引言
U-Boot是用于初始化目标板硬件,为嵌入式操作系统提供目标板硬件配置信息,完成嵌入式操作系统装载、引导和运行的固件程序。它能够将系统的软硬件紧密衔接在一起。S3C2410是三星公司的一款基于ARM920T核的嵌入式通用处理器。本文将详细介绍U-Boot在S3C2410开发板上的移植与运行。
U-BOOT简介
U-Boot支持ARM、 PowerPC等多种架构的处理器,也支持Linux、NetBSD和VxWorks等多种操作系统。它提供启动加载和下载两种工作模式。启动加载模式也称自主模式,一般是将存储在目标板Flash中的内核和文件系统的镜像装载到SDRAM中,整个过程无需用户的介入。在使用嵌入式产品时,一般工作在该模式下。工作在下载模式时,目标板往往受外设(一般是PC机)的控制,从而将外设中调试好的内核和文件系统下载到目标板中去。U-Boot允许用户在这两种工作模式间进行切换。通常目标板启动时,会延时等待一段时间,如果在设定的延时时间范围内,用户没有按键,U-Boot就进入启动加载模式。
开发板的主要配置包括三星ARM9处理器S3C2410、1个串口和JTAG接口,晶振为12MHz,系统主频为200MHz。另外,开发板上还包括1片4M×16位数据宽度的Flash,地址范围为0x01000000～0x01800000和2片8M×16位数据宽度的SDRAM,地址范围为0x30000000～0x32000000。Flash使用了2410处理器的BANK0单元,由于2410中地址是循环映射的,因而0x01000000 和0x0地址等同。
在本系统中,U-Boot的主要功能包括：建立和初始化RAM;初始化一个串口;检测机器的体系结构,传递MACH_TYPE_xxx的值(SMDK2410)给内核;建立内核的标记列表(tagged list);调用内核镜像。
U-Boot移植步骤
为了使U-Boot支持新的开发板,一种简便的做法是在U-Boot已经支持的开发板中选择一种和目标板接近的,并在其基础上进行修改。代码修改的步骤如下：
1)在board目录下创建smdk2410目录,添加smdk2410.c、flash.c、memsetup.s、u-boot.lds和config.mk等;
2)在cpu目录下创建arm920t目录,主要包含start.s、interrupts.c、cpu.c、serial.c和speed.c等文件;
3)在include/configs目录下添加smdk2410.h,它定义了全局的宏定义等;
4)修改u-boot根目录下的Makefile文件：
smdk2410_config:unconfig@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410
5)运行make smdk2410_config,如果没有错误,就可以开始进行与硬件相关的代码移植工作。由于这部分代码与硬件紧密相关,所以要熟悉开发板的硬件配置,可参考各芯片的用户手册。
U-Boot启动过程
U-Boot的启动过程可以分成3个阶段。首先在Flash中运行汇编程序,将Flash中的启动代码部分复制到SDRAM中,同时创造环境准备运行C程序;然后在SDRAM中执行,对硬件进行初始化;最后设置内核参数的标记列表,复制镜像文件,进入内核的入口函数。
1) 程序首先在Flash中运行CPU入口函数/cpu/arm920t/start.s。具体工作包括：设置异常的入口地址和异常处理函数;配置PLLCON寄存器,确定系统的主频;屏蔽看门狗和中断;初始化I/O寄存器;关闭MMU功能;调用/board/smdk2410中的memsetup.s,初始化存储器空间,设置刷新频率;将U-Boot的内容复制到SDRAM中;设置堆栈的大小,ldr pc, _start_armboot。
board/s3c2410中config.mk文件(TEXT_BASE = 0x31F00000)用于设置程序编译连接的起始地址,在程序中要特别注意与地址相关指令的使用。
当程序在Flash中运行时,执行程序跳转时必须要使用跳转指令,而不能使用绝对地址的跳转(即直接对PC操作)。如果使用绝对地址,那么,程序的取指是相对于当前PC位置向前或者向后的32MB空间内,而不会跳入SDRAM中。
2) 程序跳转到SDRAM中执行/lib_arm/board.c中的start_armboot()函数。该函数将完成如下工作：
*设置通用端口rGPxCON;rGPxUP;设置处理器类型gd->bd->bi_arch_number = 193;设置启动参数地址gd->bd->bi_boot_params = 0x30000100;
* env_init：设置环境变量,初始化环境;
* init_baudrate：设置串口的波特率;
* serial_init：设置串口的工作方式;
* flash_init：设置ID号、每个分页的起始地址等信息,将信息送到相应的结构体中;
