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隨著整個(gè)微電子行業(yè)日新月異的發(fā)展，ARM處理器已經(jīng)帶給了人們?cè)絹碓蕉嗟捏@喜。目前它憑借著自身高性能，低成本，低功耗等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、數(shù)字家電、及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中。ARM公司推出的新一代cortex系列產(chǎn)品為開發(fā)人員提供了更多不同層面的選擇。cortex-A8為cortex系列中的“A”系，屬于ARMV7架構(gòu)，主要面向搭載操作系統(tǒng)的，高性能的應(yīng)用領(lǐng)域。Bootloader是系統(tǒng)上電后執(zhí)行的第一段代碼，其功能類似于電腦的BIOS。簡(jiǎn)單來說，Bootloader主要的工作有兩點(diǎn)：其一是初始化底層硬件資源，為操作系統(tǒng)啟動(dòng)提供必要的環(huán)境；其二是從存儲(chǔ)設(shè)備中讀取操作系統(tǒng)鏡像并啟動(dòng)。但為了方便后期開發(fā)，我們往往要為Bootloader添加其他的功能。如支持串口打印調(diào)試信息，支持nfs網(wǎng)絡(luò)下載，支持根文件系統(tǒng)燒寫等。本文以u(píng)-boot-2013.01為源碼包，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于s5pv210平臺(tái)的，功能齊全且高效穩(wěn)定的Bootloader。 1 硬件平臺(tái) 1.1 s5pv210簡(jiǎn)介 s5pv210是三星公司推出的一款基于cortex-A8架構(gòu)的，高性能的應(yīng)用處理器。該處理器支持ARM V7指令集，具有32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，主頻最高可達(dá)1GHz。另外該處理器還支持掛接LPDDR1、LPDDR2和DDR2類型的RAM，F(xiàn)lash方面可選擇Nand Flash，Nor Flash等。不僅如此，該處理器還提供了包括串口、LCD、IIC、SPI、USB、HDMI等豐富的外部接口資源。目前s5pv210以其高效的性能和卓越的圖形處理能力已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于智能手機(jī)和平板電腦之中。 1.2 s5pv210的啟動(dòng)方式 s5pv210支持多種啟動(dòng)方式，下圖為s5pv210啟動(dòng)的流程圖： 圖1 s5pv210的啟動(dòng)流程 s5pv210的啟動(dòng)過程由BL0，BL1和BL2（BL為Bootloader的簡(jiǎn)稱）三部分代碼實(shí)現(xiàn)，其中BL0在出廠時(shí)已經(jīng)被固化到64KB的iROM中。s5pv210上電后首先執(zhí)行BL0，該段代碼主要負(fù)責(zé)一些簡(jiǎn)單的初始化工作，如關(guān)看門狗，初始化ICache等。然后BL0會(huì)根據(jù)硬件設(shè)置判斷為何種方式啟動(dòng)，并將BL1從啟動(dòng)設(shè)備（OneNand，Nand Flash，USB，UART，SD card等）拷貝到Internal SRAM的BL1區(qū)中。最后BL0會(huì)比較一個(gè)校驗(yàn)值，如果相等則跳轉(zhuǎn)到BL1中繼續(xù)執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)入其他啟動(dòng)方式。該校驗(yàn)值存在BL1的頭部中，其大小為16字節(jié)。 開發(fā)人員一般會(huì)單獨(dú)編寫一個(gè)工具對(duì)BL1編譯出的二進(jìn)制文件添加頭部。其校驗(yàn)值(checksum)的計(jì)算方法如下： ... a = Buf + SPL_HEADER_SIZE; for(i = 0, checksum = 0; i 2 軟件平臺(tái) 2.1 U-Boot介紹 U-Boot（全稱Universal Boot Loader)是Bootloader的一種，其他常見的Bootloader還有RedBoot，vivi等。與之相比，U-Boot具有代碼開源，可靠性和擴(kuò)展性較高等優(yōu)點(diǎn)。另外，對(duì)于類似于Nand Flash、Nor Flash、網(wǎng)卡、LCD等硬件資源的，U-Boot已經(jīng)抽象出與硬件平臺(tái)無關(guān)的代碼作為設(shè)備驅(qū)動(dòng)源碼提供給開發(fā)者。對(duì)于與硬件平臺(tái)相關(guān)的代碼，U-Boot將其定義成宏，并保留到配置文件中。開發(fā)者往往只需要修改這些宏的值就能成功使用這些硬件資源，這讓我們的移植工作變得十分簡(jiǎn)單。 