嵌入式linux系統(tǒng)開發(fā)詳解-第14章深入bootloader

第14章深入Bootloader14.1初識(shí)Bootloader14.2U-Boot分析14.3U-Boot啟動(dòng)流程分析14.4移植U-Boot到開發(fā)板14.1初識(shí)Bootloader14.1.1PC（個(gè)人電腦）上的Bootloader14.1.2什么是嵌入式系統(tǒng)的Bootloader14.1.3嵌入式系統(tǒng)常見的Bootloader14.1.1PC（個(gè)人電腦）上的BootloaderBootloader是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段程序，一般來(lái)說(shuō)，Bootloader為了保證整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)速度，要在很短的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行。PC的Bootloader由BIOS和MBR組成。其中，BIOS固化在PC主板的一塊內(nèi)存內(nèi)；MBR是PC內(nèi)硬盤主引導(dǎo)扇區(qū)（MasterBootRecorder）的縮寫。PC上電后，首先執(zhí)行BIOS的啟動(dòng)程序。然后根據(jù)用戶配置，由BIOS加載硬盤MBR的啟動(dòng)數(shù)據(jù)。BIOS把硬盤MBR的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存，然后把系統(tǒng)的控制權(quán)交給保存在MBR的操作系統(tǒng)加載程序（OSLoader）。操作系統(tǒng)加載程序繼續(xù)工作，直到加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，再把控制權(quán)交給操作系統(tǒng)內(nèi)核。14.1.2什么是嵌入式系統(tǒng)的Bootloader嵌入式系統(tǒng)雖然硬件差異大，但是仍然有相同的規(guī)律可循。在同一體系結(jié)構(gòu)上，外部設(shè)備的連接方式、工作方式可能不同，但是CPU的指令、編程模型是相同的。由于和PC系統(tǒng)的差異，在嵌入式系統(tǒng)中，需要開發(fā)人員自己設(shè)計(jì)Bootloader。一些開源軟件組織以及其他公司已經(jīng)設(shè)計(jì)出了適合多種系統(tǒng)的Bootloader。這些Bootloader軟件實(shí)際上是為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)相對(duì)通用的框架。開發(fā)人員只需要根據(jù)需求，按照不同體系結(jié)構(gòu)的編程模型，以及硬件連接結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)與硬件相關(guān)的代碼，省去了從頭開發(fā)的繁瑣流程。14.1.3嵌入式系統(tǒng)常見的BootloaderBootloader是嵌入式軟件開發(fā)的第一個(gè)環(huán)節(jié)。Bootloader初始化目標(biāo)硬件，給嵌入式操作系統(tǒng)提供硬件資源信息，并且裝載嵌入式操作系統(tǒng)。在嵌入式開發(fā)過(guò)程中Bootloader往往是難點(diǎn)，開源的Bootloader在設(shè)計(jì)思想上往往有一些相同之處。1．U-Boot系統(tǒng)加載器2．ViVi系統(tǒng)加載器1．U-Boot系統(tǒng)加載器U-Boot是一個(gè)規(guī)模龐大的開源Bootloader軟件，最初是由denx（）發(fā)起。U-Boot的前身是PPCBoot，目前是SourceForge（）的一個(gè)項(xiàng)目。目前可以支持PowerPC（MPC5xx、MPC8xx、MPC82xx、MPC7xx、MPC74xx）、ARM（ARM7、ARM9、StrongARM、Xscale）、MIPS（4kc、5kc）、X86等處理器，支持的嵌入式操作系統(tǒng)有Linux、Vx-Works、NetBSD、QNX、RTEMS、ARTOS、LynxOS等，是PowerPC、ARM9、Xscale、X86等系統(tǒng)通用的Boot方案。2．ViVi系統(tǒng)加載器ViVi是韓國(guó)的mizi公司專門針對(duì)ARM9處理器設(shè)計(jì)的一款Bootloader。它的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，同時(shí)提供了完備的命令體系，目前在三星系列的ARM9處理器上ViVi也比較流行。與其他的Bootloader一樣，ViVi有兩種工作模式：?jiǎn)?dòng)加載模式和下載模式。14.2U-Boot分析14.2.1獲取U-Boot14.2.2U-Boot工程結(jié)構(gòu)分析14.2.3U-Boot總體工作流程14.2.1獲取U-BootU-Boot的源代碼可以從ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/上獲得。使用匿名用戶身份登錄到U-Boot的FTP服務(wù)器后，進(jìn)入pub/u-boot目錄，該目錄包含了U-Boot所有代碼。本書使用U-Boot1.1.6版本代碼作為分析的樣本。14.2.2U-Boot工程結(jié)構(gòu)分析子目錄名作

