u-boot 分析 - [嵌入式Linux系统开发技术详解-基于ARM]

妖狐艹你老母 2022-06-17 23:10 240阅读 0赞

### 6.1 Bootloader ###

对于计算机系统来说，从开机上电到操作系统启动需要一个引导过程。嵌入式Linux系统同样离不开引导程序，这个引导程序就叫作Bootloader。

### 6.1.1 Bootloader介绍 ###

Bootloader是在操作系统运行之前执行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射表，从而建立适当的系统软硬件环境，为最终调用操作系统内核做好准备。

对于嵌入式系统，Bootloader是基于特定硬件平台来实现的。因此，几乎不可能为所有的嵌入式系统建立一个通用的Bootloader，不同的处理器架构都有不同的Bootloader。Bootloader不但依赖于CPU的体系结构，而且依赖于嵌入式系统板级设备的配置。对于2块不同的嵌入式板而言，即使它们使用同一种处理器，要想让运行在一块板子上的Bootloader程序也能运行在另一块板子上，一般也都需要修改Bootloader的源程序。

反过来，大部分Bootloader仍然具有很多共性，某些Bootloader也能够支持多种体系结构的嵌入式系统。例如，U-Boot就同时支持PowerPC、ARM、MIPS和X86等体系结构，支持的板子有上百种。通常，它们都能够自动从存储介质上启动，都能够引导操作系统启动，并且大部分都可以支持串口和以太网接口。

本章将对各种Bootloader总结分类，分析它们的共同特点。以U-Boot为例，详细讨论Bootloader的设计与实现。

### 6.1.2 Bootloader的启动 ###

Linux系统是通过Bootloader引导启动的。一上电，就要执行Bootloader来初始化系统。可以通过第4章的Linux启动过程框图回顾一下。

系统加电或复位后，所有CPU都会从某个地址开始执行，这是由处理器设计决定的。比如，X86的复位向量在高地址端，ARM处理器在复位时从地址0x00000000取第一条指令。嵌入式系统的开发板都要把板上ROM或Flash映射到这个地址。因此，必须把Bootloader程序存储在相应的Flash位置。系统加电后，CPU将首先执行它。

主机和目标机之间一般有串口可以连接，Bootloader软件通常会通过串口来输入输出。例如：输出出错或者执行结果信息到串口终端，从串口终端读取用户控制命令等。

Bootloader启动过程通常是多阶段的，这样既能提供复杂的功能，又有很好的可移植性。例如：从Flash启动的Bootloader多数是两阶段的启动过程。从后面U-Boot的内容可以详细分析这个特性。

大多数Bootloader都包含2种不同的操作模式：本地加载模式和远程下载模式。这2种操作模式的区别仅对于开发人员才有意义，也就是不同启动方式的使用。从最终用户的角度看，Bootloader的作用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的本地加载模式与远程下载模式的区别。

因为Bootloader的主要功能是引导操作系统启动，所以我们详细讨论一下各种启动方式的特点。

#### 1．网络启动方式 ####

这种方式开发板不需要配置较大的存储介质，跟无盘工作站有点类似。但是使用这种启动方式之前，需要把Bootloader安装到板上的EPROM或者Flash中。Bootloader通过以太网接口远程下载Linux内核映像或者文件系统。第4章介绍的交叉开发环境就是以网络启动方式建立的。这种方式对于嵌入式系统开发来说非常重要。

使用这种方式也有前提条件，就是目标板有串口、以太网接口或者其他连接方式。串口一般可以作为控制台，同时可以用来下载内核影像和RAMDISK文件系统。串口通信传输速率过低，不适合用来挂接NFS文件系统。所以以太网接口成为通用的互连设备，一般的开发板都可以配置10M以太网接口。

对于PDA等手持设备来说，以太网的RJ-45接口显得大了些，而USB接口，特别是USB的迷你接口，尺寸非常小。对于开发的嵌入式系统，可以把USB接口虚拟成以太网接口来通讯。这种方式在开发主机和开发板两端都需要驱动程序。

另外，还要在服务器上配置启动相关网络服务。Bootloader下载文件一般都使用TFTP网络协议，还可以通过DHCP的方式动态配置IP地址。

DHCP/BOOTP服务为Bootloader分配IP地址，配置网络参数，然后才能够支持网络传输功能。如果Bootloader可以直接设置网络参数，就可以不使用DHCP。

TFTP服务为Bootloader客户端提供文件下载功能，把内核映像和其他文件放在/tftpboot目录下。这样Bootloader可以通过简单的TFTP协议远程下载内核映像到内存。如图6.1所示。

![image004.gif][]

图6.1 网络启动示意图

大部分引导程序都能够支持网络启动方式。例如：BIOS的PXE（Preboot Execution Environment）功能就是网络启动方式；U-Boot也支持网络启动功能。

#### 2．磁盘启动方式 ####

传统的Linux系统运行在台式机或者服务器上，这些计算机一般都使用BIOS引导，并且使用磁盘作为存储介质。如果进入BIOS设置菜单，可以探测处理器、内存、硬盘等设备，可以设置BIOS从软盘、光盘或者某块硬盘启动。也就是说，BIOS并不直接引导操作系统。那么在硬盘的主引导区，还需要一个Bootloader。这个Bootloader可以从磁盘文件系统中把操作系统引导起来。

Linux传统上是通过LILO（LInux LOader）引导的，后来又出现了GNU的软件GRUB（GRand Unified Bootloader）。这2种Bootloader广泛应用在X86的Linux系统上。你的开发主机可能就使用了其中一种，熟悉它们有助于配置多种系统引导功能。

LILO软件工程是由Werner Almesberger创建，专门为引导Linux开发的。现在LILO的维护者是John Coffman，最新版本下载站点：[http://lilo.go.dyndns.org][http_lilo.go.dyndns.org]。LILO有详细的文档，例如LILO套件中附带使用手册和参考手册。此外，还可以在LDP的“LILO mini-HOWTO”中找到LILO的使用指南。

GRUB是GNU计划的主要bootloader。GRUB最初是由Erich Boleyn为GNU Mach操作系统撰写的引导程序。后来有Gordon Matzigkeit和Okuji Yoshinori接替Erich的工作，继续维护和开发GRUB。GRUB的网站http://www.gnu.org/software/grub/上有对套件使用的说明文件，叫作《GRUB manual》。GRUB能够使用TFTP和BOOTP或者DHCP通过网络启动，这种功能对于系统开发过程很有用。

除了传统的Linux系统上的引导程序以外，还有其他一些引导程序，也可以支持磁盘引导启动。例如：LoadLin可以从DOS下启动Linux；还有ROLO、LinuxBIOS，U-Boot也支持这种功能。

#### 3．Flash启动方式 ####

大多数嵌入式系统上都使用Flash存储介质。Flash有很多类型，包括NOR Flash、NAND Flash和其他半导体盘。其中，NOR Flash（也就是线性Flash）使用最为普遍。

NOR Flash可以支持随机访问，所以代码是可以直接在Flash上执行的。Bootloader一般是存储在Flash芯片上的。另外，Linux内核映像和RAMDISK也可以存储在Flash上。通常需要把Flash分区使用，每个区的大小应该是Flash擦除块大小的整数倍。图6.2是Bootloader和内核映像以及文件系统的分区表。

![image005.gif][]

图6.2 Flash存储示意图

Bootloader一般放在Flash的底端或者顶端，这要根据处理器的复位向量设置。要使Bootloader的入口位于处理器上电执行第一条指令的位置。

接下来分配参数区，这里可以作为Bootloader的参数保存区域。

再下来内核映像区。Bootloader引导Linux内核，就是要从这个地方把内核映像解压到RAM中去，然后跳转到内核映像入口执行。

然后是文件系统区。如果使用Ramdisk文件系统，则需要Bootloader把它解压到RAM中。如果使用JFFS2文件系统，将直接挂接为根文件系统。这两种文件系统将在第12章详细讲解。

最后还可以分出一些数据区，这要根据实际需要和Flash大小来考虑了。

这些分区是开发者定义的，Bootloader一般直接读写对应的偏移地址。到了Linux内核空间，可以配置成MTD设备来访问Flash分区。但是，有的Bootloader也支持分区的功能，例如：Redboot可以创建Flash分区表，并且内核MTD驱动可以解析出redboot的分区表。

除了NOR Flash，还有NAND Flash、Compact Flash、DiskOnChip等。这些Flash具有芯片价格低，存储容量大的特点。但是这些芯片一般通过专用控制器的I/O方式来访问，不能随机访问，因此引导方式跟NOR Flash也不同。在这些芯片上，需要配置专用的引导程序。通常，这种引导程序起始的一段代码就把整个引导程序复制到RAM中运行，从而实现自举启动，这跟从磁盘上启动有些相似。