2.2 U-Boot中幾個(gè)比較重要的源文件 U-Boot的源碼包包含有上千個(gè)源文件，但經(jīng)過分析之后，可以找出如下幾個(gè)比較重要的源文件(括號(hào)中為該源文件所在源碼包的位置)。 (1)start.S(arch\arm\cpu\armv7\start.S) 通過分析U-Boot的鏈接文件可以發(fā)現(xiàn)，start.S是U-Boot上電后被執(zhí)行的第一個(gè)源文件。該源文件包括定義了異常向量入口，相關(guān)的全局變量，禁用L2緩存，關(guān)閉MMU等，之后跳轉(zhuǎn)到lowlevel_init()函數(shù)中繼續(xù)執(zhí)行。 (2)lowlevel_init.S(board\samsung\smdkv210\lowlevel_init.S) 該源文件同樣用匯編代碼編寫，其中只定義了一個(gè)函數(shù)lowlevel_init()。該函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)硬件資源的一系列初始化過程，包括關(guān)看門狗，初始化系統(tǒng)時(shí)鐘，內(nèi)存和串口。 (3)mem_setup.S(board\samsung\smdkv210) 該源文件包含對(duì)內(nèi)存進(jìn)行初始化的匯編源碼。 (4)board.c(arch\arm\lib\board.c) 該源文件是用C編寫的，主要實(shí)現(xiàn)了U-Boot第二階段啟動(dòng)過程。包括初始化環(huán)境變量，串口控制臺(tái)，F(xiàn)lash和打印調(diào)試信息等，最后調(diào)用main_loop()函數(shù)。 (5)smdkv210.h(include\configs\Smdkv210.h) s5pv210平臺(tái)的配置文件，該源文件定義了一些與CPU或者外設(shè)相關(guān)的參數(shù)，這些參數(shù)都是用宏來定義的。 2.3 U-Boot啟動(dòng)的一般流程 2.3.1 第一階段初始化 U-Boot的啟動(dòng)過程分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段主要由匯編代碼實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)對(duì)CPU及底層硬件資源的初始化。第二階段用C實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)使能Flash，網(wǎng)卡和引導(dǎo)操作系統(tǒng)等。其第一階段流程如下圖所示： 圖2 U-Boot第一階段啟動(dòng)流程 U-Boot上電后首先會(huì)設(shè)置cpu為管理模式，禁用L1緩存，關(guān)閉MMU和清除caches。之后會(huì)調(diào)用底層初始化函數(shù)lowlevel_init()。該函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下： .globl lowlevel_init lowlevel_init: push {lr} #if defined(CONFIG_SPL_BUILD) /* 初始化時(shí)鐘 */ bl system_clock_init /* 初始化內(nèi)存 */ bl mem_ctrl_asm_init /* 初始化串口 */ bl uart_asm_init #endif pop {pc} 上述代碼中system_clock_init(), mem_ctrl_asm_init(),uart_asm_init()這三個(gè)函數(shù)需要開發(fā)者結(jié)合具體硬件環(huán)境進(jìn)行修改和實(shí)現(xiàn)。 初始化完成之后，U-Boot會(huì)調(diào)用一個(gè)拷貝函數(shù)將BL2拷貝到內(nèi)存地址為0x3FF00000處，然后跳轉(zhuǎn)到該位置執(zhí)行BL2。在U-Boot中，BL1和BL2是基于相同的一些源文件編譯生成的。開發(fā)者在編寫代碼時(shí)需要使用預(yù)編譯宏CONFIG_SPL_BUILD來實(shí)現(xiàn)BL1和BL2不同的功能。其拷貝函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下： void copy_code_2_sdram_and_run(void) { unsigned long ch; void (*u_boot)(void); ch = *(volatile unsigned int *)(0xD0037488); /* 根據(jù)該地址的值判斷傳輸通道 */ /* copy_bl2()函數(shù)不需要開發(fā)者去實(shí)現(xiàn)，s5pv210在出廠時(shí)已經(jīng)固化在了0xD0037F98地址處 */ copy_sd_mmc_to_mem copy_bl2 = (copy_sd_mmc_to_mem) (*(unsigned int *) (0xD0037F98)); unsigned