基于AT91RM9200的BootLoader設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于AT91RM9200的BootLoader設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著微技術(shù)和機(jī)技術(shù)的，微處理器芯片的功能越來(lái)越強(qiáng)大，嵌入式技術(shù)也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。但是在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，BootLoader的設(shè)計(jì)是遇到的第一個(gè)難點(diǎn)。本文以AT91RM9200為例，介紹BootLoader的一般實(shí)現(xiàn)流程以及功能更為強(qiáng)大的u-boot的移植。

關(guān)鍵詞：BootLoaderAT91RM9200u-boot移植嵌入式系統(tǒng)

一、引言

嵌入式系統(tǒng)是以為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減來(lái)適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴(yán)格的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著各種微處理器功能越來(lái)越強(qiáng)大以及軟件上操作系統(tǒng)的支持，使得整個(gè)嵌入式系統(tǒng)擁有了完整構(gòu)架。近年來(lái)各種嵌如式操作系統(tǒng)也是層出不窮以適應(yīng)各種不同功能的微處理器。然而如何加載操作系統(tǒng)卻成了大家嵌入式系統(tǒng)遇到的第一個(gè)攔路虎。這就是BootLoader，他把嵌入式硬件和嵌入式操作系統(tǒng)銜接起來(lái)，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)后續(xù)軟件的開發(fā)十分重要，在整個(gè)開發(fā)中也占有相當(dāng)大的比例。BootLoader的功能是引導(dǎo)和加載內(nèi)核鏡像，是在系統(tǒng)復(fù)位后執(zhí)行的第一段代碼，BootLoader首先完成系統(tǒng)硬件的初始化，包括時(shí)鐘的設(shè)置、存儲(chǔ)區(qū)映射、設(shè)置堆棧指針，以及完成處理器和周邊電路和設(shè)備正常運(yùn)行所要的初始化工作，創(chuàng)建內(nèi)核需要的信息并將系統(tǒng)的軟硬件帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，然后跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)內(nèi)核入口，將系統(tǒng)控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，在此之后系統(tǒng)的運(yùn)行和BootLoader再無(wú)任何關(guān)系。u-boot是當(dāng)前比較流行、功能強(qiáng)大的BootLoader，可以支持多種體系結(jié)構(gòu)。

二、BootLoader主要任務(wù)及典型結(jié)構(gòu)

一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件的角度看通?？梢苑譃樗膫€(gè)層次：引導(dǎo)加載程序、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序。如圖2.1所示

BootLoader是依賴于硬件實(shí)現(xiàn)的，特別是在嵌入式系統(tǒng)中。不同的體系結(jié)構(gòu)需求的BootLoader是不同的；除了體系結(jié)構(gòu)，BootLoader還依賴于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備的配置。也就是說(shuō)，對(duì)于兩塊不同的嵌入式板而言，即使它們基于相同的CPU構(gòu)建，運(yùn)行在其中一塊電路板上的BootLoader，未必能夠運(yùn)行在另一塊電路開發(fā)板上。

BootLoader的啟動(dòng)過(guò)程可以是單階段的，也可以是多階段的。通常多階段的BootLoader能提供更為復(fù)雜的功能，以及更好的可移植性。從固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上啟動(dòng)的BootLoader大多數(shù)是二階段的啟動(dòng)過(guò)程，也即啟動(dòng)過(guò)程可以分為stage1和stage2兩部分。

用戶應(yīng)用程序

文件系統(tǒng)

Linux內(nèi)核

引導(dǎo)加載程序

圖2.1

依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼，比如設(shè)備初始化、開關(guān)中斷、初始化時(shí)鐘等，通常都放在stage1中，而且都用匯編來(lái)實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到短小精悍的目的。而stage2通常用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的功能，而且代碼有較好的可讀性和可移植性。

BootLoader的stage1通常包括以下步驟：

（1）初始化各種模式的堆棧和寄存器。

（2）初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、系統(tǒng)總線速率及一些系統(tǒng)常量。

（3）初始化存儲(chǔ)控制器，如FLASH和SDRAM的大小、類型、數(shù)據(jù)寬度、地址范圍等

（4）初始化各種I/O口和各種控制器。

（5）為stage2做準(zhǔn)備。

BootLoader的stage2通常包括以下步驟：

（1）初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備。

（2）檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射（memorymap）.