### 6.1.3 Bootloader的种类 ###

嵌入式系统世界已经有各种各样的Bootloader，种类划分也有多种方式。除了按照处理器体系结构不同划分以外，还有功能复杂程度的不同。

首先区分一下“Bootloader”和“Monitor”的概念。严格来说，“Bootloader”只是引导设备并且执行主程序的固件；而“Monitor”还提供了更多的命令行接口，可以进行调试、读写内存、烧写Flash、配置环境变量等。“Monitor”在嵌入式系统开发过程中可以提供很好的调试功能，开发完成以后，就完全设置成了一个“Bootloader”。所以，习惯上大家把它们统称为Bootloader。

表6.1列出了Linux的开放源码引导程序及其支持的体系结构。表中给出了X86 ARM PowerPC体系结构的常用引导程序，并且注明了每一种引导程序是不是“Monitor”。

表6.1 开放源码的Linux 引导程序

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> Bootloader </td> 
 <td> Monitor </td> 
 <td> 描 述 </td> 
 <td> x86 </td> 
 <td> ARM </td> 
 <td> PowerPC </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> LILO </td> 
 <td> 否 </td> 
 <td> Linux磁盘引导程序 </td> 
 <td> 是 </td> 
 <td> 否 </td> 
 <td> 否 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> GRUB </td> 
 <td> 否 </td> 
 <td> GNU的LILO替代程序 </td> 
 <td> 是 </td> 
 <td> 否 </td> 
 <td> 否 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Loadlin </td> 
 <td> 否 </td> 
 <td> 从DOS引导Linux </td> 
 <td> 是 </td> 
 <td> 否 </td> 
 <td> 否 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> ROLO </td> 
 <td> 否 </td> 
 <td> 从ROM引导Linux而不需要BIOS </td> 
 <td> 是 </td> 
 <td> 否 </td> 
 <td> 否 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Etherboot </td> 
 <td> 否 </td> 
 <td> 通过以太网卡启动Linux系统的固件 </td> 
 <td> 是 </td> 
 <td> 否 </td> 
 <td> 否 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> LinuxBIOS </td> 
 <td> 否 </td> 
 <td> 完全替代BUIS的Linux引导程序 </td> 
 <td> 是 </td> 
 <td> 否 </td> 
 <td> 否 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BLOB </td> 
 <td> 否 </td> 
 <td> LART等硬件平台的引导程序 </td> 
 <td> 否 </td> 
 <td> 是 </td> 
 <td> 否 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> U-boot </td> 
 <td> 是 </td> 
 <td> 通用引导程序 </td> 
 <td> 是 </td> 
 <td> 是 </td> 
 <td> 是 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> RedBoot </td> 
 <td> 是 </td> 
 <td> 基于eCos的引导程序 </td> 
 <td> 是 </td> 
 <td> 是 </td> 
 <td> 是 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

对于每种体系结构，都有一系列开放源码Bootloader可以选用。

（1）X86

X86的工作站和服务器上一般使用LILO和GRUB。LILO是Linux发行版主流的Bootloader。不过Redhat Linux发行版已经使用了GRUB，GRUB比LILO有更有好的显示界面，使用配置也更加灵活方便。

在某些X86嵌入式单板机或者特殊设备上，会采用其他Bootloader，例如：ROLO。这些Bootloader可以取代BIOS的功能，能够从FLASH中直接引导Linux启动。现在ROLO支持的开发板已经并入U-Boot，所以U-Boot也可以支持X86平台。

（2）ARM

ARM处理器的芯片商很多，所以每种芯片的开发板都有自己的Bootloader。结果ARM bootloader也变得多种多样。最早有为ARM720处理器的开发板的固件，又有了armboot，StrongARM平台的blob，还有S3C2410处理器开发板上的vivi等。现在armboot已经并入了U-Boot，所以U-Boot也支持ARM/XSCALE平台。U-Boot已经成为ARM平台事实上的标准Bootloader。

（3）PowerPC

PowerPC平台的处理器有标准的Bootloader，就是ppcboot。PPCBOOT在合并armboot等之后，创建了U-Boot，成为各种体系结构开发板的通用引导程序。U-Boot仍然是PowerPC平台的主要Bootloader。

（4）MIPS

MIPS公司开发的YAMON是标准的Bootloader，也有许多MIPS芯片商为自己的开发板写了Bootloader。现在，U-Boot也已经支持MIPS平台。

（5）SH

SH平台的标准Bootloader是sh-boot。Redboot在这种平台上也很好用。

（6）M68K

M68K平台没有标准的Bootloader。Redboot能够支持m68k系列的系统。

值得说明的是Redboot，它几乎能够支持所有的体系结构，包括MIPS、SH、M68K等体系结构。Redboot是以eCos为基础，采用GPL许可的开源软件工程。现在由core eCos的开发人员维护，源码下载网站是[http://www.ecoscentric.com/snapshots][http_www.ecoscentric.com_snapshots]。Redboot的文档也相当完善，有详细的使用手册《RedBoot User’s Guide》。

### 6.2.1 U-Boot工程简介 ###

最早，DENX软件工程中心的Wolfgang Denk基于8xxrom的源码创建了PPCBOOT工程，并且不断添加处理器的支持。后来，Sysgo Gmbh把ppcboot移植到ARM平台上，创建了ARMboot工程。然后以ppcboot工程和armboot工程为基础，创建了U-Boot工程。

现在U-Boot已经能够支持PowerPC、ARM、X86、MIPS体系结构的上百种开发板，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。目前仍然由DENX的Wolfgang Denk维护。

U-Boot的源码包可以从sourceforge网站下载，还可以订阅该网站活跃的U-Boot Users邮件论坛，这个邮件论坛对于U-Boot的开发和使用都很有帮助。

U-Boot软件包下载网站：http://sourceforge.net/project/u-boot。

U-Boot邮件列表网站：http://lists.sourceforge.net/lists/listinfo/u-boot-users/。

DENX相关的网站：[http://www.denx.de/re/DPLG.html][http_www.denx.de_re_DPLG.html]。

### 6.2.2 U-Boot源码结构 ###

从网站上下载得到U-Boot源码包，例如：U-Boot-1.1.2.tar.bz2

解压就可以得到全部U-Boot源程序。在顶层目录下有18个子目录，分别存放和管理不同的源程序。这些目录中所要存放的文件有其规则，可以分为3类。

· 第1类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关；

· 第2类目录是一些通用的函数或者驱动程序；

· 第3类目录是U-Boot的应用程序、工具或者文档。

表6.2列出了U-Boot顶层目录下各级目录存放原则。

表6.2 U-Boot的源码顶层目录说明

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 目 录 </td> 
 <td> 特 性 </td> 
 <td> 解 释 说 明 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> board </td> 
 <td> 平台依赖 </td> 
 <td> 存放电路板相关的目录文件，例如：RPXlite(mpc8xx)、smdk2410(arm920t)、sc520_cdp(x86) 等目录 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> cpu </td> 
 <td> 平台依赖 </td> 
 <td> 存放CPU相关的目录文件，例如：mpc8xx、ppc4xx、arm720t、arm920t、 xscale、i386等目录 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> lib_ppc </td> 
 <td> 平台依赖 </td> 
 <td> 存放对PowerPC体系结构通用的文件，主要用于实现PowerPC平台通用的函数 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 目 录 </td> 
 <td> 特 性 </td> 
 <td> 解 释 说 明 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> lib_arm </td> 
 <td> 平台依赖 </td> 
 <td> 存放对ARM体系结构通用的文件，主要用于实现ARM平台通用的函数 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> lib_i386 </td> 
 <td> 平台依赖 </td> 
 <td> 存放对X86体系结构通用的文件，主要用于实现X86平台通用的函数 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> include </td> 
 <td> 通用 </td> 
 <td> 头文件和开发板配置文件，所有开发板的配置文件都在configs目录下 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> common </td> 
 <td> 通用 </td> 
 <td> 通用的多功能函数实现 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> lib_generic </td> 
 <td> 通用 </td> 
 <td> 通用库函数的实现 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Net </td> 
 <td> 通用 </td> 
 <td> 存放网络的程序 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Fs </td> 
 <td> 通用 </td> 
 <td> 存放文件系统的程序 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Post </td> 
 <td> 通用 </td> 
 <td> 存放上电自检程序 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> drivers </td> 
 <td> 通用 </td> 
 <td> 通用的设备驱动程序，主要有以太网接口的驱动 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Disk </td> 
 <td> 通用 </td> 
 <td> 硬盘接口程序 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Rtc </td> 
 <td> 通用 </td> 
 <td> RTC的驱动程序 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Dtt </td> 
 <td> 通用 </td> 
 <td> 数字温度测量器或者传感器的驱动 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> examples </td> 
 <td> 应用例程 </td> 
 <td> 一些独立运行的应用程序的例子，例如helloworld </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> tools </td> 
 <td> 工具 </td> 
 <td> 存放制作S-Record 或者 U-Boot格式的映像等工具，例如mkimage </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Doc </td> 
 <td> 文档 </td> 
 <td> 开发使用文档 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