int ret; if (ch == 0xEB000000) { /* CONFIG_SYS_TEXT_BASE = 0x3FF00000 */ ret = copy_bl2(0, 49, 1024,(unsigned int *)CONFIG_SYS_TEXT_BASE, 0); } else if (ch == 0xEB200000) { ret = copy_bl2(2, 49, 1024,(unsigned int *)CONFIG_SYS_TEXT_BASE, 0); } else { return; } u_boot = (void *)CONFIG_SYS_TEXT_BASE; (*u_boot)(); /* 跳轉(zhuǎn)到該地址執(zhí)行 */ } 值得注意的是以上代碼中，copy_bl2()函數(shù)不需要開發(fā)者去實(shí)現(xiàn)，s5pv210在出廠時(shí)已經(jīng)將該函數(shù)固化在了0xD0037F98地址處。其函數(shù)原型如下： u32 (*copy_sd_mmc_to_mem)(u32 channel, u32 start_block, u16 block_size, u32 *trg, u32 init); /* 參數(shù)介紹： channel：通道數(shù)2或0，該值通過讀取0xD0037488地址上的值判斷。 start_block：從第幾個(gè)扇區(qū)開始拷貝，一個(gè)扇區(qū)為512byte。 block_size：拷貝多少個(gè)扇區(qū)，這里拷貝512K trg：目的地址：0x3FF00000, 即離內(nèi)存頂部1M的位置 init：是否需要初始化sd卡，寫0即可。 */ 2.3.2 第二階段初始化 U-Boot進(jìn)入第二階段后會(huì)首先聲明一個(gè)gd_t結(jié)構(gòu)體類型的指針指向內(nèi)存地址（0x40000000 - GD_SIZE）處。0x40000000為內(nèi)存結(jié)束地址，GD_SIZE為結(jié)構(gòu)體gd_t的大小。這樣相當(dāng)于在內(nèi)存最頂端分配了一段空間用于存放一個(gè)臨時(shí)結(jié)構(gòu)體gd_t。該結(jié)構(gòu)體在global_data.h中被定義，U-Boot用它來存儲(chǔ)所有的全局變量。之后U-Boot會(huì)調(diào)用board_init_f()和board_init_r()兩個(gè)函數(shù)進(jìn)一步對(duì)底板進(jìn)行初始化。 (1)board_init_f() 進(jìn)入board_init_f()之后，U-Boot首先設(shè)置之前分配的臨時(shí)結(jié)構(gòu)體，然后開始劃分內(nèi)存空間，其內(nèi)存分配示意圖如下： 圖3 U-Boot內(nèi)存分配狀態(tài) 從內(nèi)存分配狀態(tài)圖中我們可以看到，gd指針指向的臨時(shí)結(jié)構(gòu)體存放在內(nèi)存的最頂部。BL2代碼存放在內(nèi)存地址0x3ff00000處，即距離內(nèi)存頂部1M空間的位置。接下來依次分配malloc空間，bd_t結(jié)構(gòu)體空間和gd_t結(jié)構(gòu)體空間，并且重新設(shè)置棧。最后將臨時(shí)結(jié)構(gòu)體拷貝到id指針?biāo)赶虻奈恢谩oard_init_f()實(shí)現(xiàn)過程大致如下： unsigned int board_init_f(ulong bootflag) { memset((void *)gd, 0, sizeof(gd_t)); ... 設(shè)置gd結(jié)構(gòu)體; ... addr = CONFIG_SYS_TEXT_BASE; /* CONFIG_SYS_TEXT_BASE = 0x3ff00000000 */ addr_sp = addr - TOTAL_MALLOC_LEN; addr_sp -= sizeof (bd_t); bd = (bd_t *) addr_sp; gd->bd = bd; addr_sp -= sizeof (gd_t); id = (gd_t *) addr_sp; ... memcpy(id, (void *)gd, sizeof(gd_t)); base_sp = addr_sp; return (unsigned int)id; } (2)board_init_r() board_init_r()負(fù)責(zé)對(duì)其他硬件資源進(jìn)行初始化。如網(wǎng)卡、Flash、MMC、中斷等。最后調(diào)用main_loop()，等待用戶輸入命令。 3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 3.1 支持Nand Flash讀寫 Nand Flash是嵌入式系統(tǒng)中重要的存儲(chǔ)設(shè)備，其儲(chǔ)存對(duì)象包括Bootloader本身，操作系統(tǒng)內(nèi)核，環(huán)境變量，根文件系統(tǒng)等，所以使能Nand Flash讀寫是U-Boot移植過程中必須完成的一個(gè)步驟。