U-Boot在AT91RM9200上的移植及启动分析

1 引 言

    U-Boot(Universal Boot Loader)是遵循GPL条款的开放源码项目，他支持多种体系结构的上百种开发板，并且支持多种嵌入式操作系统内核，具有较高的可靠性和稳定性，已经成为功能最多、灵活性最强并且开发最积极的开放源码BootLoader。作为通用的BootLoader，U-Boot可以方便地移植到其他硬件平台上。

    本文基于AT91RM9200的嵌入式目标板和U-Boot1.1.2源码资源，分析了U-Boot的启动过程，介绍了U-Boot的移植方法和具体操作，最后讲述如何引导内核启动。

    2 U-Boot启动分析

    在具体移植之前，先来了解一下U-Boot启动过程。U-Boot启动过程可以分成3个阶段。

    (1)在FLASH中运行汇编程序，进行基本硬件初始化，并将FLASH中的启动代码复制到SDRAM中，同时创造环境准备运行C程序。

    汇编程序start.s是U-Boot启动后执行的第一个程序，他位于CPU／AT91RM9200中，链接脚本Board／AT91RM920DK／U-Boot.1ds决定U-Boot的入口函数位于该程序中，上电后，处理器首先执行该程序，具体工作流程如图1所示。

    (2)跳转到SDRAM中执行，对硬件进行初始化，并向显示终端输出启动信息。

    start_armboot是U-Boot执行的第一个C语言函数，他位于lib_arm／board.c中，主要完成系统初始化工作，进入主循环，处理用户输入的命令。具体工作流程如图2所示。

    全局变量结构体gd用来保存开发板信息、终端存在标志位、环境变量结构体起始地址、环境变量校验标志位、frame buffer基地址等。他是指向gd_t结构体的指针，gd_t结构体定义在include＼asm-asm＼global_data.h中。

    硬件初始化中执行函数及各函数作用如下：
    board_init：基本的板级相关配置，主要包括：设置处理器类型和启动参数地址；
    interrupt_init：中断处理初始化，主要对TC控制器作设置。
    env_init：设置环境变量，初始化环境；
    init_baudrate：指定串口的波特率；
    setial_init：串口初始化设置；选择通讯端口，设置串口波特率和工作方式； 
    console_init_f：设置gd->have_console=1，表示可以使用串口通讯控制台；
    display_banner：在控制台输出U-Boot信息；
    dram_init：设置SDRAM的起始地址和大小；
    display_dram_config：在控制台输出SDRAM信息；
    FLASH_init：设置FLASH芯片ID号、每个扇区起始地址等信息，将信息送到相应的结构体中；对FLASH中U-Boot和环境变量存储扇区做软件写保护；
    display_FLASH_config(size)：在上位机终端输出FLASH大小。

    (3)将内核映像和根文件系统映像从FLASH拷贝到SDRAM中，为内核设置启动参数，进入内核的入口函数。 U-Boot作为BootLoader，具备多种引导内核启动的方式，常用bootm命令引导内核映像启动。使用bootm命令时，需要首先使用U-Boot自带的mkimage命令，将内核映像文件转换成U-Boot格式映像。即在内核的前头加上64 B的信息帧头，供建立tag之用。

    bootm命令调用do_bootm函数，这个函数专门用来引导各种操作系统映像，可以支持引导Linux，vxWorks，QNX等操作系统。具体完成的工作有：保存内核引导地址；分析内核帧头；复制内核映像到SDRAM中；调用dobootm_linux()函数。

    do_bootm_linux()函数是专门引导Linux映像的函数，他还可以处理ramdisk文件系统的映像。具体完成的工作有：

    (1)检查是否有根文件系统映像文件，这里只用bootm命令引导内核映像；

    (2)将要传递给Linux的参数存放到标记列表中，内核将会从此处接收参数，完成参数传递；

    (3)调用Linux内核，系统采用下列代码来进入内核函数：

    第一行代码将theKernel函数指向内核首地址处；第二行代码调用theKernel()函数，并通过r0，r1，r2将机器编号和参数链表物理地址传递给内核。

    3 嵌入式目标板介绍

    本目标板以AT91RM9200作为微处理器，板上存储系统包括NOR FLASH，NAND FLASH，SDRAM等；外围支持设备有JTAG、串口、USB接口、网络接口、SD Card接口及显示接口等。目标板硬件架构如图3所示，主要硬件资源如表1所示。