U-Boot的源代码包含对几十种处理器、数百种开发板的支持。可是对于特定的开发板，配置编译过程只需要其中部分程序。这里具体以S3C2410 arm920t处理器为例，具体分析S3C2410处理器和开发板所依赖的程序，以及U-Boot的通用函数和工具。

### 6.2.3 U-Boot的编译 ###

U-Boot的源码是通过GCC和Makefile组织编译的。顶层目录下的Makefile首先可以设置开发板的定义，然后递归地调用各级子目录下的Makefile，最后把编译过的程序链接成U-Boot映像。

#### 1．顶层目录下的Makefile ####

它负责U-Boot整体配置编译。按照配置的顺序阅读其中关键的几行。

每一种开发板在Makefile都需要有板子配置的定义。例如smdk2410开发板的定义如下。

smdk2410\_config : unconfig

@./mkconfig $(@:\_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0

执行配置U-Boot的命令make smdk2410\_config，通过./mkconfig脚本生成include/config.  
mk的配置文件。文件内容正是根据Makefile对开发板的配置生成的。

ARCH = arm

CPU = arm920t

BOARD = smdk2410

SOC = s3c24x0

上面的include/config.mk文件定义了ARCH、CPU、BOARD、SOC这些变量。这样硬件平台依赖的目录文件可以根据这些定义来确定。SMDK2410平台相关目录如下。

board/smdk2410/

cpu/arm920t/

cpu/arm920t/s3c24x0/

lib\_arm/

include/asm-arm/

include/configs/smdk2410.h

再回到顶层目录的Makefile文件开始的部分，其中下列几行包含了这些变量的定义。

\# load ARCH, BOARD, and CPU configuration

include include/config.mk

export ARCH CPU BOARD VENDOR SOC

Makefile的编译选项和规则在顶层目录的config.mk文件中定义。各种体系结构通用的规则直接在这个文件中定义。通过ARCH、CPU、BOARD、SOC等变量为不同硬件平台定义不同选项。不同体系结构的规则分别包含在ppc\_config.mk、arm\_config.mk、mips\_config.mk等文件中。

顶层目录的Makefile中还要定义交叉编译器，以及编译U-Boot所依赖的目标文件。

ifeq ($(ARCH),arm)

CROSS\_COMPILE = arm-linux- //交叉编译器的前缀

\#endif

export CROSS\_COMPILE

…

\# U-Boot objects....order is important (i.e. start must be first)

OBJS = cpu/$(CPU)/start.o //处理器相关的目标文件

…

LIBS = lib\_generic/libgeneric.a //定义依赖的目录，每个目录下先把目标文件连接成\*.a文件。

LIBS += board/$(BOARDDIR)/lib$(BOARD).a

LIBS += cpu/$(CPU)/lib$(CPU).a

ifdef SOC

LIBS += cpu/$(CPU)/$(SOC)/lib$(SOC).a

endif

LIBS += lib\_$(ARCH)/lib$(ARCH).a

…

然后还有U-Boot映像编译的依赖关系。

ALL = u-boot.srec u-boot.bin System.map

all: $(ALL)

u-boot.srec: u-boot

$(OBJCOPY) $\{OBJCFLAGS\} -O srec $< $@

u-boot.bin: u-boot

$(OBJCOPY) $\{OBJCFLAGS\} -O binary $< $@

……

u-boot: depend $(SUBDIRS) $(OBJS) $(LIBS) $(LDSCRIPT)

UNDEF\_SYM='$(OBJDUMP) -x $(LIBS) /

|sed -n -e 's/.\*/(\_\_u\_boot\_cmd\_.\*/)/-u/1/p'|sort|uniq\`;/

$(LD) $(LDFLAGS) $$UNDEF\_SYM $(OBJS) /

\--start-group $(LIBS) $(PLATFORM\_LIBS) --end-group /

\-Map u-boot.map -o u-boot

Makefile缺省的编译目标为all，包括u-boot.srec、u-boot.bin、System.map。u-boot.srec和u-boot.bin又依赖于U-Boot。U-Boot就是通过ld命令按照u-boot.map地址表把目标文件组装成u-boot。

其他Makefile内容就不再详细分析了，上述代码分析应该可以为阅读代码提供了一个线索。

#### 2．开发板配置头文件 ####

除了编译过程Makefile以外，还要在程序中为开发板定义配置选项或者参数。这个头文件是include/configs/*<board\_name>*.h。*<board\_name>*用相应的BOARD定义代替。

这个头文件中主要定义了两类变量。

一类是选项，前缀是CONFIG\_，用来选择处理器、设备接口、命令、属性等。例如：

\#define CONFIG\_ARM920T 1

\#define CONFIG\_DRIVER\_CS8900 1

另一类是参数，前缀是CFG\_，用来定义总线频率、串口波特率、Flash地址等参数。例如：

\#define CFG\_FLASH\_BASE 0x00000000

\#define CFG\_PROMPT "=>"

#### 3．编译结果 ####

根据对Makefile的分析，编译分为2步。第1步配置，例如：make smdk2410\_config；第2步编译，执行make就可以了。

编译完成后，可以得到U-Boot各种格式的映像文件和符号表，如表6.3所示。

表6.3 U-Boot编译生成的映像文件

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 文 件 名 称 </td> 
 <td> 说 明 </td> 
 <td> 文 件 名 称 </td> 
 <td> 说 明 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> System.map </td> 
 <td> U-Boot映像的符号表 </td> 
 <td> u-boot.bin </td> 
 <td> U-Boot映像原始的二进制格式 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> u-boot </td> 
 <td> U-Boot映像的ELF格式 </td> 
 <td> u-boot.srec </td> 
 <td> U-Boot映像的S-Record格式 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

U-Boot的3种映像格式都可以烧写到Flash中，但需要看加载器能否识别这些格式。一般u-boot.bin最为常用，直接按照二进制格式下载，并且按照绝对地址烧写到Flash中就可以了。U-Boot和u-boot.srec格式映像都自带定位信息。

#### 4．U-Boot工具 ####

在tools目录下还有些U-Boot的工具。这些工具有的也经常用到。表6.4说明了几种工具的用途。

表6.4 U-Boot的工具

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 工 具 名 称 </td> 
 <td> 说 明 </td> 
 <td> 工 具 名 称 </td> 
 <td> 说 明 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bmp_logo </td> 
 <td> 制作标记的位图结构体 </td> 
 <td> img2srec </td> 
 <td> 转换SREC格式映像 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> envcrc </td> 
 <td> 校验u-boot内部嵌入的环境变量 </td> 
 <td> mkimage </td> 
 <td> 转换U-Boot格式映像 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> gen_eth_addr </td> 
 <td> 生成以太网接口MAC地址 </td> 
 <td> updater </td> 
 <td> U-Boot自动更新升级工具 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

这些工具都有源代码，可以参考改写其他工具。其中mkimage是很常用的一个工具，Linux内核映像和ramdisk文件系统映像都可以转换成U-Boot的格式。

### 6.2.4 U-Boot的移植 ###

U-Boot能够支持多种体系结构的处理器，支持的开发板也越来越多。因为Bootloader是完全依赖硬件平台的，所以在新电路板上需要移植U-Boot程序。

开始移植U-Boot之前，先要熟悉硬件电路板和处理器。确认U-Boot是否已经支持新开发板的处理器和I/O设备。假如U-Boot已经支持一块非常相似的电路板，那么移植的过程将非常简单。

移植U-Boot工作就是添加开发板硬件相关的文件、配置选项，然后配置编译。

开始移植之前，需要先分析一下U-Boot已经支持的开发板，比较出硬件配置最接近的开发板。选择的原则是，首先处理器相同，其次处理器体系结构相同，然后是以太网接口等外围接口。还要验证一下这个参考开发板的U-Boot，至少能够配置编译通过。

以S3C2410处理器的开发板为例，U-Boot-1.1.2版本已经支持SMDK2410开发板。我们可以基于SMDK2410移植，那么先把SMDK2410编译通过。