* dram_init：设置SDRAM的起始地址和大小;
* env_relocate：将环境变量的地址送到全局变量结构体中(gd->env_addr = (ulong)&(env_ptr->data));
* enable_interrupts：开启中断;
* main_loop：该函数主要用于设置延时等待,从而确定目标板是进入下载操作模式还是装载镜像文件启动内核。在设定的延时时间范围内,目标板将在串口等待输入命令,当目标板接到正确的命令后,系统进入下载模式。在延时时间到达后,如果没有接收到相关命令,系统将自动进入装载模式,执行bootm 30008000 30800000命令,程序进入do_bootm_linux()函数,调用内核启动函数;
3) 装载模式下系统将执行do_bootm_linux()函数,0x30008000是内核在SDRAM中的起始地址;0x30800000是ramdisk在SDRAM中的起始地址;0x40000是内核在Flash中的位置,0x100000是数据块的大小;0x140000是ramdisk在FLASH中的位置,0x440000是数据块的大小。系统调用memcpy()函数将内核从flash和ramdisk复制到SDRAM中,具体如下：
memcpy((void *)0x30008000, (void *)0x40000, 0x100000);//复制数据块
memcpy((void *)0x30800000, (void *)0x140000, 0x440000);//复制数据块
通常,将内核参数传递给Linux操作系统有两种方法：采用struct param_struct结构体或标记列表。本系统中采用了第二种方法。
一个合法的标记列表开始于ATAG_CORE,结束于ATAG_NONE。ATAG_CORE可以为空,一个空的ATAG_CORE的size字段设为“2”(0x00000002)。ATAG_NONE 的size字段必须设为“0”。标记列表可以有任意多的标记(tag)。在嵌入式Linux系统中,通常由U-Boot设置的启动参数有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD等。
在本系统中,传递参数时分别调用了以下tag：
setup_start_tag(bd); //标记列表开始
setup_memory_tags(bd); //设置内存的起始位置和大小
setup_commandline_tag(bd, commandline); /*Linux内核在启动时可以命令行参数的形式来接收信息,利用这一点可以向内核提供那些内核不能检测的硬件参数信息,或者重载(override)内核检测到的信息,这里char *commandline "initrd=0x30800000,0x440000 root=/dev/ram init=/linuxrc console=ttyS0";*/
setup_ramdisk_tag(bd); //表示内核解压后ramdisk的大小
setup_initrd_tag(bd, initrd_start, initrd_end); //设置ramdisk的大小和物理起始地址
setup_end_tag(bd); //标记列表结束
其中bd_t *bd = gd->bd是指向bd_t 结构体的指针,在该结构体中存放了关于开发板配置的基本信息。标记列表应该放在内核解压和initrd的bootp程序都不会覆盖的内存区域,同时又不能和异常处理的入口地址相冲突。建议放在RAM起始的16K大小处,在本系统中即为0x30000100处。
U-BOOT调用 Linux 内核的方法是直接跳转到内核的第一条指令处,也即直接跳转到 MEM_START＋0x8000地址处。在跳转时,要满足下列条件：
a) CPU寄存器的设置：R0＝0;R1＝机器类型 ID,本系统的机器类型ID＝193。R2＝启动参数标记列表在RAM中的起始基地址;
b) CPU模式：必须禁止中断(IRQs和FIQs);CPU必须工作在SVC模式;
c) Cache和MMU的设置：MMU 必须关闭;指令Cache可以打开也可以关闭;数据Cache必须关闭。
系统采用下列代码来进入内核函数：
theKernel = (void (*)(int, int))ntohl(hdr->ih_ep);
theKernel(0, bd->bi_arch_number);其中,hdr是image_header_t类型的结构体,hdr->ih_ep指向内核的第一条指令地址,即Linux操作系统下的/kernel/arch/arm/boot/compressed/head.S汇编程序。theKernel()函数调用应该不会返回,如果该调用返回,则说明出错。
结语
本文总结介绍了U-Boot在S3C2410上的移植,移植完成后,U-Boot能够稳定地运行在开发板上,为后续的软件开发打下较好的基础。