分类： LINUX
2014-08-15 13:07:33
原文地址：u-boot分析(1) 作者：charming2440
Bootloader代码是嵌入式系统复位后进入操作系统前执行的一段代码。通过Bootloader的代码初始化处理器的各寄存器以及其他外部设备，建立存储器映射图以及初始化堆栈，为操作系统提供基本的运行环境。由于嵌入式系统的硬件的多样性，不可能有通用的Bootloader，因此需要根据具体硬件特点移植。本节以目前应用比较广泛的U-Boot为例讲解嵌入式系统Bootloader移植的方法。
U-Boot的源代码可以从ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/上获得。使用匿名用户身份登录到U-Boot的FTP服务器后，进入pub/u-boot目录，该目录包含了U-Boot所有代码。本书使用U-Boot 1.1.6版本代码作为分析的样本。
学习一个软件，尤其是开源软件，首先应该从分析软件的工程结构开始。一个好的软件有良好的工程结构，对于读者学习和理解软件的架构以及工作流程都有很好的帮助。
U-Boot的源码顶层目录说明
目 录 | 特 性 | 解 释 说 明 |
board | 平台依赖 | 存放电路板相关的目录文件，例如：RPXlite(mpc8xx)、smdk2410(arm920t)、sc520_cdp(x86)等目录 |
cpu | 平台依赖 | 存放CPU相关的目录文件，例如：mpc8xx、ppc4xx、arm720t、arm920t、 xscale、i386等目录 |
lib_ppc | 平台依赖 | 存放对PowerPC体系结构通用的文件，主要用于实现PowerPC平台通用的函数 |
目 录 | 特 性 | 解 释 说 明 |
lib_arm | 平台依赖 | 存放对ARM体系结构通用的文件，主要用于实现ARM平台通用的函数 |
lib_i386 | 平台依赖 | 存放对X86体系结构通用的文件，主要用于实现X86平台通用的函数 |
include | 通用 | 头文件和开发板配置文件，所有开发板的配置文件都在configs目录下 |
common | 通用 | 通用的多功能函数实现 |
lib_generic | 通用 | 通用库函数的实现 |
Net | 通用 | 存放网络的程序 |
Fs | 通用 | 存放文件系统的程序 |
Post | 通用 | 存放上电自检程序 |
drivers | 通用 | 通用的设备驱动程序，主要有以太网接口的驱动 |
Disk | 通用 | 硬盘接口程序 |
Rtc | 通用 | RTC的驱动程序 |
Dtt | 通用 | 数字温度测量器或者传感器的驱动 |
examples | 应用例程 | 一些独立运行的应用程序的例子，例如helloworld |
tools | 工具 | 存放制作S-Record 或者 U-Boot格式的映像等工具，例如mkimage |
Doc | 文档 | 开发使用文档 |
U-Boot的源代码包含对几十种处理器、数百种开发板的支持。可是对于特定的开发板，配置编译过程只需要其中部分程序。这里具体以S3C2410 arm920t处理器为例，具体分析S3C2410处理器和开发板所依赖的程序，以及U-Boot的通用函数和工具。
U-Boot的源码是通过GCC和Makefile组织编译的。顶层目录下的Makefile首先可以设置开发板的定义，然后递归地调用各级子目录下的Makefile，最后把编译过的程序链接成U-Boot映像。
它负责U-Boot整体配置编译。按照配置的顺序阅读其中关键的几行。
每一种开发板在Makefile都需要有板子配置的定义。例如smdk2410开发板的定义如下。
smdk2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0
执行配置U-Boot的命令make smdk2410_config，通过./mkconfig脚本生成include/config.
