相关内存参数。
◆Makefile.修改：OBJS ：= S3C2410.o flash.omemsetup.o
◆U-Boot.lds.作如下修改：
.text
{
cpu/ arm920t/ start.o ( .text)
* (.text)
}
◆config.mk.用于设置程序连接的起始地址，因为会在U-Boot 中增加功能，所以留下6M 的空间，修改33F80000 为33A00000。
实现网卡的驱动程序 在drivers/目录中以dm9000x.c和dm9000x.h为模板添加网口设备控制程序dm9000.c和dm9000.h，其中dm9000.c主要包括以下函数：
int eth-init (bd-t *bd)，初始化网络设备；
int eth-send(volatile void *，int)，发送数据包；
int eth-rx(void)，接收数据包。
void eth-halt (void)，关闭网络设备；
为了方便网络设备的数据读写操作，还定义了如下函数：
static int dm9000-probe (void)，搜索DM9000芯片，分配空间并登记之；
static u16 phy-read(int)，从Phyxcer寄存器读取一个字；
static void phy-write ( int，u16)，写一个字到Phyxcer 寄存器；
static u16 read-srom-word (int)，从SROM 读取一个字数据；
static u8 DM9000-ior (int)，从I/ O 口读取一个字节；
static void DM9000-iow(int reg，u8 value)，写一个字节到I/ O 口；
最后在drivers/Makefile中加入dm9000.o。
修改Makefile 文件
在U-Boot-1.1.2/Makefile中ARM92xT Systems注释下面加入以下两行：
S3C2410-config ：unconfig
@./ mkconfig ＄( @：-config = ) arm arm920tS3C2410
其中“arm”是CPU的种类，arm920t是ARM CPU对应的代码目录，S3C2410是自己开发板对应的目录。
交叉编译器安装在：/ path/ armv4l-unknown -linux-目录下，所以把CROSS-COMPILE 设置成相应的路径： CROSS-COMPILE = / path/ arm4l-unknown-linux -
生成目标文件并进行测试
依次运行以下命令：
# make clean
# make S3C2410-config
# make
之后会生成三个文件：
U-Boot ——ELF 格式的文件， 可以被大多数Debug 程序识别；
U-Boot.bin ——二进制文件，纯粹的U-Boot
二进制执行代码，不保存ELF 格式和调试信息。 这个文件一般用于烧录到用户开发板中；U-Boot .srec ——Motorola S-Record格式，可以通过串行口下载到开发板中。
测试与应用 1) 测试
利用编制好的Flash烧写程序，通过JTAG口将生成的二进制文件U-Boot。bin烧入Flash的零地址。 烧录成功后，拔掉JTAG调试线并复位开发板，从Minicom终端输出如下信息：
U-Boot 1.1.2 (Jul 20 2005-09 ：34 ：21)
U-Boot code ： 33F00000-> 33F1952C BSS：-> 33F1D870
RAM Configuration ：
Bank # 0 ： 30000000 64 MB
Flash Memory Start 0x0000000
Device ID of the Flash is 18
Flash ： 16 MB
Write 18 to Watchdog and it is 18 now
In ： serial
Out ： serial
Err ： serial
SMDK2410 #
串口输出的以上信息表明，CPU和串口已正常工作。通过U-Boot提供的命令flinfo和mtest可以测试Flash和RAM。经过测试，可以正确地读出Flash信息及读写RAM，表明Flash 和DRAM 已正确初始化。 用tftp命令传输宿主机tftpboot目录下任一小文件到RAM成功，说明网卡芯片也成功驱动。
2) 简单应用
U-Boot的主要作用是用来引导内核。因此，通过U-Boot引导一个特定的内核，可以进一步测试其移植的稳定性。 而使用U-Boot引导内核有两种不同的方法。第一种方法是直接将内核映象文件和根文件系统烧写入Flash，使用此方法，U-Boot在启动时将Flash中的内核映象及根文件系统读入RAM指定位置并从同一位置启动内核。 第二种方法是将内核映象文件和根文件系统下载至RAM中直接启动(而不是从Flash中读入RAM) ，此种方法不需要烧写Flash。笔者为了减少烧写Flash的次数，在本文中采用第二种方法，其步骤如下：
SMDK2410 # tftp 30008000 zImage
SMDK2410 # tftp 30800000 ramdisk.Image.gz
SMDK2410 # go 30008000
上述指令执行的过程中，未出现异常，内核成功启动，并最终进入Shell提示符“ # ”。在Shell提示符下输入内核编译时定制的各个命令，均可以正常运行。另外编写简单C程序，并用交叉编译器编译之，最终生成的可执行文件能够在开发板上正常运行。上述事实说明内核经过U-Boot引导已稳定运行在开发板上。此次应用，进一步验证了U-Boot移植的稳定性。至此，移植工作告一段落。
结 语 目前，笔者移植的U-Boot已经能稳定地运行在开发板上，这使得Linux内核的调试脱离了BDM调试器，节约了大量的开发时间，大大提高了效率，是对后续嵌入式开发的有力支持。 当然，U-Boot只是一款好用的BootLoader，嵌入式Linux的开发存在很多技术细节，只有根据实际情况不断修改、调试、总结，才能获得更大的成功。
