摘   要： 通過分析Uboot的文件結構及其啟動流程，詳細給出了Uboot在基于ARM920T開發板上的移植方案，包括編譯、調試全過程，最終能夠在Uboot命令方式下加載映像文件，完成Linux內核與yaffs映像文件的調試，具有Bootloader移植的通用性。
關鍵詞： Uboot; S3C2440; ARM920T; 引導過程; 啟動代碼

1 Uboot移植環境準備
1.1 移植平臺的硬件組成
　硬件平臺是ARM9的體系結構，ARM920T的CPU， SOC芯片是三星的S3C2440，支持Nand Flash與Nor Flash的可選啟動方式，其主要硬件資源如表1所示[1]。

　支持Nand Flash與Nor Flash啟動，可以通過跳線來選擇啟動方式。Nand Flash啟動時，最開始4 KB數據被硬拷貝到內部Boot Internal SRAM,且被映射到nGCS0的片選空間0x0000,0000—0x0800,0000；Nor Flash方式啟動時，它直接被映射到nGCS0的片選空間。所以，在Uboot移植時，要考慮將Uboot燒寫到Nor flash上還是Nand Flash上。
1.2 Uboot工作原理
    Uboot的整體結構如圖1所示。

　 從圖1可以看出，這種分層結構的Uboot分模塊化了，給移植帶來了很大的方便。由于協議層與應用層是與目標硬件無關的，因此移植工作主要集中在物理層和驅動層上面的修改。而Uboot支持串口下載、網絡下載，并提供了很多交互式命令。整個Uboot編譯、連接過程如下：
　 (1)創建編譯環境
    在MAKEFILE中會調用根目錄下的mkconfig文件，如下：
    MKCONFIG:= $(SRCTREE)/mkconfig
    qq2440v3_config:unconfig
     @$(MKCONFIG)$(@:_config=)arm ARM920T qq2440v3 NULL s3c24x0
    Mkconfig文件引用傳入的參數$1=qq2440v3、$2=arm、$3=arm920t、$4=qq2440v3、$5=NULL、$6=s3c24x0，流程如圖2所示。

    (2)編譯流程
　 編譯流程如圖3所示。

    最終生成內存映像圖文件U-boot.map和可執行二進制映像elf文件U-boot[2]，可以直接將生成的U-boot下載到SDRAM來單步調試。
2 Uboot的移植操作
2.1存儲器映射與存儲器重映射
    存儲器映射，實現了統一編址，方便了程序在32 bit尋址(4 GB尋址空間)的范圍內能夠尋址到任意的物理存儲區。
    S3C2440芯片不帶片內Flash，帶片內4  KB的SRAM，被映射到了0x4000_0000~0x4000_1000的地址空間,外部的SDRAM被映射到bank6,網卡被映射到bank3，Flash被映射到bank0。
    由于Uboot是上電后就運行，因此需要將代碼定位在Flash從0x0000_0000的上電入口處。為了提高系統加載速度并且實現在線編程功能,需要將整個Uboot從Flash中搬到RAM運行，即代碼從定位，將整個代碼定位到SDRAM的0x3300_0000之后,來作為其實際的運行地址，具體如圖4所示。

