Bootloader代碼是芯片復(fù)位后進入操作系統(tǒng)之前執(zhí)行的一段代碼，主要用于完成由硬件啟動到操作系統(tǒng)啟動的過渡，從而為操作系統(tǒng)提供基本的運行環(huán)境，如初始化CPU、堆棧、存儲器系統(tǒng)等。Bootloader代碼與CPU芯片的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、具體型號、應(yīng)用系統(tǒng)的配置及使用的操作系統(tǒng)等因素有關(guān)，其功能類似于PC機的BIOS程序。由于Bootloader和CPU及電路板的配置情況有關(guān)，因此不可能有通用的bootloader ，開發(fā)時需要用戶根據(jù)具體情況進行移植。嵌入式Linux系統(tǒng)中常用的bootloader有armboot、redboot、blob、u-boot 等，其中u-boot是當前比較流行，功能比較強大的bootloader，可以支持多種體系結(jié)構(gòu)，但相對也比較復(fù)雜。Bootloader的實現(xiàn)依賴于 CPU的體系結(jié)構(gòu)，大多數(shù)bootloader都分為stage 1和stage2兩大部分。Bootloader的基本原理見參考文獻。u-boot是sourceforge網(wǎng)站上的一個開放源代碼的項目。它可對 PowerPC MPC5XX、MPC8XX、MPC82XX、 MPC7XX、MPC74XX、ARM（ARM7、ARM9、StrongARM、VxWorks、NetBSD、QNX、RTEMS、ARTOS、 LynxOS等，主要用來開發(fā)嵌入式系統(tǒng)初始化代碼bootloader。軟件的主站點是http://sourceforge.net/projects/u-boot。u-boot最初是由denx的PPC-boot發(fā)展而來的，它對PowerPC系列處理器的支持最完善，對Linux操作系統(tǒng)的支持最好。源代碼開放的U-boot軟件項目經(jīng)常更新。

當前最新版本是NOV.2.2006 Update的U-boot-1.1.6。

２ u-boot系統(tǒng)啟動流程

大多數(shù)bootloader都分為stage1和stage2兩大部分，u-boot也不例外。依賴于cpu體系結(jié)構(gòu)的代碼（如設(shè)備初始化代碼等）通常都放在stage1且可以用匯編語言來實現(xiàn)，而stage2則通常用Ｃ語言來實現(xiàn)，這樣可以實現(xiàn)復(fù)雜的功能，而且有更好的可讀性和移植性。

2.1 stage1 (start.s代碼結(jié)構(gòu))

u-boot的stage1代碼通常放在start.s文件中，它用匯編語言寫成，其主要代碼部分如下：

（１）定義入口。由于一個可執(zhí)行的Image必須有一個入口點，并且只能有一個全局入口，通常這個入口arm結(jié)構(gòu)的cpu放在ROM(Flash)的0x00地址（MIPS放在0xBFC00000），因此，必須通知編譯器以使其知道這個入口，該工作可通過修改連接器腳本來完成。

（２）設(shè)置異常向量(Exception Vector)。

（３）設(shè)置CPU的速度、時鐘頻率及中斷控制寄存器。

（４）初始化內(nèi)存控制器。

（５）將ROM中的程序復(fù)制到RAM中。

（６）初始化堆棧。

（７）轉(zhuǎn)到RAM中執(zhí)行，該工作可使用指令ldrpc來完成。

2.2 stage2 C語言代碼部分

lib_arm/board.c中的start_armboot是Ｃ語言開始的函數(shù)，也是整個啟動代碼中Ｃ語言的主函數(shù)，同時還是整個u-boot(armboot)的主函數(shù)，該函數(shù)主要完成如下操作： (Line236)

（１）調(diào)用一系列的初始化函數(shù)。

（２）初始化Flash設(shè)備。

（３）初始化系統(tǒng)內(nèi)存分配函數(shù)。

（４）如果目標系統(tǒng)擁有NAND設(shè)備，則初始化NAND設(shè)備。

（５）如果目標系統(tǒng)有顯示設(shè)備，則初始化該類設(shè)備。

（６）初始化相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，填寫IP、MAC地址等。

（７）進入命令循環(huán)（即整個boot的工作循環(huán)），接受用戶從串口輸入的命令，然后進行相應(yīng)的工作。

３移植實例

友善之臂QQ2440V3開發(fā)板

本系統(tǒng)開發(fā)板主要由S3C2440嵌入式微處理器、16ＭＢ的Flash （AM29LV160）、64MB的Nand Flash((K9F1208U0)、64MB的SDRAM(Hy57v561620)、網(wǎng)卡驅(qū)動IC（CS8900A）以及ARM JTAG接口組成。