我们以S3C2410开发板fs2410为例说明。移植的过程参考SMDK2410开发板，SMDK2410在U-Boot-1.1.2中已经支持。

移植U-Boot的基本步骤如下。

（1）在顶层Makefile中为开发板添加新的配置选项，使用已有的配置项目为例。

smdk2410\_config : unconfig

@./mkconfig $(@:\_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0

参考上面2行，添加下面2行。

fs2410\_config : unconfig

@./mkconfig $(@:\_config=) arm arm920t fs2410 NULL s3c24x0

（2）创建一个新目录存放开发板相关的代码，并且添加文件。

board/fs2410/config.mk

board/fs2410/flash.c

board/fs2410/fs2410.c

board/fs2410/Makefile

board/fs2410/memsetup.S

board/fs2410/u-boot.lds

（3）为开发板添加新的配置文件

可以先复制参考开发板的配置文件，再修改。例如：

$cp include/configs/smdk2410.h include/configs/fs2410.h

如果是为一颗新的CPU移植，还要创建一个新的目录存放CPU相关的代码。

（4）配置开发板

$ make fs2410\_config

（5）编译U-Boot

执行make命令，编译成功可以得到U-Boot映像。有些错误是跟配置选项是有关系的，通常打开某些功能选项会带来一些错误，一开始可以尽量跟参考板配置相同。

（6）添加驱动或者功能选项

在能够编译通过的基础上，还要实现U-Boot的以太网接口、Flash擦写等功能。

对于FS2410开发板的以太网驱动和smdk2410完全相同，所以可以直接使用。CS8900驱动程序文件如下。

drivers/cs8900.c

drivers/cs8900.h

对于Flash的选择就麻烦多了，Flash芯片价格或者采购方面的因素都有影响。多数开发板大小、型号不都相同。所以还需要移植Flash的驱动。每种开发板目录下一般都有flash.c这个文件，需要根据具体的Flash类型修改。例如：

board/fs2410/flash.c

（7）调试U-Boot源代码，直到U-Boot在开发板上能够正常启动。

调试的过程可能是很艰难的，需要借助工具，并且有些问题可能困扰很长时间。

### 6.2.5 添加U-Boot命令 ###

U-Boot的命令为用户提供了交互功能，并且已经实现了几十个常用的命令。如果开发板需要很特殊的操作，可以添加新的U-Boot命令。

U-Boot的每一个命令都是通过U\_Boot\_CMD宏定义的。这个宏在include/command.h头文件中定义，每一个命令定义一个cmd\_tbl\_t结构体。

\#define U\_BOOT\_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) /

cmd\_tbl\_t \_\_u\_boot\_cmd\_\#\#name Struct\_Section = \{\#name, maxargs, rep, cmd, usage, help\}

这样每一个U-Boot命令有一个结构体来描述。结构体包含的成员变量：命令名称、最大参数个数、重复数、命令执行函数、用法、帮助。

从控制台输入的命令是由common/command.c中的程序解释执行的。find\_cmd()负责匹配输入的命令，从列表中找出对应的命令结构体。

基于U-Boot命令的基本框架，来分析一下简单的icache操作命令，就可以知道添加新命令的方法。

（1）定义CACHE命令。在include/cmd\_confdefs.h中定义了所有U-Boot命令的标志位。

\#define CFG\_CMD\_CACHE 0x00000010ULL /\* icache, dcache \*/

如果有更多的命令，也要在这里添加定义。

（2）实现CACHE命令的操作函数。下面是common/cmd\_cache.c文件中icache命令部分的代码。

\#if (CONFIG\_COMMANDS & CFG\_CMD\_CACHE)

static int on\_off (const char \*s)

\{ //这个函数解析参数，判断是打开cache，还是关闭cache

if (strcmp(s, "on") == 0) \{ //参数为“on”

return (1);

\} else if (strcmp(s, "off") == 0) \{ //参数为“off”

return (0);

return (-1);

int do\_icache ( cmd\_tbl\_t \*cmdtp, int flag, int argc, char \*argv\[\])

\{ //对指令cache的操作函数

switch (argc) \{

case 2: /\* 参数个数为1，则执行打开或者关闭指令cache操作 \*/

switch (on\_off(argv\[1\])) \{

case 0: icache\_disable(); //打开指令cache

break;

case 1: icache\_enable (); //关闭指令cache

break;

/\* FALL TROUGH \*/

case 1: /\* 参数个数为0，则获取指令cache状态\*/

printf ("Instruction Cache is %s/n",

icache\_status() ? "ON" : "OFF");

return 0;

default: //其他缺省情况下，打印命令使用说明

printf ("Usage:/n%s/n", cmdtp->usage);

return 1;

return 0;

……

U\_Boot\_CMD( //通过宏定义命令

icache, 2, 1, do\_icache, //命令为icache，命令执行函数为do\_icache()

"icache - enable or disable instruction cache/n", //帮助信息

"\[on, off\]/n"

" - enable or disable instruction cache/n"

);

……

\#endif

U-Boot的命令都是通过结构体\_\_U\_Boot\_cmd\_\#\#name来描述的。根据U\_Boot\_CMD在include/command.h中的两行定义可以明白。

\#define U\_BOOT\_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) /

cmd\_tbl\_t \_\_u\_boot\_cmd\_\#\#name Struct\_Section = \{\#name, maxargs, rep, cmd, usage, help\}

还有，不要忘了在common/Makefile中添加编译的目标文件。

（3）打开CONFIG\_COMMANDS选项的命令标志位。这个程序文件开头有\#if语句需要预处理是否包含这个命令函数。CONFIG\_COMMANDS选项在开发板的配置文件中定义。例如：SMDK2410平台在include/configs/smdk2410.h中有如下定义。

/\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*

\* Command definition

\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*\*/

\#define CONFIG\_COMMANDS /

(CONFIG\_CMD\_DFL | /

CFG\_CMD\_CACHE | /

CFG\_CMD\_REGINFO | /

CFG\_CMD\_DATE | /

CFG\_CMD\_ELF)

按照这3步，就可以添加新的U-Boot命令。

### 6.3 U-Boot的调试 ###

新移植的U-Boot不能正常工作，这时就需要调试了。调试U-Boot离不开工具，只有理解U-Boot启动过程，才能正确地调试U-Boot源码。

### 6.3.1 硬件调试器 ###

硬件电路板制作完成以后，这时上面还没有任何程序，就叫作裸板。首要的工作是把程序或者固件加载到裸板上，这就要通过硬件工具来完成。习惯上，这种硬件工具叫作仿真器。

仿真器可以通过处理器的JTAG等接口控制板子，直接把程序下载到目标板内存，或者进行Flash编程。如果板上的Flash是可以拔插的，就可以通过专用的Flash烧写器来完成。在第4章介绍过目标板跟主机之间的连接，其中JTAG等接口就是专门用来连接仿真器的。

仿真器还有一个重要的功能就是在线调试程序，这对于调试Bootloader和硬件测试程序很有用。

从最简单的JTAG电缆，到ICE仿真器，再到可以调试Linux内核的仿真器。

复杂的仿真器可以支持与计算机间的以太网或者USB接口通信。

对于U-Boot的调试，可以采用BDI2000。BDI2000完全可以反汇编地跟踪Flash中的程序，也可以进行源码级的调试。

使用BDI2000调试U-boot的方法如下。

（1）配置BDI2000和目标板初始化程序，连接目标板。

（2）添加U-Boot的调试编译选项，重新编译。

U-Boot的程序代码是位置相关的，调试的时候尽量在内存中调试，可以修改连接定位地址TEXT\_BASE。TEXT\_BASE在board/<board\_name>/config.mk中定义。

另外，如果有复位向量也需要先从链接脚本中去掉。链接脚本是board/<board\_name>/ 
u-boot.lds。

添加调试选项，在config.mk文件中查找，DBGFLAGS，加上-g选项。然后重新编译U-Boot。

（3）下载U-Boot到目标板内存。

通过BDI2000的下载命令LOAD，把程序加载到目标板内存中。然后跳转到U-Boot入口。

（4）启动GDB调试。

启动GDB调试，这里是交叉调试的GDB。GDB与BDI2000建立链接，然后就可以设置断点执行了。

$ arm-linux-gdb u-boot

(gdb)target remote 192.168.1.100:2001

(gdb)stepi

(gdb)b start\_armboot

(gdb)c

### 6.3.2 软件跟踪 ###

假如U-Boot没有任何串口打印信息，手头又没有硬件调试工具，那样怎么知道U-Boot执行到什么地方了呢？可以通过开发板上的LED指示灯判断。

开发板上最好设计安装八段数码管等LED，可以用来显示数字或者数字位。

U-Boot可以定义函数show\_boot\_progress (int status)，用来指示当前启动进度。在include/common.h头文件中声明这个函数。

