基于S3C2440的u-boot的移植

Bootloader代码是芯片复位后进入操作系统之前执行的一段代码，主要用于完成由硬件启动到操作系统启动的过渡，从而为操作系统提供基本的运行环境，如初始化CPU、堆栈、存储器系统等。Bootloader代码与CPU芯片的内核结构、具体型号、应用系统的配置及使用的操作系统等因素有关，其功能类似于PC机的BIOS程序。由于Bootloader和CPU及电路板的配置情况有关，因此不可能有通用的bootloader ，开发时需要用户根据具体情况进行移植。嵌入式Linux系统中常用的bootloader有armboot、redboot、blob、u-boot 等，其中u-boot是当前比较流行，功能比较强大的bootloader，可以支持多种体系结构，但相对也比较复杂。Bootloader的实现依赖于 CPU的体系结构，大多数bootloader都分为stage 1和stage2两大部分。Bootloader的基本原理见参考文献。u-boot是sourceforge网站上的一个开放源代码的项目。它可对 PowerPC MPC5XX、MPC8XX、MPC82XX、 MPC7XX、MPC74XX、ARM（ARM7、ARM9、StrongARM、VxWorks、NetBSD、QNX、RTEMS、ARTOS、 LynxOS等，主要用来开发嵌入式系统初始化代码bootloader。软件的主站点是http://sourceforge.net/projects/u-boot。u-boot最初是由denx的PPC-boot发展而来的，它对PowerPC系列处理器的支持最完善，对Linux操作系统的支持最好。源代码开放的U-boot软件项目经常更新。

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

２ u-boot系统启动流程

大多数bootloader都分为stage1和stage2两大部分，u-boot也不例外。依赖于cpu体系结构的代码（如设备初始化代码等）通常都放在stage1且可以用汇编语言来实现，而stage2则通常用Ｃ语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且有更好的可读性和移植性。

2.1 stage1 (start.s代码结构)

u-boot的stage1代码通常放在start.s文件中，它用汇编语言写成，其主要代码部分如下：

（１）定义入口。由于一个可执行的Image必须有一个入口点，并且只能有一个全局入口，通常这个入口arm结构的cpu放在ROM(Flash)的0x00地址（MIPS放在0xBFC00000），因此，必须通知编译器以使其知道这个入口，该工作可通过修改连接器脚本来完成。

（２）设置异常向量(Exception Vector)。

（３）设置CPU的速度、时钟频率及中断控制寄存器。

（４）初始化内存控制器。

（５）将ROM中的程序复制到RAM中。

（６）初始化堆栈。

（７）转到RAM中执行，该工作可使用指令ldrpc来完成。

2.2 stage2 C语言代码部分

lib_arm/board.c中的start_armboot是Ｃ语言开始的函数，也是整个启动代码中Ｃ语言的主函数，同时还是整个u-boot(armboot)的主函数，该函数主要完成如下操作： (Line236)

（１）调用一系列的初始化函数。

（２）初始化Flash设备。

（３）初始化系统内存分配函数。

（４）如果目标系统拥有NAND设备，则初始化NAND设备。

（５）如果目标系统有显示设备，则初始化该类设备。

（６）初始化相关网络设备，填写IP、MAC地址等。

（７）进入命令循环（即整个boot的工作循环），接受用户从串口输入的命令，然后进行相应的工作。

３移植实例

友善之臂QQ2440V3开发板

本系统开发板主要由S3C2440嵌入式微处理器、16ＭＢ的Flash （AM29LV160）、64MB的Nand Flash((K9F1208U0)、64MB的SDRAM(Hy57v561620)、网卡驱动IC（CS8900A）以及ARM JTAG接口组成。

3.1 u-boot文件下载

u-boot文件的下载有两种方法,第一种是在Linux环境下通过CVS下载最新的文件，方法是：

$cvs-dpserver anonymous@cvs.sourceforge.net/cvsroot/u-boot login

当要求输入匿名登录的密码时，可直接按回车键

$cvs-z6-dpserver anonymous@cvs.sourceforge.net/cvsroot/u-bootco.Pmodulename

第二种是通过ftp//ftp.denx.de/pub/u-boot/下载正式发布的压缩文件。

3.2 u-boot文件的结构

初次下载的文件有很多，解压后存放在u-boot文件目录下，具体内容已在readme文件中做了详细的介绍，其中与移植相关的主要文件夹有：

(1)CPU它的每个子文件夹里都有如下文件：

makefile

config.mk

cpu.c和处理器相关的代码

interrupts.c中断处理代码

serial.c串口初始化代码

start.s全局开始启动代码

(2)Board它的每个子文件夹里都有如下文件：

makefile

config.mk

smdk2410.c和板子相关的代码（以smdk2410为例）

flash.c Flash操作代码

memsetup.s初始化SDRAM代码

u-boot.lds对应的连接文件

(3) lib_arm体系结构下的相关实现代码，比如memcpy等的汇编语言的优化实现。

3.3 交叉编译环境的建立

要得到下载到目标板的u-boot二进制启动代码，还需要对下载的u-boot-1.1.6 进行编译。u-boot的编译一般在Linux系统下进行，可用arm-linux-gcc进行编译。一步一步建立交叉编译环境通常比较复杂，最简单的方法是使用别人编译好的交叉编译工具，方法如下：