    4 U-Boot源码修改与编译

    根据目标板的配置，主要考虑修改以下U-Boot源码文件：

    (1)include／configs／AT91RM9200dk.h：该头文件包含了SDRAM的一些设置和定义，主要修改内容包括：定义CONFIG_BOOTBINFUNC宏变量；修改SDRAM大小；修改FLASH大小和扇区数。

    (2)board／AT91RM9200dk／FLASH.c：该程序完成的功能包括FLASH初始化、打印FLASH信息、FLAH擦除和FLASH写入等操作。可在参考已有FLASH驱动的基础上，结合目标板FLASH数据手册，进行适当修改。

    (3)include／FLASH.h：FLASH程序头文件，结合目标板修改FLASH型号和ID定义。

    U-Boot的源码通过GCC和Makefile组织编译。顶层目录下的Makefile设置开发板的定义，递归地调用各级子目录下的Makefile，把编译过的程序链接成U-Boot映像。

    这里上位机操作系统采用Redhat 9.0，交叉工具链采用cross-2.95.3。GCC安装路径为／usr／loacal／arm／2.95.3，在环境变量PATH中添加相应路径，就可以直接使用arm-linux-gcc命令。

    编译U-Boot分两步：第一步配置，执行命令：makeat91rm9200dk_config；第二步编译，执行命令：make。编译完成，生成3个映像文件system.map，U-Boot，U-Boot.bin，和1个符system.map，一般U-Boot.bin最为常用，直接按照二进制格式下载。 使用FLASH烧写程序将U-Boot.bin烧NORFLASH中，目标板重新上电复位后，U-Boot启动成功，在超级终端会显示如下启动信息：

    出现Warning的原因是还未设置环境变量，设置环境变量后执行saveenv命令即可去掉Warning。

    5 引导内核

    U-Boot的最终目的是引导内核启动。上述仅仅启动了U-Boot，要引导内核启动还需要设置环境变量、下载内核和根文件系统映像、执行引导内核启动命令。假设内核映像文件为zImage，根文件系统映像文件为myram-disk.gz(生成方法略)。具体方法如下：

    (1)启动目标机，在U-Boot中进行网络参数等环境变量设置：

    这里网络环境变量设置的目的是为了能够使用TFTP协议；bootargs用来定义传递给Linux内核的命令行参数；Bootcmd定义自动启动时执行的命令；bootm10100000表示从0x10100000处引导内核程序。

    (2)给内核映像加帧头

    在上位机Linux环境下，将U-Boot＼tools＼mkimage.exe COPY到＼bin目录下，输入如下命令：

    这里zImage为原始内核映像文件名；zImage.img为生成的加过帧头的内核映像名。

    (3)加载内核和根文件系统映像到FLASH中

    加载zImage.img到0x10100000，加载myramdisk.gz到0x10300000。

    至此，我们将UBOOT、内核、根文件系统都下载到FLASH中了，并且设置了环境变量。重启目标板，等待延时时间结束自动进入本地装载模式，即可引导内核启动。

    上面讲述的是将内核和根文件系统固化到FLASH中的情况，即使用本地加载模式，当以嵌入式产品发布时，BootLoader必须工作在这种模式下。但实际在初期调试的时候，可以在下载操作模式下直接用TFTP命令将这些映像文件下载到SDRAM中，然后用bootm命令从SDRAM中引导。此时在给内核映像加帧头的时候要注意，bootm XXXX指定的地址XXXX是否与mkImage命令处的-a指定的加载地址相同。如果不同，mkImage命令的写法和上面介绍的一致；如果相同，在使用mkImage命令时，-e参数后的入口地址要比-a参数后的存储地址推后64 B。

    6 结 语

    U-Boot是一个功能强大的BootLoader开源软件，他支持上百种开发板和多种嵌入式操作系统，可方便地移植到各种硬件平台上。目前，笔者移植的U-Boot已成功运行在目标板上，并在此基础上成功地加载了Linux内核和根文件系统，为后续的驱动和应用开发奠定了基础。对于不同的CPU和开发板，U-Boot的启动原理和移植步骤大致相同。希望本文能对学习U-Boot的朋友有所帮助。