\#ifdef CONFIG\_SHOW\_BOOT\_PROGRESS

void show\_boot\_progress (int status);

\#endif

CONFIG\_SHOW\_BOOT\_PROGRESS是需要定义的。这个在板子配置的头文件中定义。CSB226开发板对这项功能有完整实现，可以参考。在头文件include/configs/csb226.h中，有下列一行。

\#define CONFIG\_SHOW\_BOOT\_PROGRESS 1

函数show\_boot\_progress (int status)的实现跟开发板关系密切，所以一般在board目录下的文件中实现。看一下CSB226在board/csb226/csb226.c中的实现函数。

/\*\* 设置CSB226板的0、1、2三个指示灯的开关状态

\* csb226\_set\_led: - switch LEDs on or off

\* @param led: LED to switch (0,1,2)

\* @param state: switch on (1) or off (0)

\*/

void csb226\_set\_led(int led, int state)

switch(led) \{

case 0: if (state==1) \{

GPCR0 |= CSB226\_USER\_LED0;

\} else if (state==0) \{

GPSR0 |= CSB226\_USER\_LED0;

break;

case 1: if (state==1) \{

GPCR0 |= CSB226\_USER\_LED1;

\} else if (state==0) \{

GPSR0 |= CSB226\_USER\_LED1;

break;

case 2: if (state==1) \{

GPCR0 |= CSB226\_USER\_LED2;

\} else if (state==0) \{

GPSR0 |= CSB226\_USER\_LED2;

break;

return;

/\*\* 显示启动进度函数，在比较重要的阶段，设置三个灯为亮的状态（1, 5, 15）\*/

void show\_boot\_progress (int status)

switch(status) \{

case 1: csb226\_set\_led(0,1); break;

case 5: csb226\_set\_led(1,1); break;

case 15: csb226\_set\_led(2,1); break;

return;

这样，在U-Boot启动过程中就可以通过show\_boot\_progresss指示执行进度。比如hang()函数是系统出错时调用的函数，这里需要根据特定的开发板给定显示的参数值。

void hang (void)

puts ("\#\#\# ERROR \#\#\# Please RESET the board \#\#\#/n");

\#ifdef CONFIG\_SHOW\_BOOT\_PROGRESS

show\_boot\_progress(-30);

\#endif

for (;;);

### 6.3.3 U-Boot启动过程 ###

尽管有了调试跟踪手段，甚至也可以通过串口打印信息了，但是不一定能够判断出错原因。如果能够充分理解代码的启动流程，那么对准确地解决和分析问题很有帮助。

开发板上电后，执行U-Boot的第一条指令，然后顺序执行U-Boot启动函数。函数调用顺序如图6.3所示。

看一下board/smsk2410/u-boot.lds这个链接脚本，可以知道目标程序的各部分链接顺序。第一个要链接的是cpu/arm920t/start.o，那么U-Boot的入口指令一定位于这个程序中。下面详细分析一下程序跳转和函数的调用关系以及函数实现。

#### 1．cpu/arm920t/start.S ####

这个汇编程序是U-Boot的入口程序，开头就是复位向量的代码。

![image006.gif][]

图6.3 U-Boot启动代码流程图

\_start: b reset //复位向量

ldr pc, \_undefined\_instruction

ldr pc, \_software\_interrupt

ldr pc, \_prefetch\_abort

ldr pc, \_data\_abort

ldr pc, \_not\_used

ldr pc, \_irq //中断向量

ldr pc, \_fiq //中断向量

…

/\* the actual reset code \*/

reset: //复位启动子程序

/\* 设置CPU为SVC32模式 \*/

mrs r0,cpsr

bic r0,r0,\#0x1f

orr r0,r0,\#0xd3

msr cpsr,r0

/\* 关闭看门狗 \*/

/\* 这些初始化代码在系统重起的时候执行，运行时热复位从RAM中启动不执行 \*/

\#ifdef CONFIG\_INIT\_CRITICAL

bl cpu\_init\_crit

\#endif

**relocate**: /\* 把U-Boot重新定位到RAM \*/

adr r0, \_start /\* r0是代码的当前位置 \*/

ldr r1, \_TEXT\_BASE /\* 测试判断是从Flash启动，还是RAM \*/

cmp r0, r1 /\* 比较r0和r1，调试的时候不要执行重定位 \*/

beq stack\_setup /\* 如果r0等于r1，跳过重定位代码 \*/

/\* 准备重新定位代码 \*/

ldr r2, \_armboot\_start

ldr r3, \_bss\_start

sub r2, r3, r2 /\* r2 得到armboot的大小 \*/

add r2, r0, r2 /\* r2 得到要复制代码的末尾地址 \*/

copy\_loop: /\* 重新定位代码 \*/

ldmia r0!, \{r3-r10\} /\*从源地址\[r0\]复制 \*/

stmia r1!, \{r3-r10\} /\* 复制到目的地址\[r1\] \*/

cmp r0, r2 /\* 复制数据块直到源数据末尾地址\[r2\] \*/

ble copy\_loop

/\* 初始化堆栈等 \*/

stack\_setup:

ldr r0, \_TEXT\_BASE /\* 上面是128 KiB重定位的u-boot \*/

sub r0, r0, \#CFG\_MALLOC\_LEN /\* 向下是内存分配空间 \*/

sub r0, r0, \#CFG\_GBL\_DATA\_SIZE /\* 然后是bdinfo结构体地址空间 \*/

\#ifdef CONFIG\_USE\_IRQ

sub r0, r0, \#(CONFIG\_STACKSIZE\_IRQ+CONFIG\_STACKSIZE\_FIQ)

\#endif

sub sp, r0, \#12 /\* 为abort-stack预留3个字 \*/

clear\_bss:

ldr r0, \_bss\_start /\* 找到bss段起始地址 \*/

ldr r1, \_bss\_end /\* bss段末尾地址 \*/

mov r2, \#0x00000000 /\* 清零 \*/

clbss\_l:str r2, \[r0\] /\* bss段地址空间清零循环... \*/

add r0, r0, \#4

cmp r0, r1

bne clbss\_l

/\* 跳转到start\_armboot函数入口，\_start\_armboot字保存函数入口指针 \*/

ldr pc, \_start\_armboot

\_start\_armboot: .word start\_armboot //start\_armboot函数在lib\_arm/board.c中实现

/\* 关键的初始化子程序 \*/

cpu\_init\_crit:

…… //初始化CACHE，关闭MMU等操作指令

/\* 初始化RAM时钟。

\* 因为内存时钟是依赖开发板硬件的，所以在board的相应目录下可以找到memsetup.S文件。

\*/

mov ip, lr

bl memsetup//memsetup子程序在board/smdk2410/memsetup.S中实现

mov lr, ip

mov pc, lr

#### 2．lib\_arm/board.c ####

start\_armboot是U-Boot执行的第一个C语言函数，完成系统初始化工作，进入主循环，处理用户输入的命令。

void start\_armboot (void)

DECLARE\_GLOBAL\_DATA\_PTR;

ulong size;

init\_fnc\_t \*\*init\_fnc\_ptr;

char \*s;

/\* Pointer is writable since we allocated a register for it \*/

gd = (gd\_t\*)(\_armboot\_start - CFG\_MALLOC\_LEN - sizeof(gd\_t));

/\* compiler optimization barrier needed for GCC >= 3.4 \*/

\_\_asm\_\_ \_\_volatile\_\_("": : :"memory");

memset ((void\*)gd, 0, sizeof (gd\_t));

gd->bd = (bd\_t\*)((char\*)gd - sizeof(bd\_t));

memset (gd->bd, 0, sizeof (bd\_t));

monitor\_flash\_len = \_bss\_start - \_armboot\_start;

/\* 顺序执行init\_sequence数组中的初始化函数 \*/

for (init\_fnc\_ptr = init\_sequence; \*init\_fnc\_ptr; ++init\_fnc\_ptr) \{

if ((\*init\_fnc\_ptr)() != 0) \{

hang ();

/\*配置可用的Flash \*/

size = flash\_init ();

display\_flash\_config (size);

/\* \_armboot\_start 在u-boot.lds链接脚本中定义 \*/

mem\_malloc\_init (\_armboot\_start - CFG\_MALLOC\_LEN);

/\* 配置环境变量，重新定位 \*/

env\_relocate ();

/\* 从环境变量中获取IP地址 \*/

gd->bd->bi\_ip\_addr = getenv\_IPaddr ("ipaddr");