mk的配置文件。文件内容正是根据Makefile对开发板的配置生成的。
ARCH = arm
CPU = arm920t
BOARD = smdk2410
SOC = s3c24x0
上面的include/config.mk文件定义了ARCH、CPU、BOARD、SOC这些变量。这样硬件平台依赖的目录文件可以根据这些定义来确定。SMDK2410平台相关目录如下。
board/smdk2410/
cpu/arm920t/
cpu/arm920t/s3c24x0/
lib_arm/
include/asm-arm/
include/configs/smdk2410.h
再回到顶层目录的Makefile文件开始的部分，其中下列几行包含了这些变量的定义。
# load ARCH, BOARD, and CPU configuration
include include/config.mk
export ARCH CPU BOARD VENDOR SOC
Makefile的编译选项和规则在顶层目录的config.mk文件中定义。各种体系结构通用的规则直接在这个文件中定义。通过ARCH、CPU、BOARD、SOC等变量为不同硬件平台定义不同选项。不同体系结构的规则分别包含在ppc_config.mk、arm_config.mk、mips_config.mk等文件中。
顶层目录的Makefile中还要定义交叉编译器，以及编译U-Boot所依赖的目标文件。
ifeq ($(ARCH),arm)
CROSS_COMPILE = arm-linux- //交叉编译器的前缀
#endif
export CROSS_COMPILE
…
# U-Boot objects....order is important (i.e. start must be first)
OBJS = cpu/$(CPU)/start.o //处理器相关的目标文件
…
LIBS = lib_generic/libgeneric.a //定义依赖的目录，每个目录下先把目标文件连接成*.a文件。
LIBS += board/$(BOARDDIR)/lib$(BOARD).a
LIBS += cpu/$(CPU)/lib$(CPU).a
ifdef SOC
LIBS += cpu/$(CPU)/$(SOC)/lib$(SOC).a
endif
LIBS += lib_$(ARCH)/lib$(ARCH).a
…
然后还有U-Boot映像编译的依赖关系。
ALL = u-boot.srec u-boot.bin System.map
all: $(ALL)
u-boot.srec: u-boot
$(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O srec $< $@
u-boot.bin: u-boot
$(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O binary $< $@
……
u-boot: depend $(SUBDIRS) $(OBJS) $(LIBS) $(LDSCRIPT)
UNDEF_SYM='$(OBJDUMP) -x $(LIBS) \
|sed -n -e 's/.*\(__u_boot_cmd_.*\)/-u\1/p'|sort|uniq`;\
$(LD) $(LDFLAGS) $$UNDEF_SYM $(OBJS) \
--start-group $(LIBS) $(PLATFORM_LIBS) --end-group \
-Map u-boot.map -o u-boot
Makefile缺省的编译目标为all，包括u-boot.srec、u-boot.bin、System.map。u-boot.srec和u-boot.bin又依赖于U-Boot。U-Boot就是通过ld命令按照u-boot.map地址表把目标文件组装成u-boot。
其他Makefile内容就不再详细分析了，上述代码分析应该可以为阅读代码提供了一个线索。
除了编译过程Makefile以外，还要在程序中为开发板定义配置选项或者参数。这个头文件是include/configs/
这个头文件中主要定义了两类变量。
一类是选项，前缀是CONFIG_，用来选择处理器、设备接口、命令、属性等。例如：
#define CONFIG_ARM920T 1
#define CONFIG_DRIVER_CS8900 1
另一类是参数，前缀是CFG_，用来定义总线频率、串口波特率、Flash地址等参数。例如：
#define CFG_FLASH_BASE 0x00000000
#define CFG_PROMPT "=>"
根据对Makefile的分析，编译分为2步。第1步配置，例如：make smdk2410_config；第2步编译，执行make就可以了。
编译完成后，可以得到U-Boot各种格式的映像文件和符号表，如表6.3所示。
表6.3 U-Boot编译生成的映像文件
文 件 名 称 | 说 明 | 文 件 名 称 | 说 明 |
System.map | U-Boot映像的符号表 | u-boot.bin | U-Boot映像原始的二进制格式 |
u-boot | U-Boot映像的ELF格式 | u-boot.srec | U-Boot映像的S-Record格式 |