U-Boot中Nand Flash初始化函數(shù)調(diào)用關(guān)系為： board_init_r()->nand_init()->nand_init_chip()->board_nand_init()。 board_nand_init()完成兩件事：(1)對(duì)s5pv210關(guān)于Nand Flash控制器的相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置。(2)對(duì)nand_chip結(jié)構(gòu)體進(jìn)行設(shè)置。我們需要設(shè)置的成員項(xiàng)有IO_ADDR_R，IO_ADDR_W，這兩個(gè)成員都指向地址0xB0E00010，即 Nand Flash控制器的數(shù)據(jù)寄存器的地址。另外還需要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)成員函數(shù)： ① void (*select_chip)(struct mtd_info *mtd, int chip); 該函數(shù)實(shí)現(xiàn)Nand Flash設(shè)備選中或取消選中。 ② void (*cmd_ctrl)(struct mtd_info *mtd, int dat, unsigned int ctrl); 該函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)Nand Flash發(fā)送命令或者地址。 ③ int (*dev_ready)(struct mtd_info *mtd); 該函數(shù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)Nand Flash設(shè)備狀態(tài)。 最后將成員ecc.mode設(shè)置為NAND_ECC_SOFT，即ECC軟件校驗(yàn)。 配置文件中相應(yīng)的宏定義如下所示： #define CONFIG_NAND_S5PV210 /* 告訴Makefile編譯Nand模塊 */ #define CONFIG_SYS_MAX_NAND_DEVICE 1 /* 指定設(shè)備數(shù)量 */ #define CONFIG_SYS_NAND_BASE 0xB0E00000 /* Nand Flash 控制器的基址 */ 3.2 支持網(wǎng)卡 支持nfs或tftp網(wǎng)絡(luò)下載會(huì)極大的方便我們從Linux服務(wù)器上下載文件或鏡像到硬件平臺(tái)上。所以使能網(wǎng)卡在U-Boot移植過程中也顯得非常重要。以網(wǎng)卡dm9000為例，U-Boot已經(jīng)抽象出一套完整的關(guān)于dm9000的驅(qū)動(dòng)代碼（其源碼路徑為drivers\net\dm9000x.c）。用戶只需要根據(jù)具體的硬件電路配置相應(yīng)的宏即可。U-Boot中dm9000網(wǎng)卡初始化函數(shù)的調(diào)用關(guān)系為： board_init_r()->eth_initialize()->board_eth_init()->dm9000_initialize()。 配置文件中相應(yīng)的宏定義如下所示： #define CONFIG_DRIVER_DM9000 /* DM9000網(wǎng)卡模塊加入編譯 */ #define CONFIG_DM9000_BASE (0x88001000) /* 基地址 */ #define DM9000_IO (CONFIG_DM9000_BASE) /* IO口地址 */ #define DM9000_DATA (CONFIG_DM9000_BASE + 0x300C) /* 數(shù)據(jù)口地址 */ 3.3.支持環(huán)境變量的保存和修改 為了方便用戶配置，U-Boot將一部分變量，如串口波特率、ip地址、內(nèi)核參數(shù)、啟動(dòng)命令等存在Flash或SD卡上，這部分?jǐn)?shù)據(jù)稱為環(huán)境變量。每次上電啟動(dòng)時(shí)，U-Boot會(huì)檢查Flash或SD卡上是否存放有環(huán)境變量。如果有則將其讀取出來并使用，如果沒有就使用默認(rèn)的環(huán)境變量。默認(rèn)的環(huán)境變量定義在env_default.h中。用戶也可以隨時(shí)修改或保存環(huán)境變量到Flash或SD卡中。 對(duì)于環(huán)境變量的移植也非常簡(jiǎn)單。以Nand Flash為例，開發(fā)人員在smdkv210.h源文件中只需要添加如下的宏定義即可： #define CONFIG_ENV_IS_IN_NAND /* 告訴Makefile環(huán)境變量保存在Nand Flash中 */ #define CONFIG_ENV_OFFSET 0x80000 /* 環(huán)境變量保存的Nand Flash中的偏移地址 */ #define CONFIG_ENV_SIZE 0x20000 /* 環(huán)境變量的大小 */ #define CONFIG_ENV_OVERWRITE /* 規(guī)定環(huán)境變量和覆蓋 */ 4. 