/\* 以太网接口MAC 地址 \*/

……

devices\_init (); /\* 获取列表中的设备 \*/

jumptable\_init ();

console\_init\_r (); /\* 完整地初始化控制台设备 \*/

enable\_interrupts (); /\* 使能例外处理 \*/

/\* 通过环境变量初始化 \*/

if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) \{

load\_addr = simple\_strtoul (s, NULL, 16);

/\* main\_loop()总是试图自动启动，循环不断执行 \*/

for (;;) \{

main\_loop (); /\* 主循环函数处理执行用户命令 -- common/main.c \*/

/\* NOTREACHED - no way out of command loop except booting \*/

#### 3．init\_sequence\[\] ####

init\_sequence\[\]数组保存着基本的初始化函数指针。这些函数名称和实现的程序文件在下列注释中。

init\_fnc\_t \*init\_sequence\[\] = \{

cpu\_init, /\* 基本的处理器相关配置 -- cpu/arm920t/cpu.c \*/

board\_init, /\* 基本的板级相关配置 -- board/smdk2410/smdk2410.c \*/

interrupt\_init, /\* 初始化例外处理 -- cpu/arm920t/s3c24x0/interrupt.c \*/

env\_init, /\* 初始化环境变量 -- common/cmd\_flash.c \*/

init\_baudrate, /\* 初始化波特率设置 -- lib\_arm/board.c \*/

serial\_init, /\* 串口通讯设置 -- cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c \*/

console\_init\_f, /\* 控制台初始化阶段1 -- common/console.c \*/

display\_banner, /\* 打印u-boot信息 -- lib\_arm/board.c \*/

dram\_init, /\* 配置可用的RAM -- board/smdk2410/smdk2410.c \*/

display\_dram\_config, /\* 显示RAM的配置大小 -- lib\_arm/board.c \*/

NULL,

\};

### 6.3.4 U-Boot与内核的关系 ###

U-Boot作为Bootloader，具备多种引导内核启动的方式。常用的go和bootm命令可以直接引导内核映像启动。U-Boot与内核的关系主要是内核启动过程中参数的传递。

#### 1．go命令的实现 ####

/\* common/cmd\_boot.c \*/

int do\_go (cmd\_tbl\_t \*cmdtp, int flag, int argc, char \*argv\[\])

ulong addr, rc;

int rcode = 0;

if (argc < 2) \{

printf ("Usage:/n%s/n", cmdtp->usage);

return 1;

addr = simple\_strtoul(argv\[1\], NULL, 16);

printf ("\#\# Starting application at 0x%08lX .../n", addr);

/\*

\* pass address parameter as argv\[0\] (aka command name),

\* and all remaining args

\*/

rc = ((ulong (\*)(int, char \*\[\]))addr) (--argc, &argv\[1\]);

if (rc != 0) rcode = 1;

printf ("\#\# Application terminated, rc = 0x%lX/n", rc);

return rcode;

go命令调用do\_go()函数，跳转到某个地址执行的。如果在这个地址准备好了自引导的内核映像，就可以启动了。尽管go命令可以带变参，实际使用时一般不用来传递参数。

#### 2．bootm命令的实现 ####

/\* common/cmd\_bootm.c \*/

int do\_bootm (cmd\_tbl\_t \*cmdtp, int flag, int argc, char \*argv\[\])

ulong iflag;

ulong addr;

ulong data, len, checksum;

ulong \*len\_ptr;

uint unc\_len = 0x400000;

int i, verify;

char \*name, \*s;

int (\*appl)(int, char \*\[\]);

image\_header\_t \*hdr = &header;

s = getenv ("verify");

verify = (s && (\*s == 'n')) ? 0 : 1;

if (argc < 2) \{

addr = load\_addr;

\} else \{

addr = simple\_strtoul(argv\[1\], NULL, 16);

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (1);

printf ("\#\# Booting image at %08lx .../n", addr);

/\* Copy header so we can blank CRC field for re-calculation \*/

memmove (&header, (char \*)addr, sizeof(image\_header\_t));

if (ntohl(hdr->ih\_magic) != IH\_MAGIC)

puts ("Bad Magic Number/n");

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (-1);

return 1;

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (2);

data = (ulong)&header;

len = sizeof(image\_header\_t);

checksum = ntohl(hdr->ih\_hcrc);

hdr->ih\_hcrc = 0;

if(crc32 (0, (char \*)data, len) != checksum) \{

puts ("Bad Header Checksum/n");

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (-2);

return 1;

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (3);

/\* for multi-file images we need the data part, too \*/

print\_image\_hdr ((image\_header\_t \*)addr);

data = addr + sizeof(image\_header\_t);

len = ntohl(hdr->ih\_size);

if(verify) \{

puts (" Verifying Checksum ... ");

if(crc32 (0, (char \*)data, len) != ntohl(hdr->ih\_dcrc)) \{

printf ("Bad Data CRC/n");

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (-3);

return 1;

puts ("OK/n");

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (4);

len\_ptr = (ulong \*)data;

……

switch (hdr->ih\_os) \{

default: /\* handled by (original) Linux case \*/

case IH\_OS\_LINUX:

do\_bootm\_linux (cmdtp, flag, argc, argv,

addr, len\_ptr, verify);

break;

……

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。引导Linux的时候，调用do\_bootm\_linux()函数。

#### 3．do\_bootm\_linux函数的实现 ####

/\* lib\_arm/armlinux.c \*/

void do\_bootm\_linux (cmd\_tbl\_t \*cmdtp, int flag, int argc, char \*argv\[\],

ulong addr, ulong \*len\_ptr, int verify)

DECLARE\_GLOBAL\_DATA\_PTR;

ulong len = 0, checksum;

ulong initrd\_start, initrd\_end;

ulong data;

void (\*theKernel)(int zero, int arch, uint params);

image\_header\_t \*hdr = &header;

bd\_t \*bd = gd->bd;

\#ifdef CONFIG\_CMDLINE\_TAG

char \*commandline = getenv ("bootargs");

\#endif

theKernel = (void (\*)(int, int, uint))ntohl(hdr->ih\_ep);

/\* Check if there is an initrd image \*/

if(argc >= 3) \{

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (9);

addr = simple\_strtoul (argv\[2\], NULL, 16);

printf ("\#\# Loading Ramdisk Image at %08lx .../n", addr);

/\* Copy header so we can blank CRC field for re-calculation \*/

memcpy (&header, (char \*) addr, sizeof (image\_header\_t));

if (ntohl (hdr->ih\_magic) != IH\_MAGIC) \{

printf ("Bad Magic Number/n");

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (-10);

do\_reset (cmdtp, flag, argc, argv);

data = (ulong) & header;

len = sizeof (image\_header\_t);

checksum = ntohl (hdr->ih\_hcrc);

hdr->ih\_hcrc = 0;

if(crc32 (0, (char \*) data, len) != checksum) \{

printf ("Bad Header Checksum/n");

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (-11);

do\_reset (cmdtp, flag, argc, argv);

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (10);

print\_image\_hdr (hdr);

data = addr + sizeof (image\_header\_t);

len = ntohl (hdr->ih\_size);

if(verify) \{

ulong csum = 0;

printf (" Verifying Checksum ... ");

csum = crc32 (0, (char \*) data, len);

if (csum != ntohl (hdr->ih\_dcrc)) \{

printf ("Bad Data CRC/n");

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (-12);

do\_reset (cmdtp, flag, argc, argv);

printf ("OK/n");

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (11);

if ((hdr->ih\_os != IH\_OS\_LINUX) ||

(hdr->ih\_arch != IH\_CPU\_ARM) ||

(hdr->ih\_type != IH\_TYPE\_RAMDISK)) \{

printf ("No Linux ARM Ramdisk Image/n");

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (-13);

do\_reset (cmdtp, flag, argc, argv);

/\* Now check if we have a multifile image \*/

\} else if ((hdr->ih\_type == IH\_TYPE\_MULTI) && (len\_ptr\[1\])) \{

ulong tail = ntohl (len\_ptr\[0\]) % 4;

int i;

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (13);

/\* skip kernel length and terminator \*/

data = (ulong) (&len\_ptr\[2\]);

/\* skip any additional image length fields \*/

for (i = 1; len\_ptr\[i\]; ++i)

data += 4;

/\* add kernel length, and align \*/

data += ntohl (len\_ptr\[0\]);

if (tail) \{

data += 4 - tail;

len = ntohl (len\_ptr\[1\]);

\} else \{

/\* no initrd image \*/

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (14);

len = data = 0;

if (data) \{

initrd\_start = data;

initrd\_end = initrd\_start + len;

\} else \{

initrd\_start = 0;

initrd\_end = 0;