（3）將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像從flash拷貝SDRAM中。

（4）為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)。

（5）調(diào)用內(nèi)核。

綜合起來(lái)，整個(gè)BootLoader的實(shí)現(xiàn)流程如圖2.2所示：

基本硬件初始化

拷貝階段2鏡像至RAM

擴(kuò)展功能所需硬件初始化

圖2.2

三、BootLoader的實(shí)現(xiàn)

u-boot是當(dāng)前比較流行、功能強(qiáng)大的BootLoader，而且是通用的免費(fèi)開放源碼的BootLoader程序，可以支持多種體系結(jié)構(gòu)。u-boot是由德國(guó)的工程師WolfgangDenk從8XXROM代碼發(fā)展而來(lái)的。最新版本是u-boot-1.1.4?，F(xiàn)以ATMEL公司生產(chǎn)的AT91RM9200為例,介紹如何在以AT91RM9200為核心處理器的最小系統(tǒng)上的u-boot-1.1.0的移植。本系統(tǒng)包括：

flash:4MB

sdram:32MB

1．u-boot源代碼目錄結(jié)構(gòu)

（1）board：和一些已有開發(fā)板的文件，比如Makefile和u-boot.lds等都和具體開發(fā)板的硬件和地址分配有關(guān)。

（2）common：與體系結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)文件，實(shí)現(xiàn)各種命令的C文件。

（3）cpu：CPU相關(guān)文件，其中的子目錄都是以u(píng)-boot所支持的CPU為名，比如有子目錄arm926ejs、mips、mpc8260和nios等，每個(gè)特定的子目錄中都包括cpu.c和interrupt.c，start.S。其中cpu.c初始化CPU、設(shè)置指令Cache和數(shù)據(jù)Cache等；interrupt.c設(shè)置系統(tǒng)的各種中斷和異常，比如快速中斷、開關(guān)中斷、時(shí)鐘中斷、軟件中斷、預(yù)取中止和未定義指令等；start.S是U-BOOT啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的第一個(gè)文件，它主要是設(shè)置系統(tǒng)堆棧和工作方式，為進(jìn)入C程序奠定基礎(chǔ)。

（4）disk：disk驅(qū)動(dòng)的分區(qū)處理代碼。

（5）doc：u-boot的說(shuō)明文檔。

（6）drivers:通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，比如各種網(wǎng)卡、支持CFI的Flash、串口和USB總線等。

（7）fs:支持文件系統(tǒng)的文件，U-BOOT現(xiàn)在支持cramfs、fat、fdos、jffs2和registerfs。

（8）include：頭文件，還有對(duì)各種硬件平臺(tái)支持的匯編文件，系統(tǒng)的配置文件和對(duì)文件系統(tǒng)支持的文件。

（9）net：與有關(guān)的代碼，BOOTP協(xié)議、TFTP協(xié)議、RARP協(xié)議和NFS文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

（10）lib_arm：與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼。

（11）tools：創(chuàng)建S-Record格式文件和U-BOOTimages的工具。

2．對(duì)u-boot-1.1.0的修改和移植

為了使u-boot-1.1.0支持新的開發(fā)板，u-boot已經(jīng)支持的開發(fā)板中選擇一種接近的進(jìn)行修改。由于u-boot-1.1.0已經(jīng)支持ARM-920T內(nèi)核，所以選擇基于ARM-920T內(nèi)核的at91rm9200為模板。相關(guān)的源代碼在board/at91rm9200/下。

（1）與at91rm9200相關(guān)的u-boot代碼

①在include/configs/at91rm9200dk.h它包括開發(fā)板的CPU、系統(tǒng)時(shí)鐘、SDRAM、Flash系統(tǒng)及其它相關(guān)配置信息。

#definePHYS_SDRAM0X20000000

#definePHYS_SDRAM_SIZE0X2000000

#definePHYS_FLASH_10x10000000

#definePHYS_FLASH_SIZE0x400000

②在include/asm-arm/AT91RM9200.h,該文件描述了at91rm9200寄存器的結(jié)構(gòu)及若干宏定義。具體要4。暫不用修改。