3.1 u-boot文件下載

u-boot文件的下載有兩種方法,第一種是在Linux環(huán)境下通過CVS下載最新的文件，方法是：

$cvs-dpserver [email protected]/cvsroot/u-boot login

當要求輸入匿名登錄的密碼時，可直接按回車鍵

$cvs-z6-dpserver [email protected]/cvsroot/u-bootco.Pmodulename

第二種是通過ftp//ftp.denx.de/pub/u-boot/下載正式發(fā)布的壓縮文件。

3.2 u-boot文件的結(jié)構(gòu)

初次下載的文件有很多，解壓后存放在u-boot文件目錄下，具體內(nèi)容已在readme文件中做了詳細的介紹，其中與移植相關(guān)的主要文件夾有：

(1)CPU它的每個子文件夾里都有如下文件：

makefile

config.mk

cpu.c和處理器相關(guān)的代碼

interrupts.c中斷處理代碼

serial.c串口初始化代碼

start.s全局開始啟動代碼

(2)Board它的每個子文件夾里都有如下文件：

makefile

config.mk

smdk2410.c和板子相關(guān)的代碼（以smdk2410為例）

flash.c Flash操作代碼

memsetup.s初始化SDRAM代碼

u-boot.lds對應(yīng)的連接文件

(3) lib_arm體系結(jié)構(gòu)下的相關(guān)實現(xiàn)代碼，比如memcpy等的匯編語言的優(yōu)化實現(xiàn)。

3.3 交叉編譯環(huán)境的建立

要得到下載到目標板的u-boot二進制啟動代碼，還需要對下載的u-boot-1.1.6 進行編譯。u-boot的編譯一般在Linux系統(tǒng)下進行，可用arm-linux-gcc進行編譯。一步一步建立交叉編譯環(huán)境通常比較復(fù)雜，最簡單的方法是使用別人編譯好的交叉編譯工具，方法如下：

（１）在http//handhelds.org/download/toolchai下載arm-linux-gcc-3.4.5.tar.bz2

（２）以用戶名root登錄，將arm-linux-gcc-3.4.5.tar.bz2解壓到 /root目錄下

#tar jxvf arm-linux-gcc-3.4.5.tar.bz2

（３）在http//handhelds.org/download/toolchai下載arm-linux-toolchain-post-2.2.13.tar.gz只是用了它的頭文件而已，主要來自內(nèi)核/linux-x.x/include下

（４）將arm-linux-toolchain-post-2.2.13.tar.gz解壓到/skiff/local/下

#tar zxvf arm-linux-toolchain-post-2.2.13.tar.gz

（５）拷貝頭文件到/root/usr/3.4.5/arm-linux/下 然后刪除/skiff

#cp –dR/skiff/local/arm-linux/include/root/usr/3.3.2/arm-linux＃ｒｍ －ｆｒ／ｓｋｉｆｆ

這樣就建立了arm-linux交叉編譯環(huán)境。

（６）增加/root/usr/local/arm/3.4.5/bin到路徑環(huán)境變量

Path=$path:/root/usr/local/arm/3.4.5/bin可以檢查路徑變量是否設(shè)置正確。#echo $path

3.4 移植的預(yù)先編譯

移植u-boot到新的開發(fā)板上僅需要修改與硬件相關(guān)的部分即可。主要包括兩個層面的移植，第一層是針對cpu的移植，第二層是針對Board的移植。由于u-boot-1.1.6里面已經(jīng)包含S3C2410的移植，而S3C2410與 S3C2440的寄存器基本一樣，所以我對板子QQ2440的移植主要是針對board的移植。移植之前需要仔細閱讀u-boot目錄下的readme文件，其中對如何移植做了簡要的介紹。為了減少移植的工作量，可以在include/config目錄下選一個和要移植的硬件相似的開發(fā)板，以便于我手上的 QQ2440V3開發(fā)板參數(shù)基本匹配，我選的是smdk2410開發(fā)板。具體步驟如下：

3.4.1 u-boot-1.1.6下的CPU文件夾里已經(jīng)包括了/arm920t/s3c24x0的目錄，其下已經(jīng)有start.s 、 interrupts.c以及cpu.c、serial.c幾個文件，因而不需要建立與CPU相關(guān)的目錄。