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

（２）以用户名root登录，将arm-linux-gcc-3.4.5.tar.bz2解压到 /root目录下

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

（３）在http//handhelds.org/download/toolchai下载arm-linux-toolchain-post-2.2.13.tar.gz只是用了它的头文件而已，主要来自内核/linux-x.x/include下

（４）将arm-linux-toolchain-post-2.2.13.tar.gz解压到/skiff/local/下

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

（５）拷贝头文件到/root/usr/3.4.5/arm-linux/下 然后删除/skiff

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

这样就建立了arm-linux交叉编译环境。

（６）增加/root/usr/local/arm/3.4.5/bin到路径环境变量

Path=$path:/root/usr/local/arm/3.4.5/bin可以检查路径变量是否设置正确。#echo $path

3.4 移植的预先编译

移植u-boot到新的开发板上仅需要修改与硬件相关的部分即可。主要包括两个层面的移植，第一层是针对cpu的移植，第二层是针对Board的移植。由于u-boot-1.1.6里面已经包含S3C2410的移植，而S3C2410与 S3C2440的寄存器基本一样，所以我对板子QQ2440的移植主要是针对board的移植。移植之前需要仔细阅读u-boot目录下的readme文件，其中对如何移植做了简要的介绍。为了减少移植的工作量，可以在include/config目录下选一个和要移植的硬件相似的开发板，以便于我手上的 QQ2440V3开发板参数基本匹配，我选的是smdk2410开发板。具体步骤如下：

3.4.1 u-boot-1.1.6下的CPU文件夹里已经包括了/arm920t/s3c24x0的目录，其下已经有start.s 、 interrupts.c以及cpu.c、serial.c几个文件，因而不需要建立与CPU相关的目录。

而在后面设置串口波特率时需要获取系统时钟，在U－Boot的第二阶段，lib_arm/board.c中start_armboot函数调用serial_init函数是，会调用到在cpu/arm920t /s3c24x0/speed.c中定义的get_PCLK,get_HCLK,get_PLLCLK等函数，所以要对speed.c做修改。（过程略）

3.4.2 在board目录下创建QQ2440目录以及QQ2440.c、flash.c、memsetup.s和u-boot.lds等文件。不需要从零开始创建，只需选择一个相似的目录(smdk2410)直接复制过来，然后修改文件名及内容即可。我在移植u-boot过程中选择的是u-boot- 1.1.6/board/smdk2410目录。

3.4.2_1 修改makefile（/board/QQ2440/makefile）目标文件名

line28:COBJS := smdk2410.o flash.o

改为：

line28:COBJS := QQ2440.o flash.o //中间代码文件名

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

line126：＃define REFCNT 1113

改为：

line126：＃define REFCNT 0x4f4 //SDRAM的时钟频率不同

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

#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：直接在原来的基础上修改寄存器地址和相应的公式。

方案2：通过读取GSTATUS1的值来判断当前的SOC，并同时调用条件子程序。（推荐，过程略）

3.4.2_4 因为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，欲开flash容量，不可避免的要对flash.c文件做些小修改。（修改ID，shell输出信息，CFG_MAX_FLASH_BANKS等）

3.4.3在include/configs目录下添加QQ2440.h，在这里可放入全局的宏定义等也不需要从头创建，可以在include/configs目录下寻找相似的CPU的头文件进行复制，这里俺用的是smdk2410.h文件来进行相关的修改。

3.4.3_1修改/include/configs/QQ2440.h以调用3.4.2_4，这里直接把AM29LV400DB的参数改为AM29LV160的参数，并在flash.c中做相应的修改即可。

注意：在/include/flash.h中有相应的宏定义要修改；在/include/configs/QQ2440.h中有对CONFIG_AMD_LV400等一些具体参数(sector,ID,address)的设置