用board開發(fā)板相關(guān)的定義和結(jié)構(gòu)common包含U-Boot用到的各種處理函數(shù)cpu各種不同類型的處理器相關(guān)代碼docU-Boot文檔drivers常用外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序examples存放U-Boot開發(fā)代碼樣例fs文件系統(tǒng)有關(guān)的代碼，包括cramfs、ext2、fat等常見文件系統(tǒng)includeU-Boot用到的頭文件lib_armARM體系結(jié)構(gòu)有關(guān)的數(shù)據(jù)定義和操作lib_genericU-Boot通用的操作函數(shù)net常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括bootp、rarp、arp、tftp等post上電自檢相關(guān)代碼rtc實(shí)時(shí)時(shí)鐘有關(guān)操作toolsU-Boot有關(guān)的數(shù)據(jù)代碼14.2.3U-Boot總體工作流程與大多數(shù)Bootloader類似，U-Boot的啟動(dòng)分成stage1和stage2兩個(gè)階段。stage1使用匯編語(yǔ)言編寫，通常與CPU體系緊密相關(guān)，如處理器初始化和設(shè)備初始化代碼等，該階段在start.S文件中實(shí)現(xiàn)。14.2.3U-Boot總體工作流程14.3U-Boot啟動(dòng)流程分析14.3.1_start標(biāo)號(hào)14.3.2reset標(biāo)號(hào)14.3.3cpu_init_crit標(biāo)號(hào)14.3.4lowlevel_init標(biāo)號(hào)14.3.5relocate標(biāo)號(hào)14.3.6start_armboot()函數(shù)14.3.7main_loop()函數(shù)14.3.1_start標(biāo)號(hào)在U-Boot工程中，每種處理器目錄下都有一個(gè)start.S文件，該文件中有一個(gè)_start標(biāo)號(hào)，是整個(gè)U-Boot代碼的入口點(diǎn)。14.3.2reset標(biāo)號(hào)reset標(biāo)號(hào)的代碼在處理器啟動(dòng)的時(shí)候最先被執(zhí)行。14.3.3cpu_init_crit標(biāo)號(hào)cpu_init_crit標(biāo)號(hào)處的代碼初始化ARM處理器關(guān)鍵的寄存器。14.3.4lowlevel_init標(biāo)號(hào)lowlevel_init標(biāo)號(hào)位于board/smdk2410/lowlevel_init.S文件。14.3.5relocate標(biāo)號(hào)relocate部分的代碼負(fù)責(zé)把U-BootStage2的代碼從Flash存儲(chǔ)器加載到內(nèi)存。14.3.6start_armboot()函數(shù)start_armboot()函數(shù)主要初始化ARM系統(tǒng)的硬件和環(huán)境變量，包括Flash存儲(chǔ)器、FrameBuffer、網(wǎng)卡等，最后進(jìn)入U(xiǎn)-Boot應(yīng)用程序主循環(huán)。14.3.7main_loop()函數(shù)main_loop()函數(shù)做的都是與具體平臺(tái)無(wú)關(guān)的工作，主要包括初始化啟動(dòng)次數(shù)限制機(jī)制、設(shè)置軟件版本號(hào)、打印啟動(dòng)信息、解析命令等。14.4移植U-Boot到開發(fā)板14.4.1U-Boot移植的一般步驟14.4.2移植U-Boot到目標(biāo)開發(fā)板14.4.3移植U-Boot的常見問(wèn)題14.4.1