U-Boot的3种映像格式都可以烧写到Flash中，但需要看加载器能否识别这些格式。一般u-boot.bin最为常用，直接按照二进制格式下载，并且按照绝对地址烧写到Flash中就可以了。U-Boot和u-boot.srec格式映像都自带定位信息。
在tools目录下还有些U-Boot的工具。这些工具有的也经常用到。表6.4说明了几种工具的用途。
表6.4 U-Boot的工具
工 具 名 称 | 说 明 | 工 具 名 称 | 说 明 |
bmp_logo | 制作标记的位图结构体 | img2srec | 转换SREC格式映像 |
envcrc | 校验u-boot内部嵌入的环境变量 | mkimage | 转换U-Boot格式映像 |
gen_eth_addr | 生成以太网接口MAC地址 | updater | U-Boot自动更新升级工具 |
这些工具都有源代码，可以参考改写其他工具。其中mkimage是很常用的一个工具，Linux内核映像和ramdisk文件系统映像都可以转换成U-Boot的格式。
U-Boot能够支持多种体系结构的处理器，支持的开发板也越来越多。因为Bootloader是完全依赖硬件平台的，所以在新电路板上需要移植U-Boot程序。
开始移植U-Boot之前，先要熟悉硬件电路板和处理器。确认U-Boot是否已经支持新开发板的处理器和I/O设备。假如U-Boot已经支持一块非常相似的电路板，那么移植的过程将非常简单。
移植U-Boot工作就是添加开发板硬件相关的文件、配置选项，然后配置编译。
开始移植之前，需要先分析一下U-Boot已经支持的开发板，比较出硬件配置最接近的开发板。选择的原则是，首先处理器相同，其次处理器体系结构相同，然后是以太网接口等外围接口。还要验证一下这个参考开发板的U-Boot，至少能够配置编译通过。
以S3C2410处理器的开发板为例，U-Boot-1.1.2版本已经支持SMDK2410开发板。我们可以基于SMDK2410移植，那么先把SMDK2410编译通过。
我们以S3C2410开发板fs2410为例说明。移植的过程参考SMDK2410开发板，SMDK2410在U-Boot-1.1.2中已经支持。
移植U-Boot的基本步骤如下。
（1）在顶层Makefile中为开发板添加新的配置选项，使用已有的配置项目为例。
smdk2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0
参考上面2行，添加下面2行。
fs2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t fs2410 NULL s3c24x0
（2）创建一个新目录存放开发板相关的代码，并且添加文件。
board/fs2410/config.mk
board/fs2410/flash.c
board/fs2410/fs2410.c
board/fs2410/Makefile
board/fs2410/memsetup.S
board/fs2410/u-boot.lds
（3）为开发板添加新的配置文件
可以先复制参考开发板的配置文件，再修改。例如：
$cp include/configs/smdk2410.h include/configs/fs2410.h
如果是为一颗新的CPU移植，还要创建一个新的目录存放CPU相关的代码。
（4）配置开发板
$ make fs2410_config
（5）编译U-Boot
执行make命令，编译成功可以得到U-Boot映像。有些错误是跟配置选项是有关系的，通常打开某些功能选项会带来一些错误，一开始可以尽量跟参考板配置相同。
（6）添加驱动或者功能选项
在能够编译通过的基础上，还要实现U-Boot的以太网接口、Flash擦写等功能。
对于FS2410开发板的以太网驱动和smdk2410完全相同，所以可以直接使用。CS8900驱动程序文件如下。
drivers/cs8900.c
drivers/cs8900.h
对于Flash的选择就麻烦多了，Flash芯片价格或者采购方面的因素都有影响。多数开发板大小、型号不都相同。所以还需要移植Flash的驱动。每种开发板目录下一般都有flash.c这个文件，需要根据具体的Flash类型修改。例如：
board/fs2410/flash.c
（7）调试U-Boot源代码，直到U-Boot在开发板上能够正常启动。
调试的过程可能是很艰难的，需要借助工具，并且有些问题可能困扰很长时间。
U-Boot的命令为用户提供了交互功能，并且已经实现了几十个常用的命令。如果开发板需要很特殊的操作，可以添加新的U-Boot命令。
U-Boot的每一个命令都是通过U_Boot_CMD宏定义的。这个宏在include/command.h头文件中定义，每一个命令定义一个cmd_tbl_t结构体。
#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) \
cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage, help}
这样每一个U-Boot命令有一个结构体来描述。结构体包含的成员变量：命令名称、最大参数个数、重复数、命令执行函数、用法、帮助。
从控制台输入的命令是由common/command.c中的程序解释执行的。find_cmd()负责匹配输入的命令，从列表中找出对应的命令结构体。
基于U-Boot命令的基本框架，来分析一下简单的icache操作命令，就可以知道添加新命令的方法。
