国嵌Linux视频Uboot

1.1 BootLoader介绍

什么是BootLoader?

软件层次

一个嵌入式系统从软件角度来看分为三个层次:

1. 引导加载程序

包括固化在固件(firmware)中的 boot 程序(可选),和 BootLoader 两大部分。

2. Linux 内核

特定于嵌入式平台的定制内核。

3. 文件系统

包括了系统命令和应用程序。

一个同时装有 BootLoader、内核的启动参数、内核映像和根文件系统映像的固态存储设备的典型空间分配结构图:

PC机中的引导加载程序由BIOS(其本质是一段固件程序)和

GRUB或LILO一起组成。BIOS在完成硬件检测和资源分配后,将硬盘中的引导程序读到系统内存中然后将控制权交给引导程序。引导程序的主要任务是将内核从硬盘上读到内存中,然后跳转到内核的入口点去运行,即启动操作系统。

定义

在嵌入式系统中,通常没有像BIOS那样的固件程序,因此整个系统的加载启动任务就完全由BootLoader来完成。比如在一个基

于 ARM7TDMI core的嵌入式系统中,系统在上电或复位时都从地址 0x00000000开始执行。而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。

简单地说,BootLoader就是在操作系统运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序,可以初始化硬件设备,从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态,以便为最终调用操作系统做好准备。

安装

系统加电或复位后,所有的CPU通常都从CPU制造商预先安排地址开始执行。比如,S3C2410在复位后从地址0x00000000起开始执行。而嵌入式系统则将固态存储设备(比如:FLASH)安排在这个地址上,而bootloader程序又安排在固态存储器的最前端,这样就能保证在系统加电后,CPU首先执行BootLoader程序。

为什么需要进行bootloader移植?

每种不同的CPU体系结构都有不同的BootLoader。除了依赖于CPU的体系结构外,BootLoader 还依赖于具体的嵌入式板级设备的配置,比如板卡的硬件地址分配,外设芯片的类型等。这也就是说,对于两块不同的开发板而言,即使它们是基于同一种CPU而构建的,但如果他们的硬件资源或配置不一致的话,要想在一块开发板上运行的BootLoader程序也能在另一块板子上运行,还是需要作修改。

流程

BootLoader 的启动过程可分为单阶段(Single-Stage)和多阶段(Multi-Stage)两种,通常多阶段的 BootLoader 具有更复杂的功能,更好的可移植性。从固态存储设备上启动的BootLoader 大多采用两阶段,即启动过程可以分为 stage 1和 stage2;stage1完成初始化硬件,为stage2准备内存空间,并将stage2复制到内存中,设置堆栈,然后跳转到stage2。

BootLoader 的 stage1 通常包括以下步骤:

·硬件设备初始化

·为加载 BootLoader 的 stage2 准备 RAM 空间

·拷贝 BootLoader 的 stage2 到 RAM 空间中

·设置好堆栈(why??)

·跳转到 stage2 的 C 入口点

BootLoader 的 stage2 通常包括以下步骤:

·初始化本阶段要使用到的硬件设备

·将内核映像和根文件系统映像从 flash 上读到RAM 中

·调用内核

内存分布

1.2 Uboot介绍

作用

Uboot是德国DENX小组开发的用于多种嵌入式CPU( MIPS、x86、ARM、XScale等)的bootloader程序,UBoot不仅支持嵌入式Linux系统的引导,还支持VxWorks, QNX等多种嵌入式操作系统。

下载

从下面地址可以下载到uboot的源代码:

ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/

目录结构

进入到UBOOT目录,可以得到如下的目录结构:

|­­ board

|­­ common

|­­ cpu

|­­ disk

|­­ doc

|­­ drivers

|­­ dtt

|­­ examples

|­­ fs

|­­ include

|­­ lib_arm

|­­ lib_generic

|­­ lib_i386

|­­ lib_m68k

|­­ lib_microblaze

|­­ lib_mips

|­­ lib_nios

|­­ lib_nios2

|­­ lib_ppc

|­­ net

|­­ post

|­­ rtc

|­­ tools

Board

和开发板有关的文件。每一个开发板都以一个子目录出现在当

前目录中,比如:SMDK2410,子目录中存放与开发板相关的文

件。

Common

实现Uboot支持的命令。

Cpu

与特定CPU架构相关的代码,每一款Uboot下支持的CPU在该

目录下对应一个子目录,比如有子目录arm920t等。

Disk

对磁盘的支持。

Doc

文档目录。Uboot有非常完善的文档,推荐大家参考阅读。

Drivers

Uboot支持的设备驱动程序都放在该目录,比如各种网卡、

支持CFI的Flash、串口和USB等。

Fs

文件系统的支持。

Include

Uboot使用的头文件。该目录下configs目录有与开发板相关的配置头文件,如smdk2410.h。该目录下的asm目录有与CPU体系结构相关的头文件。

Net

与网络协议栈相关的代码,例如:TFTP协议、RARP协议的实现。

Tools

生成Uboot的工具,如:mkimage, crc等等。

编译

Uboot的Makefile从功能上可以分成两个

部分:

1、执行每种board相关的配置

2、编译生成uboot.bin文件

Uboot.bin的生成也分为两步,以smdk2410为例来说明,如下:

1. 选择要使用的board:

$makesmdk2410_config

2. 编译生成u-boot.bin:

$makeCROSS_COMPILE=arm-linux-

1.3 Uboot命令

常用命令

尽管UBOOT提供了丰富的命令集,但不同的单板所支持的命令并不一定一样(可配置,How?后面章节),help 命令可用于察看当前单板所支持的命令。

【2410】 # help

autoscr -run scriptfrom memory

base -print or setaddress offset

bdinfo -print BoardInfo structure

bootm -bootapplication image from memory

环境变量相关

printenv 查看环境变量

usage:

printenv

- print values ofall environment variables

printenv name ...