2.2 配置主機運行環境
    Uboot與Linux系統密切相關，筆者在RH Linux的虛擬機中搭建了整個運行環境，采用的是2.2.4的Linux內核，arm-linux-gcc-3.4.1的交叉編譯工具[3]，需要在/root/.bashrc文件中做一下交叉編譯工具路徑的聲明，即加上如下一句：
     export PATH=$PATH:/usr/local/arm/3.4.1/bin
     保存并退出，在終端下輸入“arm-linux-gcc-version”并回車，如果能看到輸出版本信息為3.4.1，則代表路徑設置正確，交叉編譯工具鏈已經成功安裝。
2.3 修改CPU相關代碼
    在調試Uboot時，如果每次都將二進制映像燒錄到Flash中，不僅需要等待，而且操作麻煩，本文是在調試階段將二進制映像直接燒錄到外部存儲器SDRAM中，然后直接從該處運行，這樣直接在內存中運行，可以很方便地完成Uboot調試。
    Uboot啟動的第一階段，從.\cpu\arm920t\start.s開始執行，依次完成關閉看門狗、關閉中斷、設置CPU分頻比、初始化SDRAM、代碼重定位、設置堆棧，最后跳轉到C函數的入口點。當在SDRAM中調試時，內存的初始化已經預先完成了,因此不需要初始化SDRAM和代碼重定位的功能。
    在.\include\configs\qq2430.h添加宏定義define CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT，就會跳過cpu_init_crit處的初始化SDRAM函數，代碼如下所示：
    #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
    cpu_init_crit:
    …
    當Uboot在SDRAM中運行時,代碼的入口地址_start與代碼在SDRAM中重定位的地址_TEXT_BASE相同，直接跳轉到堆棧初始化處stack_setup，跳過了代碼的Flash到RAM的搬運。代碼如下所示：
      adr    r0, _start        
         ldr    r1, _TEXT_BASE    
         cmp r0, r1                 
         beq  stack_setup
2.4 添加平臺相關代碼
    從匯編跳轉到C程序的入口點start_armboot時，即位于./Lib_arm/Board.c中的start_armboot函數，通過函數初始化數組來依次完成CPU(cpu_init)、板級(board_init)、中斷(interrupt_init)、環境變量(env_init)、串口(serial_init)、波特率(init_buardrate)、顯示(disp_banner)、Flash初始化(nand_init)，每個初始化后返回不為0的值，否則永遠在死循環中掛起，需要重新啟動開發板。
2.4.1 鎖相環時鐘的配置
    在smdk2410開發板的基礎上修改。在./board/qq2440v3下新建qq2440v3.c，并且將Uboot中的./board/smdk2410/smdk2410.c內容全部復制給qq2440v3.c。在include/configs下新建qq2440v3.h配置文件，同時將include/configs/smdk2410.h全部復制給qq2440v3.h。因為S3C2440與S3C2410的最高運行速率不一樣，系統時鐘設置也不一樣，即鎖相環配置有差異，因此內部總線的分頻比系數是不同的。S3C2440可運行于400 MHz，而S3C2410則是200 MHz，需要更改系統時鐘部分，使其增加對S3C2440的支持。
    鎖相環輸出的MPLL(fclk時鐘頻率寄存器)與UPLL(USB控制時鐘頻率寄存器)計算式如下：
    MPLL=(2*m*Fin)/(p*2^s)         /*鎖相環輸出fclk頻率
    UPLL=(m*Fin)/(p*2^s)      /*鎖相環輸出USB控制頻率
    m=M(the value for divider M)+8,p=P(the value for divider P)+2,s=S
    其中m、p、s為鎖相環的預置值，控制輸出頻率, Fin為晶振頻率12 MHz。通過下面的宏定義分別給M、P、S賦值0x5c、0x01、0x01就能輕松完成時鐘配置。
    #define S3C2440_MPLL_400 MHz ((0x5c<<12)|(0x01<<4)|(0x01))
    #define S3C2440_UPLL_48 MHz ((0x38<<12)|(0x02<<4)|(0x02))
    #define S3C2440_CLKDIV 0x05 /* FCLK:HCLK:PCLK= 1:4:8, UCLK = UPLL
2.4.2 串口的配置
    S3C2440帶有3個UART,用異步通用串口uart0與上位機通信。串口時鐘用pclk時鐘，即1/2 hclk時鐘，1/8 fclk時鐘（mpll時鐘），get_PCLK()函數返回pclk時鐘頻率。串口0工作于中斷模式，通過FIFO緩存收發，沒有校驗位，1位停止位，通過設置ULCON0寄存器與UFCON0來配置。為了提高數據傳送的可靠性，使用了錯誤接收中斷機制，能夠檢測溢出錯誤、奇偶校驗錯誤和幀錯誤，相關錯誤狀態保存在錯誤狀態寄存器UTRSTAT0的對應位中。
    串口的波特率用115 200 b/s，通過給波特率除數寄存器UBRDIV0賦值，能夠確定串行發送接收波特率。計算公式如下：
    UBRDIVn=(int) (UART clock/(buad rate*16))-1；
    其中UART clock為pclk時鐘，buard rate為115 200。
2.5 編譯并調試
    為了在內存中運行,先要把鏈接腳本文件./Board/qq2440v3/U-boot.lds中的程序初始化運行地址.=0x0000,0000改為.=0x3300,0000，以方便直接在RAM中運行。在終端控制臺中先進入Uboot的根目錄，然后執行命令make qq2440v3_config，通過make all來編譯和連接程序。編譯沒有錯誤的情況下，會在Uboot的根目錄下生成u-boot、u-boot.srec和u-boot.bin三個文件，分別對應于ELF格式、S-Record格式和二進制格式。
    直接使用JTAG燒寫二進制u-boot.bin到SDRAM的0x3300,0000處，燒寫完成之后，將pc的指針指向該處運行，會在串口終端上顯示板子的自檢信息，并給出提示符等待用戶輸入命令，如圖5所示。