而在后面設(shè)置串口波特率時需要獲取系統(tǒng)時鐘，在U－Boot的第二階段，lib_arm/board.c中start_armboot函數(shù)調(diào)用serial_init函數(shù)是，會調(diào)用到在cpu/arm920t /s3c24x0/speed.c中定義的get_PCLK,get_HCLK,get_PLLCLK等函數(shù)，所以要對speed.c做修改。（過程略）

3.4.2 在board目錄下創(chuàng)建QQ2440目錄以及QQ2440.c、flash.c、memsetup.s和u-boot.lds等文件。不需要從零開始創(chuàng)建，只需選擇一個相似的目錄(smdk2410)直接復(fù)制過來，然后修改文件名及內(nèi)容即可。我在移植u-boot過程中選擇的是u-boot- 1.1.6/board/smdk2410目錄。

3.4.2_1 修改makefile（/board/QQ2440/makefile）目標文件名

line28:COBJS := smdk2410.o flash.o

改為：

line28:COBJS := QQ2440.o flash.o //中間代碼文件名

3.4.2_2 修改lowlevel_init.s(/board/QQ2440/lowlevel_init.s)

line126：＃define REFCNT 1113

改為：

line126：＃define REFCNT 0x4f4 //SDRAM的時鐘頻率不同

3.4.2_3 修改QQ2440.c(/board/QQ2440/QQ2440.c)中board_init函數(shù)

#define S3C2440_MPLL_400MHZ ((0x5c<<12)|(0x01<<4)|(0x01))

#define S3C2440_UPLL_48MHZ ((0x38<<12)|(0x02<<4)|(0x02))

#define S3C2440_CLKDIV 0x05

#define S3C2410_MPLL_200MHZ ((0x5c<<12)|(0x04<<4)|(0x00))

#define S3C2410_UPLL_48MHZ ((0x28<<12)|(0x01<<4)|(0x02))

#define S3C2410_CLKDIV 0x03

so:

方案1：直接在原來的基礎(chǔ)上修改寄存器地址和相應(yīng)的公式。

方案2：通過讀取GSTATUS1的值來判斷當前的SOC，并同時調(diào)用條件子程序。（推薦，過程略）

3.4.2_4 因為QQ2440V3的板子nor flash是AM29LV160DB,而u-boot1.1.6的/board/QQ2440/flash.c下只有AM29LV400DB和 AM29LV800DB的支持，欲開flash容量，不可避免的要對flash.c文件做些小修改。（修改ID，shell輸出信息，CFG_MAX_FLASH_BANKS等）

3.4.3在include/configs目錄下添加QQ2440.h，在這里可放入全局的宏定義等也不需要從頭創(chuàng)建，可以在include/configs目錄下尋找相似的CPU的頭文件進行復(fù)制，這里俺用的是smdk2410.h文件來進行相關(guān)的修改。

3.4.3_1修改/include/configs/QQ2440.h以調(diào)用3.4.2_4，這里直接把AM29LV400DB的參數(shù)改為AM29LV160的參數(shù)，并在flash.c中做相應(yīng)的修改即可。

注意：在/include/flash.h中有相應(yīng)的宏定義要修改；在/include/configs/QQ2440.h中有對CONFIG_AMD_LV400等一些具體參數(shù)(sector,ID,address)的設(shè)置

3.4.4 修改u-boot根目錄下的makefile文件，加入對板子的申明。

Line1881:QQ2440_config : unconfig

@./(MKCONFIG) $(@:_config=) arm arm920t QQ2440 NULL s3c24x0

對應(yīng)關(guān)系： ARCH cpu開發(fā)板Vendor SOC

3.4.5 運行make clobber，刪除錯誤的depend文件。

3.4.6 運行make QQ2440 config。

3.4.7 執(zhí)行到此處即表示整個軟件的makefile已建立，這時可修改生成的makefile中的交叉編譯選項，然后打開makefile文件，并找到其中的語句：

Ifeq($ARCH),arm)

CROSS_COMPILE=arm-linux-endif

接著將其改成

Ifeq($ARCH),arm)

CROSS_COMPILE=/root/usr/local/3.4.5/bin/arm-linux-endif

這一步和上面的設(shè)置環(huán)境變量只要有一個就可以了。

執(zhí)行make，報告有一個錯誤，修改myboard/flash.c中的#include“../commond/flash.c”為“#u-boot/board/dave/common/flash.c”,重新編譯即可通過。

４ 移植時的具體修改要點

若預(yù)先編譯沒有錯誤就可以開始硬件相關(guān)代碼的移植，首先必須要對移植的硬件有清楚地了解，如CPU、CPU的控制寄存器及啟動各階段程序在Flash SDRAM中的布局等。