U-Boot移植的一般步驟U-Boot移植工作主要分成處理器相關(guān)部分和開發(fā)板相關(guān)部分。由于U-Boot已經(jīng)支持目前絕大多數(shù)處理器，因此處理器移植的工作相對(duì)較少，主要是修改一些配置。對(duì)于開發(fā)板部分的移植，需要參考硬件線路的外圍器件的手冊(cè)。U-Boot移植大致可以分為下面的步驟：1．檢查U-Boot工程是否支持目標(biāo)平臺(tái)主要檢查U-Boot根目錄下的Readme文件是否提到目標(biāo)平臺(tái)處理器，cpu目錄下是否有目標(biāo)平臺(tái)的處理器目錄，以及board目錄下是否有目標(biāo)平臺(tái)類似的工程。如果U-Boot已經(jīng)編寫了與目標(biāo)平臺(tái)類似的工程文件，移植工作會(huì)大大減輕。2．分析目標(biāo)平臺(tái)類似工程目錄結(jié)構(gòu)如果U-Boot有與目標(biāo)平臺(tái)類似的工程，需要分析一下目標(biāo)板工程目錄的結(jié)構(gòu)。不同的目標(biāo)板可能差別很大，分析工程目錄中有哪些文件可以被新的目標(biāo)開發(fā)板利用。3．分析目標(biāo)平臺(tái)代碼目標(biāo)平臺(tái)代碼分析可以按照14.3.4節(jié)介紹的U-Boot啟動(dòng)流程分析，看哪些代碼是額外的，是否需要去掉額外的代碼。4．建立新的開發(fā)板平臺(tái)目錄在board目錄下建立新的開發(fā)板平臺(tái)目錄，目錄下的文件可以從現(xiàn)有類似的開發(fā)板平臺(tái)目錄下復(fù)制得到。5．對(duì)照手冊(cè)修改平臺(tái)差異部分代碼對(duì)照硬件手冊(cè)，按照U-Boot啟動(dòng)流程修改現(xiàn)有代碼與新平臺(tái)有差異的部分。6．調(diào)試新代碼新修改的代碼很可能啟動(dòng)不了，需要通過(guò)JTag調(diào)試器跟蹤調(diào)試。找出原因修改后再調(diào)試，直到正確啟動(dòng)。以上分析的6個(gè)步驟并非必須嚴(yán)格遵守，這里僅是提供一個(gè)一般的思路，讀者在移植的時(shí)候需要結(jié)合自己的目標(biāo)板情況來(lái)分析。14.4.2移植U-Boot到目標(biāo)開發(fā)板移植U-Boot到新的目標(biāo)平臺(tái)會(huì)有許多問(wèn)題。為了減少出錯(cuò)和工作量，在建立一個(gè)新的目標(biāo)平臺(tái)的時(shí)候可以直接復(fù)制現(xiàn)有類似平臺(tái)的代碼目錄，然后在現(xiàn)有基礎(chǔ)上修改。如移植到mini2440開發(fā)板，可以按照下面的步驟操作：1．建立新目標(biāo)板工程目錄在board目錄下建立一個(gè)mini2440目錄，現(xiàn)有的smdk2410目錄是類似的平臺(tái)，可以復(fù)制smdk2410目錄下的所有文件到mini2440目錄。2．向配置文件加入新開發(fā)板配置在U-Boot代碼根目錄下，修改Makefile文件。在1881行插入一行，寫入以下配置：1882mini2440_config

:unconfig1883@$(MKCONFIG)$(@:_config=)armarm920tmini2440NULLs3c24x03．預(yù)編譯新開發(fā)板的代碼到目前為止可以先編譯一下新開發(fā)板的代碼，目的是為了驗(yàn)證工程文件配置是否正確。在U-Boot目錄下執(zhí)行：$makemini2440_configConfiguringformini2440board...$make4．修改目標(biāo)板配置新的目標(biāo)板配置主要存放在include/configs/mini2440.h文件中，該文件有幾個(gè)宏需要修改：CONFIG_SYS_CLK_FREQ

//目標(biāo)板處理器晶振的頻率CONFIG_DRIVER_CS8900

//目標(biāo)板是否有CS8900網(wǎng)卡CS8900_BASE

//CS8900網(wǎng)卡控制器地址CONFIG_BOOTDELAY

//啟動(dòng)延遲時(shí)間CONFIG_NETMASK

//網(wǎng)絡(luò)地址掩碼CONFIG_SERVERIP

//服務(wù)器IP地址CFG_MAX_FLASH_BANKS

//Flash存儲(chǔ)器Bank數(shù)量PHYS_FLASH_SIZE

//Flash存儲(chǔ)器大小CFG_ENV_ADDR

//環(huán)境配置信息存放地址CFG_FLASH_ERASE_TOUT

//擦除Flash超時(shí)時(shí)間CFG_FLASH_WRITE_TOUT

//寫Flash超時(shí)時(shí)間CFG_ENV_SIZE

//環(huán)境變量大小5．編譯新的配置并且下載執(zhí)行回到U-Boot代碼根目錄，重新執(zhí)行make編譯生成u-boot目標(biāo)文件，然后通過(guò)Flash燒寫工具燒寫到mini2440開發(fā)板的NORFlash存儲(chǔ)器，然后上電啟動(dòng)。14.4.3移植U-Boot的常見問(wèn)題在移植U-Boot的過(guò)程中會(huì)遇到很多問(wèn)題，最主要的是一開始無(wú)