SHOW\_BOOT\_PROGRESS (15);

debug ("\#\# Transferring control to Linux (at address %08lx) .../n",

(ulong) theKernel);

\#if defined (CONFIG\_SETUP\_MEMORY\_TAGS) || /

defined (CONFIG\_CMDLINE\_TAG) || /

defined (CONFIG\_INITRD\_TAG) || /

defined (CONFIG\_SERIAL\_TAG) || /

defined (CONFIG\_REVISION\_TAG) || /

defined (CONFIG\_LCD) || /

defined (CONFIG\_VFD)

setup\_start\_tag (bd);

\#ifdef CONFIG\_SERIAL\_TAG

setup\_serial\_tag (&params);

\#endif

\#ifdef CONFIG\_REVISION\_TAG

setup\_revision\_tag (&params);

\#endif

\#ifdef CONFIG\_SETUP\_MEMORY\_TAGS

setup\_memory\_tags (bd);

\#endif

\#ifdef CONFIG\_CMDLINE\_TAG

setup\_commandline\_tag (bd, commandline);

\#endif

\#ifdef CONFIG\_INITRD\_TAG

if (initrd\_start && initrd\_end)

setup\_initrd\_tag (bd, initrd\_start, initrd\_end);

\#endif

setup\_end\_tag (bd);

\#endif

/\* we assume that the kernel is in place \*/

printf ("/nStarting kernel .../n/n");

cleanup\_before\_linux ();

theKernel (0, bd->bi\_arch\_number, bd->bi\_boot\_params);

do\_bootm\_linux()函数是专门引导Linux映像的函数，它还可以处理ramdisk文件系统的映像。这里引导的内核映像和ramdisk映像，必须是U-Boot格式的。U-Boot格式的映像可以通过mkimage工具来转换，其中包含了U-Boot可以识别的符号。

### 6.4.2 U-Boot的常用命令 ###

U-Boot上电启动后，敲任意键可以退出自动启动状态，进入命令行。

U-Boot 1.1.2 (Apr 26 2005 - 12:27:13)

U-Boot code: 11080000 -> 1109614C BSS: -> 1109A91C

RAM Configuration:

Bank \#0: 10000000 32 MB

Micron StrataFlash MT28F128J3 device initialized

Flash: 32 MB

In: serial

Out: serial

Err: serial

Hit any key to stop autoboot: 0

U-Boot>

在命令行提示符下，可以输入U-Boot的命令并执行。U-Boot可以支持几十个常用命令，通过这些命令，可以对开发板进行调试，可以引导Linux内核，还可以擦写Flash完成系统部署等功能。掌握这些命令的使用，才能够顺利地进行嵌入式系统的开发。

输入help命令，可以得到当前U-Boot的所有命令列表。每一条命令后面是简单的命令说明。

=> help

? - alias for 'help'

autoscr - run script from memory

base - print or set address offset

bdinfo - print Board Info structure

boot - boot default, i.e., run 'bootcmd'

bootd - boot default, i.e., run 'bootcmd'

bootm - boot application image from memory

bootp - boot image via network using BootP/TFTP protocol

cmp - memory compare

coninfo - print console devices and information

cp - memory copy

crc32 - checksum calculation

dhcp - invoke DHCP client to obtain IP/boot params

echo - echo args to console

erase - erase FLASH memory

flinfo - print FLASH memory information

go - start application at address 'addr'

help - print online help

iminfo - print header information for application image

imls - list all images found in flash

itest - return true/false on integer compare

loadb - load binary file over serial line (kermit mode)

loads - load S-Record file over serial line

loop - infinite loop on address range

md - memory display

mm - memory modify (auto-incrementing)

mtest - simple RAM test

mw - memory write (fill)

nfs - boot image via network using NFS protocol

nm - memory modify (constant address)

printenv - print environment variables

protect - enable or disable FLASH write protection

rarpboot - boot image via network using RARP/TFTP protocol

reset - Perform RESET of the CPU

run - run commands in an environment variable

saveenv - save environment variables to persistent storage

setenv - set environment variables

sleep - delay execution for some time

tftpboot - boot image via network using TFTP protocol

version - print monitor version

U-Boot还提供了更加详细的命令帮助，通过help命令还可以查看每个命令的参数说明。由于开发过程的需要，有必要先把U-Boot命令的用法弄清楚。接下来，根据每一条命令的帮助信息，解释一下这些命令的功能和参数。

=> help bootm

bootm \[addr \[arg ...\]\]

\- boot application image stored in memory

passing arguments 'arg ...'; when booting a Linux kernel,

'arg' can be the address of an initrd image

bootm命令可以引导启动存储在内存中的程序映像。这些内存包括RAM和可以永久保存的Flash。

第1个参数addr是程序映像的地址，这个程序映像必须转换成U-Boot的格式。

第2个参数对于引导Linux内核有用，通常作为U-Boot格式的RAMDISK映像存储地址；也可以是传递给Linux内核的参数（缺省情况下传递bootargs环境变量给内核）。

=> help bootp

bootp \[loadAddress\] \[bootfilename\]

bootp命令通过bootp请求，要求DHCP服务器分配IP地址，然后通过TFTP协议下载指定的文件到内存。

第1个参数是下载文件存放的内存地址。

第2个参数是要下载的文件名称，这个文件应该在开发主机上准备好。

=> help cmp

cmp \[.b, .w, .l\] addr1 addr2 count

\- compare memory

cmp命令可以比较2块内存中的内容。.b以字节为单位；.w以字为单位；.l以长字为单位。注意：cmp.b中间不能保留空格，需要连续敲入命令。

第1个参数addr1是第一块内存的起始地址。

第2个参数addr2是第二块内存的起始地址。

第3个参数count是要比较的数目，单位按照字节、字或者长字。

=> help cp

cp \[.b, .w, .l\] source target count

\- copy memory

cp命令可以在内存中复制数据块，包括对Flash的读写操作。

第1个参数source是要复制的数据块起始地址。

第2个参数target是数据块要复制到的地址。这个地址如果在Flash中，那么会直接调用写Flash的函数操作。所以U-Boot写Flash就使用这个命令，当然需要先把对应Flash区域擦干净。

第3个参数count是要复制的数目，根据cp.b cp.w cp.l分别以字节、字、长字为单位。

=> help crc32

crc32 address count \[addr\]

\- compute CRC32 checksum \[save at addr\]

crc32命令可以计算存储数据的校验和。

第1个参数address是需要校验的数据起始地址。

第2个参数count是要校验的数据字节数。

第3个参数addr用来指定保存结果的地址。

=> help echo

echo \[args..\]

\- echo args to console; /c suppresses newline

echo命令回显参数。

=> help erase

erase start end

\- erase FLASH from addr 'start' to addr 'end'

erase N:SF\[-SL\]

\- erase sectors SF-SL in FLASH bank \# N

erase bank N

\- erase FLASH bank \# N

erase all

\- erase all FLASH banks

erase命令可以擦Flash。

参数必须指定Flash擦除的范围。

按照起始地址和结束地址，start必须是擦除块的起始地址；end必须是擦除末尾块的结束地址。这种方式最常用。举例说明：擦除0x20000 – 0x3ffff区域命令为erase 20000 3ffff。

按照组和扇区，N表示Flash的组号，SF表示擦除起始扇区号，SL表示擦除结束扇区号。另外，还可以擦除整个组，擦除组号为N的整个Flash组。擦除全部Flash只要给出一个all的参数即可。

=> help flinfo

flinfo

\- print information for all FLASH memory banks

flinfo N

\- print information for FLASH memory bank \# N

flinfo命令打印全部Flash组的信息，也可以只打印其中某个组。一般嵌入式系统的Flash只有一个组。

=> help go

go addr \[arg ...\]

\- start application at address 'addr'

passing 'arg' as arguments

go命令可以执行应用程序。

第1个参数是要执行程序的入口地址。

第2个可选参数是传递给程序的参数，可以不用。

=> help iminfo

iminfo addr \[addr ...\]

\- print header information for application image starting at

address 'addr' in memory; this includes verification of the

image contents (magic number, header and payload checksums)

iminfo可以打印程序映像的开头信息，包含了映像内容的校验（序列号、头和校验和）。

第1个参数指定映像的起始地址。

可选的参数是指定更多的映像地址。

=> help loadb

loadb \[ off \] \[ baud \]

\- load binary file over serial line with offset 'off' and baudrate 'baud'

loadb命令可以通过串口线下载二进制格式文件。

=> help loads

loads \[ off \]

\- load S-Record file over serial line with offset 'off'

loads命令可以通过串口线下载S-Record格式文件。

=> help mw

mw \[.b, .w, .l\] address value \[count\]

\- write memory

mw命令可以按照字节、字、长字写内存，.b .w .l的用法与cp命令相同。

第1个参数address是要写的内存地址。

第2个参数value是要写的值。

第3个可选参数count是要写单位值的数目。

=> help nfs

nfs \[loadAddress\] \[host ip addr:bootfilename\]

nfs命令可以使用NFS网络协议通过网络启动映像。

=> help nm

nm \[.b, .w, .l\] address

\- memory modify, read and keep address

nm命令可以修改内存，可以按照字节、字、长字操作。

参数address是要读出并且修改的内存地址。

=> help printenv

printenv

\- print values of all environment variables

printenv name ...