（1）定义CACHE命令。在include/cmd_confdefs.h中定义了所有U-Boot命令的标志位。
#define CFG_CMD_CACHE 0x00000010ULL /* icache, dcache */
如果有更多的命令，也要在这里添加定义。
（2）实现CACHE命令的操作函数。下面是common/cmd_cache.c文件中icache命令部分的代码。
#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_CACHE)
static int on_off (const char *s)
{ //这个函数解析参数，判断是打开cache，还是关闭cache
if (strcmp(s, "on") == 0) { //参数为“on”
return (1);
} else if (strcmp(s, "off") == 0) { //参数为“off”
return (0);
}
return (-1);
}
int do_icache ( cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])
{ //对指令cache的操作函数
switch (argc) {
case 2: /* 参数个数为1，则执行打开或者关闭指令cache操作 */
switch (on_off(argv[1])) {
case 0: icache_disable(); //打开指令cache
break;
case 1: icache_enable (); //关闭指令cache
break;
}
/* FALL TROUGH */
case 1: /* 参数个数为0，则获取指令cache状态*/
printf ("Instruction Cache is %s\n",
icache_status() ? "ON" : "OFF");
return 0;
default: //其他缺省情况下，打印命令使用说明
printf ("Usage:\n%s\n", cmdtp->usage);
return 1;
}
return 0;
}
……
U_Boot_CMD( //通过宏定义命令
icache, 2, 1, do_icache, //命令为icache，命令执行函数为do_icache()
"icache - enable or disable instruction cache\n", //帮助信息
"[on, off]\n"
" - enable or disable instruction cache\n"
);
……
#endif
U-Boot的命令都是通过结构体__U_Boot_cmd_##name来描述的。根据U_Boot_CMD在include/command.h中的两行定义可以明白。
#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) \
cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage, help}
还有，不要忘了在common/Makefile中添加编译的目标文件。
（3）打开CONFIG_COMMANDS选项的命令标志位。这个程序文件开头有#if语句需要预处理是否包含这个命令函数。CONFIG_COMMANDS选项在开发板的配置文件中定义。例如：SMDK2410平台在include/configs/smdk2410.h中有如下定义。
/***********************************************************
* Command definition
***********************************************************/
#define CONFIG_COMMANDS \
(CONFIG_CMD_DFL | \
CFG_CMD_CACHE | \
CFG_CMD_REGINFO | \
CFG_CMD_DATE | \
CFG_CMD_ELF)
按照这3步，就可以添加新的U-Boot命令。
与大多数Bootloader类似，U-Boot的启动分成stage1和stage2两个阶段。stage1使用汇编语言编写，通常与CPU体系紧密相关，如处理器初始化和设备初始化代码等，该阶段在start.S文件中实现。图14-1展示了U-Boot中Stage1阶段的启动过程。
图14-1 U-Boot中Stage1工作流程
图14-1是U-Boot中Stage1工作流程。Stage1的代码都是与平台相关的，使用汇编语言编写占用空间小而且执行速度快。以ARM920为例，Stage1阶段主要是设置各模式程序异常向量表，初始化处理器相关的关键寄存器以及系统内存。Stage1负责建立Stage1阶段使用的堆栈和代码段，然后复制Stage2阶段的代码到内存。
Stage2阶段一般包括：初始化Flash器件、检测系统内存映射、初始化网络设备、进入命令循环，接收用户从串口发送的命令然后进行相应的处理。Stage2使用C语言编写，用于加载操作系统内核，该阶段主要是board.c中的start_armboot()函数实现。图14-2给出了U-Boot的Stage1和Stage2在Flash和RAM中的分配。
图14-2 U-Boot Stage2阶段内存映射
从图14-2中可以看出，U-Boot在加载到内存后，使用了操作系统空余的内存空间。