我在移植過程中先修改/include/config/my-board.h頭文件中的大部分參數(shù)（大部分的宏定義都在這里設(shè)置），然后按照u-boot的啟動流程逐步修改。修改時應(yīng)熟悉ARM匯編語言和C語言，同時也應(yīng)對u-boot啟動流程代碼有深入的了解。QQ2440板的CPU頻率為400ＭＨｚ、Nor Flash為16Ｍｂｉｔ、SDRAM為64Mbit、串口波特率為115200bit/s、環(huán)境變量放在EEPROM中。根據(jù)兩個開發(fā)板的不同，需要修改的有：CPU的頻率、Flash和SDRAM容量的大小、環(huán)境變量的位置等。由于參考板已經(jīng)有了大部分的代碼，因此只需要針對my-board進行相應(yīng)的修改就可以了。

與之相關(guān)的文件有

/include/config/myboard.h（大部分的宏定義都在這里設(shè)置）、

/board/myboard/flash.c Flash的驅(qū)動序　、

/board/myboard/myboard.c（SDRAM的驅(qū)動程序）、

/CPU/S3C2440/serial.c（串口的驅(qū)動使能部分）等。

/include/config/myboard.h是全局宏定義的地方，主要的修改有：

將＃ｄｅｆｉｎｅＣＯＮＦＩＧ QQ2440 ＣＬＯＣＫＳＰＥＥＤ ７５改為

＃ｄｅｆｉｎｅＣＯＮＦＩＧ QQ2440 ＣＬＯＣＫ ＳＰＥＥＤ 400；

將#define PHYS SDRAM 1 SIZE 0x01000000 改為

#define PHYS SDRAM 1 SIZE 0x00800000；

將#define PHYS FLASH 1 SIZE 0x00400000改為

#define PHYS FLASH 1 SIZE 0x00200000；

將#define CFG MAX FLASH SECT 256改為

#define CFG MAX FLASH SECT 35 ；

將#define CFG ENV IS EEPROM 1 改為

#define CFG ENV IS IN FLASH 1

其它（如堆棧的大小等）可根據(jù)需要修改。

由于Flash、SDRAM的容量會發(fā)生變化，故應(yīng)對啟動階段程序在Flash、SDRAM中的位置重新作出安排。筆者將Flash中的u-boot代碼放在0x0開始的地方，而將復(fù)制到SDRAM中的u-boot代碼安排在0xc700000開始的地方。

Flash的修改不僅和容量有關(guān)，還和具體型號有關(guān)，F(xiàn)lash存儲器的燒寫和擦除一般不具有通用性，應(yīng)查看廠家的使用說明書，針對不同型號的存儲器作出相應(yīng)的修改。修改過程中，需要了解Flash擦寫特定寄存器的寫入地址、數(shù)據(jù)命令以及扇區(qū)的大小和位置，以便進行正確的設(shè)置。

SDRAM要修改的地方主要是初始化內(nèi)存控制器部分，由start.s文件中的 cpuinitcrit完成CPUcache的設(shè)置，并由board/myboard/memsetup.s中的memsetup完成初始化SDRAM。 QQ2440提供有SDRAM控制器，與一些CPU需要UPM表編程相比，它只需進行相關(guān)寄存器的設(shè)置修改即可，因而降低了開發(fā)的難度。

串口波特率不需要修改（都是115200bit/s），直接用QQ2440板的串口驅(qū)動即可。串口的設(shè)置主要包括初始化串口部分，值得注意的是：串口的波特率與時鐘MCLK有很大關(guān)系，詳見CPU用戶手冊。

配置好以后，便可以重新編譯u-boot代碼。將得到的u-boot.bin通過JTAG口下載到目標板后，如果能從串口輸出正確的啟動信息，就表明移植基本成功。實際過程中會由于考慮不周而需要多次修改。移植成功后，也可以添加一些其它功能（如LCD驅(qū)動等），在此基礎(chǔ)上添加功能相對比較容易。

５ 結(jié)束語

u-boot是一個功能強大的bootloader開發(fā)軟件，適用的cpu平臺及支持的嵌入式操作系統(tǒng)很多。本文是筆者在實際開發(fā)過程中根據(jù)相關(guān)資料進行摸索，并在成功移植了u-boot的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的。對于不同的ＣＰＵ和開發(fā)板，其基本的方法和步驟是相同的，希望能對相關(guān)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計人員有所幫助