\- print value of environment variable 'name'

printenv命令打印环境变量。

可以打印全部环境变量，也可以只打印参数中列出的环境变量。

=> help protect

protect on start end

\- protect Flash from addr 'start' to addr 'end'

protect on N:SF\[-SL\]

\- protect sectors SF-SL in Flash bank \# N

protect on bank N

\- protect Flash bank \# N

protect on all

\- protect all Flash banks

protect off start end

\- make Flash from addr 'start' to addr 'end' writable

protect off N:SF\[-SL\]

\- make sectors SF-SL writable in Flash bank \# N

protect off bank N

\- make Flash bank \# N writable

protect off all

\- make all Flash banks writable

protect命令是对Flash写保护的操作，可以使能和解除写保护。

第1个参数on代表使能写保护；off代表解除写保护。

第2、3参数是指定Flash写保护操作范围，跟擦除的方式相同。

=> help rarpboot

rarpboot \[loadAddress\] \[bootfilename\]

rarboot命令可以使用TFTP协议通过网络启动映像。也就是把指定的文件下载到指定地址，然后执行。

第1个参数是映像文件下载到的内存地址。

第2个参数是要下载执行的映像文件。

=> help run

run var \[...\]

\- run the commands in the environment variable(s) 'var'

run命令可以执行环境变量中的命令，后面参数可以跟几个环境变量名。

=> help setenv

setenv name value ...

\- set environment variable 'name' to 'value ...'

setenv name

\- delete environment variable 'name'

setenv命令可以设置环境变量。

第1个参数是环境变量的名称。

第2个参数是要设置的值，如果没有第2个参数，表示删除这个环境变量。

=> help sleep

sleep N

\- delay execution for N seconds (N is \_decimal\_ !!!)

sleep命令可以延迟N秒钟执行，N为十进制数。

=> help tftpboot

tftpboot \[loadAddress\] \[bootfilename\]

tftpboot命令可以使用TFTP协议通过网络下载文件。按照二进制文件格式下载。另外使用这个命令，必须配置好相关的环境变量。例如serverip和ipaddr。

第1个参数loadAddress是下载到的内存地址。

第2个参数是要下载的文件名称，必须放在TFTP服务器相应的目录下。

这些U-Boot命令为嵌入式系统提供了丰富的开发和调试功能。在Linux内核启动和调试过程中，都可以用到U-Boot的命令。但是一般情况下，不需要使用全部命令。比如已经支持以太网接口，可以通过tftpboot命令来下载文件，那么还有必要使用串口下载的loadb吗？反过来，如果开发板需要特殊的调试功能，也可以添加新的命令。

在建立交叉开发环境和调试Linux内核等章节时，在ARM平台上移植了U-Boot，并且提供了具体U-Boot的操作步骤。

### 6.4.3 U-Boot的环境变量 ###

有点类似Shell，U-Boot也使用环境变量。可以通过printenv命令查看环境变量的设置。

U-Boot> printenv

bootdelay=3

baudrate=115200

netmask=255.255.0.0

ethaddr=12:34:56:78:90:ab

bootfile=uImage

bootargs=console=ttyS0,115200 root=/dev/ram rw initrd=0x30800000,8M

bootcmd=tftp 0x30008000 zImage;go 0x30008000

serverip=192.168.1.1

ipaddr=192.168.1.100

stdin=serial

stdout=serial

stderr=serial

Environment size: 337/131068 bytes

U-Boot>

表6.5是常用环境变量的含义解释。通过printenv命令可以打印出这些变量的值。

表6.5 U-Boot环境变量的解释说明

<table style="width:560px"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 环 境 变 量 </td> 
 <td> 解 释 说 明 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bootdelay </td> 
 <td> 定义执行自动启动的等候秒数 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> baudrate </td> 
 <td> 定义串口控制台的波特率 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> netmask </td> 
 <td> 定义以太网接口的掩码 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> ethaddr </td> 
 <td> 定义以太网接口的MAC地址 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bootfile </td> 
 <td> 定义缺省的下载文件 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bootargs </td> 
 <td> 定义传递给Linux内核的命令行参数 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> bootcmd </td> 
 <td> 定义自动启动时执行的几条命令 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> serverip </td> 
 <td> 定义tftp服务器端的IP地址 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> ipaddr </td> 
 <td> 定义本地的IP地址 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> stdin </td> 
 <td> 定义标准输入设备，一般是串口 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> stdout </td> 
 <td> 定义标准输出设备，一般是串口 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> stderr </td> 
 <td> 定义标准出错信息输出设备，一般是串口 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

U-Boot的环境变量都可以有缺省值，也可以修改并且保存在参数区。U-Boot的参数区一般有EEPROM和Flash两种设备。

环境变量的设置命令为setenv，在6.2.2节有命令的解释。

举例说明环境变量的使用。

=>setenv serverip 192.168.1.1

=>setenv ipaddr 192.168.1.100

=>setenv rootpath "/usr/local/arm/3.3.2/rootfs"

=>setenv bootargs "root=/dev/nfs rw nfsroot=/$(serverip):/$(rootpath) ip=  
/$(ipaddr) "

=>setenv kernel\_addr 30000000

=>setenv nfscmd "tftp /$(kernel\_addr) uImage; bootm /$(kernel\_addr) "

=>run nfscmd

上面定义的环境变量有serverip ipaddr rootpath bootargs kernel\_addr。环境变量bootargs中还使用了环境变量，bootargs定义命令行参数，通过bootm命令传递给内核。环境变量nfscmd中也使用了环境变量，功能是把uImage下载到指定的地址并且引导起来。可以通过run命令执行nfscmd脚本。

### 6.4 使用U-Boot ###

U-Boot是“Monitor”。除了Bootloader的系统引导功能，它还有用户命令接口，提供了一些复杂的调试、读写内存、烧写Flash、配置环境变量等功能。掌握U-Boot的使用，将极大地方便嵌入式系统的开发。

### 6.4.1 烧写U-Boot到Flash ###

新开发的电路板没有任何程序可以执行，也就不能启动，需要先将U-Boot烧写到Flash中。

如果主板上的EPROM或者Flash能够取下来，就可以通过编程器烧写。例如：计算机BIOS就存储在一块256KB的Flash上，通过插座与主板连接。

但是多数嵌入式单板使用贴片的Flash，不能取下来烧写。这种情况可以通过处理器的调试接口，直接对板上的Flash编程。

处理器调试接口是为处理器芯片设计的标准调试接口，包含BDM、JTAG和EJTAG 3种接口标准。JTAG接口在第4章已经介绍过；BDM（Background Debug Mode）主要应用在PowerPC8xx系列处理器上；EJTAG主要应用在MIPS处理器上。这3种硬件接口标准定义有所不同，但是功能基本相同，下面都统称为JTAG接口。

JTAG接口需要专用的硬件工具来连接。无论从功能、性能角度，还是从价格角度，这些工具都有很大差异。关于这些工具的选择，将在第6.4.1节详细介绍。

最简单方式就是通过JTAG电缆，转接到计算机并口连接。这需要在主机端开发烧写程序，还需要有并口设备驱动程序。开发板上电或者复位的时候，烧写程序探测到处理器并且开始通信，然后把Bootloader下载并烧写到Flash中。这种方式速率很慢，可是价格非常便宜。一般来说，平均每秒钟可以烧写100～200个字节。

烧写完成后，复位实验板，串口终端应该显示U-Boot的启动信息。

[image004.gif]: /images/20220618/52e780d3fea1458bb4cfdf0aeeeea4d8.png
[http_lilo.go.dyndns.org]: http://lilo.go.dyndns.org/
[image005.gif]: /images/20220618/e8b2b50e2c33469f9e906a13fec632fd.png
[http_www.ecoscentric.com_snapshots]: http://www.ecoscentric.com/snapshots
[http_www.denx.de_re_DPLG.html]: http://www.denx.de/re/DPLG.html
[image006.gif]: /images/20220618/dc7e44c41478481ea16d42dbdd9f55f0.png