測(cè)試結(jié)果 4.1. 測(cè)試U-Boot啟動(dòng) 測(cè)試平臺(tái)的軟硬件環(huán)境： ◆ 硬件平臺(tái)為友善之臂的smart210開發(fā)板； ◆ Linux服務(wù)器版本為ubuntu9.0； ◆ U-Boot版本為2013-01； ◆ GCC交叉編譯工具鏈版本為4.3.2。 首先將修改后的源碼包放到裝有交叉編譯工具鏈的Linux服務(wù)器上，輸入命令make即可以編譯生成兩個(gè)二進(jìn)制文件。一個(gè)是smdkv210-spl.bin，即BL1代碼，存放在spl目錄下。另一個(gè)是u-boot.bin，即BL2代碼，存放在頂層目錄下。然后插入SD卡，執(zhí)行write2sd.sh腳本就可以把BL1和BL2分別燒寫到SD卡的第1扇區(qū)和第49扇區(qū)。write2sd.sh腳本實(shí)現(xiàn)如下： #!/bin/sh sudo dd iflag=dsync oflag=dsync if=spl/smdkv210-spl.bin of=/dev/sdc seek=1 sudo dd iflag=dsync oflag=dsync if=u-boot.bin of=/dev/sdc seek=49 燒寫完成之后將SD卡插入到smart210開發(fā)板的SD卡槽中，連接好串口和網(wǎng)線，上電啟動(dòng)。之后可以通過串口工具（本次測(cè)試使用的是SecureCRT）看到輸出信息如圖四所示，表示該U-Boot已經(jīng)成功運(yùn)行在開發(fā)板上。 圖四 測(cè)試U-Boot啟動(dòng) 4.2 測(cè)試Nand Flash和網(wǎng)卡。 在等待命令狀態(tài)下輸入“nfs 20000000 192.168.1.123:/work/nfs_root/uImage”,該命令表示從ip為192.168.1.123的Linux服務(wù)器上，通過nfs下載該服務(wù)器上“/work/nfs_root”目錄下的uImage，并存放在內(nèi)存地址為0x20000000處。uImage為適配于s5pv210開發(fā)板的Linux內(nèi)核鏡像。等待一段時(shí)間后看到“Bytes transferred = 2127008 (2074a0 hex)”字樣,表示下載成功。 下載成功之后輸入命令“nand erase.part kernel”，該命令表示擦除Nand Flash上的kernel分區(qū)。接著輸入命令“nand write 20000000 kernel”,該命令表示拷貝內(nèi)存地址為0x20000000的內(nèi)容，燒寫到Nand Flash的kernel分區(qū)中。內(nèi)存地址0x20000000存放的內(nèi)容正是之前我們從Linux服務(wù)器上下載下來的uImage。kernel保存在環(huán)境變量mtdparts中，kernel規(guī)定了該分區(qū)的起始地址和大小。執(zhí)行完這兩條命令后看到“4194304 bytes written: OK”字樣，表示系統(tǒng)內(nèi)核已經(jīng)成功燒寫到Nand Flash中，證明了Nand Flash和網(wǎng)卡均可以正常使用。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖五所示： 圖五 測(cè)試Nand Flash和網(wǎng)卡 4.3 測(cè)試引導(dǎo)內(nèi)核啟動(dòng) 燒寫完內(nèi)核之后執(zhí)行boot命令就可以啟動(dòng)該內(nèi)核。boot命令實(shí)際上是執(zhí)行環(huán)境變量bootcmd中的一條語(yǔ)句，其內(nèi)容為“nand read 20000000 kernel; bootm 20000000”，該語(yǔ)句表示從Nand Flash的kernel分區(qū)中讀出內(nèi)核并存放在內(nèi)存地址為0x20000000處，然后跳轉(zhuǎn)在該地址執(zhí)行內(nèi)核鏡像。啟動(dòng)過程中可以看到串口打印出如圖六所示的信息，證明了該U-Boot已經(jīng)成功支持引導(dǎo)Linux操作系統(tǒng)。 圖六 測(cè)試引導(dǎo)內(nèi)核啟動(dòng) 結(jié)語(yǔ) 本文從硬件，軟件兩個(gè)方面分析了s5pv210的特性及啟動(dòng)方式，然后通過u-boot-2013.01源碼包詳細(xì)闡述了U-Boot啟動(dòng)過程中的兩個(gè)階段，最后結(jié)合smart210開發(fā)板成功設(shè)計(jì)了一個(gè)基于SD卡啟動(dòng)的，多功能的Bootloader。測(cè)試結(jié)果表明該Bootloader支持Nand Flash 讀寫，nfs網(wǎng)絡(luò)下載，環(huán)境變量保存和修改等功能，為后期開發(fā)帶來了極大的便利。 |