③在include/flash.h中，該文件定義了flash的屬性

④)在cpu/at91rm9200/目錄下別為cpu.c、interrupts.c和serial.c等文件。

⑤在board/at91rm9200dk/目錄下分別為flash.c、at91rm9200dk.c,config.mk,Makefile,u-boot.lds。

⑥flash.c:u-boot讀、寫和刪除Flash設(shè)備的源代碼文件。由于不同開發(fā)板中Flash存儲(chǔ)器的種類各不相同，所以，修改flash.c時(shí)需參考相應(yīng)的Flash芯片手冊(cè)。它包括如下幾個(gè)函數(shù)：

unsignedlongflash_init(void)，F(xiàn)lash初始化；

voidflash_print_info(flash_info_t*info)，打印Flash信息；

intflash_erase(flash_info_t*info，ints_first，ints_last)，F(xiàn)lash擦除；

volatilestaticintwrite_dword(flash_info_t*info，ulongdest，ulongdata)，F(xiàn)lash寫入；

intwrite_buff(flash_info_t*info，uchar*src，ulongaddr，ulongcnt)，從內(nèi)存復(fù)制數(shù)據(jù)。

⑦u-boot.lds:linkerscripte,設(shè)置u-boot中各個(gè)目標(biāo)文件的連接地址。

（2）網(wǎng)卡設(shè)備控制程序

在drivers/目錄中網(wǎng)口設(shè)備控制程序cs8900,bcm570x等,還可以添加其他網(wǎng)卡驅(qū)

inteth_init(bd_t*bd):初始化設(shè)備；

voideth_halt(void):關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；

inteth_send(volatilevoid*packet，intlen):發(fā)送數(shù)據(jù)包；

inteth_rx(void):接收數(shù)據(jù)包。

（3）修改Makefile文件

在u-boot-1.0.0/Makefile中加入

at91rm9200dk_config:unconfig

./mkconfig$(@:_config=)armat91rm9200at91rm9200dk

其中“arm”是CPU的種類，at91rm9200是ARMCPU對(duì)應(yīng)的代碼目

at91rm9200dk是自己開發(fā)板對(duì)應(yīng)的目錄。

四、生成目標(biāo)文件

先運(yùn)行makeclean，

[zeng@localhostu-boot-1.1.0]$makeclean

然后運(yùn)行at91rm9200dk_config，

[zeng@localhostu-boot-1.1.0]$makeat91rm9200dk_config

Configuringforat91rm9200board...

再運(yùn)行make，

[zeng@localhostu-boot-1.1.0]$make

之后會(huì)生成三個(gè)文件：

1．u-boot——ELF格式的文件，可以被大多數(shù)Debug程序識(shí)別；

2．u-boot.bin——二進(jìn)制bin文件，純粹的U-BOOT二進(jìn)制執(zhí)行代碼，不保存ELF格式和調(diào)試信息。這個(gè)文件一般用于燒錄到用戶開發(fā)板中；

3．u-boot.srec——MotorolaS-Record格式，可以通過(guò)串行口下載到開發(fā)板中。

以上工作完成我們可以通過(guò)串口將u-boot.bin下載到主板的SDRAM中，它會(huì)自動(dòng)執(zhí)行，并出現(xiàn)uboot>,這里我們可以通過(guò)串口把u-boot.bin,u-boot.bin.gz下載到主板，再用u-boot的提供的寫flash功能分別把u-boot.bin,u-boot.bin.gz寫入到flash中，完成以上工作后，對(duì)主板跳線選擇片外啟動(dòng)，板子復(fù)位后會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)u-boot

五、結(jié)語(yǔ)

BootLoader是操作系統(tǒng)和硬件的樞紐，它為操作系統(tǒng)內(nèi)核的啟動(dòng)提供了必要的條件和參數(shù)。在移植過(guò)程中，開發(fā)人員除了要掌握BootLoader的結(jié)構(gòu)和工作流程外，還要對(duì)相關(guān)硬件有一定了解。，移植的u-boot已經(jīng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行在開發(fā)板上，而且可以通過(guò)F