3.4.4 修改u-boot根目录下的makefile文件，加入对板子的申明。

Line1881:QQ2440_config : unconfig

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

对应关系： ARCH cpu开发板Vendor SOC

3.4.5 运行make clobber，删除错误的depend文件。

3.4.6 运行make QQ2440 config。

3.4.7 执行到此处即表示整个软件的makefile已建立，这时可修改生成的makefile中的交叉编译选项，然后打开makefile文件，并找到其中的语句：

Ifeq($ARCH),arm)

CROSS_COMPILE=arm-linux-endif

接着将其改成

Ifeq($ARCH),arm)

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

这一步和上面的设置环境变量只要有一个就可以了。

执行make，报告有一个错误，修改myboard/flash.c中的#include“../commond/flash.c”为“#u-boot/board/dave/common/flash.c”,重新编译即可通过。

４ 移植时的具体修改要点

若预先编译没有错误就可以开始硬件相关代码的移植，首先必须要对移植的硬件有清楚地了解，如CPU、CPU的控制寄存器及启动各阶段程序在Flash SDRAM中的布局等。

我在移植过程中先修改/include/config/my-board.h头文件中的大部分参数（大部分的宏定义都在这里设置），然后按照u-boot的启动流程逐步修改。修改时应熟悉ARM汇编语言和C语言，同时也应对u-boot启动流程代码有深入的了解。QQ2440板的CPU频率为400ＭＨｚ、Nor Flash为16Ｍｂｉｔ、SDRAM为64Mbit、串口波特率为115200bit/s、环境变量放在EEPROM中。根据两个开发板的不同，需要修改的有：CPU的频率、Flash和SDRAM容量的大小、环境变量的位置等。由于参考板已经有了大部分的代码，因此只需要针对my-board进行相应的修改就可以了。

与之相关的文件有

/include/config/myboard.h（大部分的宏定义都在这里设置）、

/board/myboard/flash.c Flash的驱动序　、

/board/myboard/myboard.c（SDRAM的驱动程序）、

/CPU/S3C2440/serial.c（串口的驱动使能部分）等。

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

将＃ｄｅｆｉｎｅＣＯＮＦＩＧ QQ2440 ＣＬＯＣＫＳＰＥＥＤ ７５改为

＃ｄｅｆｉｎｅＣＯＮＦＩＧ QQ2440 ＣＬＯＣＫ ＳＰＥＥＤ 400；

将#define PHYS SDRAM 1 SIZE 0x01000000 改为

#define PHYS SDRAM 1 SIZE 0x00800000；

将#define PHYS FLASH 1 SIZE 0x00400000改为

#define PHYS FLASH 1 SIZE 0x00200000；

将#define CFG MAX FLASH SECT 256改为

#define CFG MAX FLASH SECT 35 ；

将#define CFG ENV IS EEPROM 1 改为

#define CFG ENV IS IN FLASH 1

其它（如堆栈的大小等）可根据需要修改。

由于Flash、SDRAM的容量会发生变化，故应对启动阶段程序在Flash、SDRAM中的位置重新作出安排。笔者将Flash中的u-boot代码放在0x0开始的地方，而将复制到SDRAM中的u-boot代码安排在0xc700000开始的地方。

Flash的修改不仅和容量有关，还和具体型号有关，Flash存储器的烧写和擦除一般不具有通用性，应查看厂家的使用说明书，针对不同型号的存储器作出相应的修改。修改过程中，需要了解Flash擦写特定寄存器的写入地址、数据命令以及扇区的大小和位置，以便进行正确的设置。

SDRAM要修改的地方主要是初始化内存控制器部分，由start.s文件中的 cpuinitcrit完成CPUcache的设置，并由board/myboard/memsetup.s中的memsetup完成初始化SDRAM。 QQ2440提供有SDRAM控制器，与一些CPU需要UPM表编程相比，它只需进行相关寄存器的设置修改即可，因而降低了开发的难度。

串口波特率不需要修改（都是115200bit/s），直接用QQ2440板的串口驱动即可。串口的设置主要包括初始化串口部分，值得注意的是：串口的波特率与时钟MCLK有很大关系，详见CPU用户手册。

配置好以后，便可以重新编译u-boot代码。将得到的u-boot.bin通过JTAG口下载到目标板后，如果能从串口输出正确的启动信息，就表明移植基本成功。实际过程中会由于考虑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驱动等），在此基础上添加功能相对比较容易。

５ 结束语

u-boot是一个功能强大的bootloader开发软件，适用的cpu平台及支持的嵌入式操作系统很多。本文是笔者在实际开发过程中根据相关资料进行摸索，并在成功移植了u-boot的基础上总结出来的。对于不同的ＣＰＵ和开发板，其基本的方法和步骤是相同的，希望能对相关嵌入式系统的设计人员有所帮助