- print value ofenvironment variable 'name'

Uboot> printenv

ipaddr=192.168.1.1

ethaddr=12:34:56:78:9A:BC

serverip=192.168.1.5

setenv 添加、修改、删除环境变量

setenv name value...

- set environmentvariable 'name' to 'value ...‘

setenv name

- delete environmentvariable 'name'

Uboot> setenvmyboard AT91RM9200DK

Uboot> printenv

serverip=192.168.1.5

myboard=AT91RM9200DK

saveenv 保存环境变量

将当前定义的所有变量及其值存入flash中。

文件下载

tftp 通过网络下载文件

注意:使用tftp,需要先配置好网络

Uboot> setenv ethaddr12:34:56:78:9A:BC

Uboot> setenvipaddr 192.168.1.1

Uboot> setenvserverip 192.168.1.254 (tftp服务器的地址)

例:

Uboot> tftp32000000 uImage

把server(IP=环境变量中设置的serverip)中服务目录 下的

uImage通过TFTP读入到0x32000000处。

内存操作

md(memory display) 显示内存区的内容。

md采用十六进制和ASCII码两种形式来显示存储单元的内容。

这条命令还可以采用长度标识符 .l, .w和.b :

md [.b, .w, .l]address

md.w 100000

00100000: 2705 19565050 4342 6f6f 7420 312e 312e

00100010: 3520 284d6172 2032 3120 3230 3032 202d

mm(memory modify) 修改内存,地址自动递增。

mm [.b, .w, .l]address

mm 提供了一种互动修改存储器内容的方法。它会显示地址和当前值,然后提示用户输入。如果你输入了一个合法的十六进制数,

这个新的值将会被写入该地址。然后提示下一个地址。如果你没

有输入任何值,只是按了一下回车,那么该地址的内容保持不

变。如果想结束输入,则输入空格,然后回车。

=> mm 100000

00100000: 27051956 ?0

00100004: 50504342 ?AABBCCDD

Flash操作

flinfo 查看Flash扇区信息

Usage:Uboot>flinfo

protect Flash写保护

打开或关闭扇区写保护

用法:

protect off all

关闭所有扇区的写保护

protect on all

打开所有扇区的写保护

protect off startend

关闭从start 到 end 扇区的写保护(start为要关闭的第1个扇区的起始

地址,end为要关闭的最后一个扇区的结束地址)

protect on start end

打开从start 到 end 扇区的写保护

erase 擦除flash扇区

用法: erase start end

擦除从start 到 end 的扇区,start 为要擦除的第1个扇区的起始地址,end 为要擦除的最后一个扇区的结束地址(在使用cp命令向Nor型Flash写入数据之前必须先使用erase 命令擦除flash,因为

nor flash 按字节写入时,无法写入1,所以必须通过擦除来写入1)。

例:erase 30000 1effff

cp 数据拷贝。

cp [.b, .w, .l]saddress daddress len

cp 提供了一种内存与内存,内存与Flash之间数据拷贝的方法。

例:

cp.b 31000000 50000d0000

将内存地址0x31000000处的数据(长度为0xd0000)拷贝到

地址0x50000处(Flash中)

cp.b 32000000 120000c0000

将内存地址0x32000000处的数据(长度为0xc0000)拷贝到

地址0x120000处(Flash中)

执行程序

go 执行内存中的二进制代码,一个简单的跳转到指定地址

go addr [arg ...]

- start applicationat address 'addr‘,

passing 'arg' asarguments

bootm 执行内存中的二进制代码

bootm [addr [arg...]]

- boot applicationimage stored in memory

passing arguments'arg ...'; when booting a Linux kernel, 'arg' can be the address of an initrdimage

要求二进制代码有固定格式的文件头。

开发板信息

bdinfo – 显示开发板信息

bdinfo命令(简写为bdi)将在终端显示诸如内存地址和大小、时钟频率、MAC地址等信息。这些信息在传递给Linux内核一些

参数时可能会用到。

自动启动

1. 设置自动启动

bootdelay时间内未打断自启动则开始执行bootcmd里的命令

mini2440=>setenvbootcmd tftp

31000000 uImage \;bootm 31000000

mini2440=>saveenv

1.4 Uboot工作流程

工作模式

大多数BootLoader都包含两种不同的操作模式:“启动模式” 和“下载模式”,这种区别仅对于开发人员才有意义,但从最终用户

的角度看,BootLoader的作用就是用来加载操作系统,而不存在所谓的启动模式与下载模式。

启动模式

这种模式也称为“自主” 模式,是指BootLoader 从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统自动加载到 RAM 中运行,整个过程并没有用户的介入。这种模式是BootLoader 的正常工作模式,因此在嵌入式产品发布的时侯,BootLoader 显然必须工作在这种模式下。

下载模式

在这种模式下,目标机上的BootLoader 将通过串口或网络等通

信手段从主机(Host)下载文件 ,然后控制启动流程。

代码导读

参考文档《uboot启动流程》

1.5 Uboot移植

为什么需要对Uboot进行移植?

BootLoader 依赖于:

具体的CPU体系、具体的板级设备配置

(芯片级移植、板级移植)

具体的板级设备的配置在哪里?

板级设备的配置文件位于

include/configs/<board_name>.h

<board_name>用相应的BOARD定义代替(例:smdk2410.h)

Smdk2410.h

#defineCONFIG_ARM920T 1

/* CPU 类型 */

#define CONFIG_S3C24101

/* MCU类型 */

#defineCONFIG_SMDK2410 1

/* 开发板型号 */

#define USE_920T_MMU1

/* 使用MMU */

#undefCONFIG_USE_IRQ

/* 不使用 IRQ/FIQ */

/* malloc 池大小*/

#defineCFG_MALLOC_LEN (CFG_ENV_SIZE +

128*1024)

/* 数据段大小 128字节 */

#defineCFG_GBL_DATA_SIZE 128

/* 使用 CS8900 网卡 */

#defineCONFIG_DRIVER_CS8900 1

/* CS8900A 基地址 */

#define CS8900_BASE0x19000300

/* 使用串口1 */

#defineCONFIG_SERIAL1 1

/* 波特率 */

#defineCONFIG_BAUDRATE 115200

#defineCONFIG_COMMANDS \

(CONFIG_CMD_DFL |\

CFG_CMD_CACHE |\

/*CFG_CMD_NAND |*/ \

/*CFG_CMD_EEPROM |*/\

/*CFG_CMD_I2C |*/ \

/*CFG_CMD_USB |*/ \

CFG_CMD_REGINFO | \

CFG_CMD_DATE

|\

CFG_CMD_ELF)

/*定义使用的命令,可添加额外命令,如PING*/

/* 自动启动等待时间 */

#defineCONFIG_BOOTDELAY 3

/* 内核启动参数 */

#defineCONFIG_BOOTARGS

"root=ramfsdevfs=mount console=ttySA0,9600“

#defineCONFIG_ETHADDR 08:00:3e:26:0a:5b

#defineCONFIG_NETMASK 255.255.255.0

#defineCONFIG_IPADDR 10.0.0.110

#defineCONFIG_SERVERIP 10.0.0.1

#defineCONFIG_BOOTCOMMAND "tftp; bootm"

#define CFG_PROMPT"SMDK2410 # "

#define PHYS_SDRAM_10x30000000 /* SDRAM Bank #1 */

#definePHYS_SDRAM_1_SIZE 0x04000000 /* 64 MB */

#defineCFG_LOAD_ADDR 0x33000000

/* 默认的启动地址 */

#defineCFG_BAUDRATE_TABLE { 9600, 19200, 38400, 57600,115200 } /*可用的波特率*/

/* 有一片SDRAM */

#defineCONFIG_NR_DRAM_BANKS 1

/* FLASH No1的基地址 */

#define PHYS_FLASH_10x00000000

/* FLASH 的基地址 */

#defineCFG_FLASH_BASE

PHYS_FLASH_1

移植

开始移植之前,首先要分析U-Boot已经支持的开发板,选择出硬件配置最接近的开发板。选择的原则是,首先选择MCU相同的开发板,如果没有,则选择MPU相同的开发板。

以mini2440开发板为例,该开发板采用s3c2440芯片。根据选择原则,首先选择MCU为s3c2440的开发板,但 UBoot 各版本均不支持采用s3c2440芯片的开发板。因此根据第二原则,选择MPU相同,即ARM核为arm920T的开发板,Uboot支持SMDK2410开发板,并且SMDK2410采用s3c2410芯片,s3c2410采用的正好是arm920T,因此选取SMDK2410开发板作为移植参考板。

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:

mini2440_config :

unconfig

@./mkconfig$(@:_config=) arm arm920t mini2440 NULL s3c24x0

arm: CPU 架构

arm920t: CPU 类型,对应cpu/arm920t目录

mini2440: 开发板型号,对应board/mini2440目录

NULL:开发者

s3c24x0: 片上系统(SOC)

2. 在board目录中创建一个属于新开发板的目录,并添加文件:

mkdir –pboard/mini2440

cp –rfboard/smdk2410/* board/mini2440

3. 为开发板添加新的配置文件

先复制参考开发板的配置文件,再修改。例如:

$cpinclude/configs/smdk2410.h include/configs/mini2440.h

4. 选择板级配置

$ makemini2440_config

5. 编译U-Boot

执行make CROSS_COMPILE=arm-linux- 命令,编译成功可以得到U-Boot映像。

6.烧写Uboot