3 Uboot從Flash中啟動
　 S3C2440既支持從Nor Flash中啟動，也支持從Nand Flash中啟動。Nor Flash的地址線與數據線分開，方便代碼存取且速度很快，上電復位時直接把Nor Flash映射到了0x0000,0000地址處。但是Nand Flash數據線與地址線復用，運行速度慢，為了提高Nand Flash啟動效率，S3C2440芯片加入了一個特殊機制,會在上電復位時，把Nand Flash前4 KB代碼硬拷貝到內部SRAM的4 KB空間，然后將SRAM的4 KB空間映射到0x0000,0000處，這樣直接在SRAM中啟動Uboot，節省了啟動時間。
3.1 從Nor Flash中運行
3.1.1添加Nor Flash驅動
　board/qq2440v3/Flash.c中的驅動只支持Nor Flash的AMDLV400和AMDLV800兩種芯片,不支持本文板子上的AM29LV160，更不支持Nand Flash，只能用CFI標準接口連接，在/drivers/cfiflash.c中定義了該接口標準下的讀寫函數的具體實現。要調用該驅動，應在配置頭文件/include/configs/qq2440v3.h中添加CFI的宏定義:
    #define CFG_FLASH_CFI_DRIVER 1
    并在board/qq2440v3/Makefile中去掉原來的Nor flash驅動的編譯，即:
    COBJS:= qq2440v3.o flash.o 變量中去掉flash.o的連接。
3.1.2 SDRam初始化并實現代碼從定位
    Uboot在Nor Flash中啟動后，在start.s階段除了要完成必要的寄存器設置外，還要完成SDRAM的初始化以及代碼從定位，即把Flash空間的Uboot映像搬運到SDRAM高地址空間中，然后在SDRAM中運行Uboot。可以直接從Nor Flash啟動Uboot，但從Nand Flash啟動要實現重定位，在這里就一起實現了。
    首先在.\include\configs\qq2430.h中去掉剛才添加宏定義define CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT，則會在start.s階段進入cpu_init_crit函數以完成I/D caches設置以及禁止MMU，隨后進入lowlevel_init完成內存寄存器組的設置，如SDRAM位寬、刷新率等的初始化工作。
    在.\include\configs\qq2430.h中去掉CONFIG_SKIP_
RELOCATE_UBOOT的宏定義,來完成整個代碼的重定位[5]。
     Uboot代碼區的長度為_bss_start-_armboot_start，其中_bss_start與_armboot_start變量保存的都是代碼段的起始地址與終止地址。_start+_bss_start-_armboot_start為代碼區結束的絕對地址，通過地址絕對尋址來復制代碼區的數據到內存中TEXT_BASE地址區域，其中TEXT_BASE在.\Board\QQ2440v3\Config.mk中被賦值，即TEXT_BASE=0x33000000，表示代碼重定位在SDRAM中的運行起始地址。
3.1.3 編譯并調試
    Uboot已經能夠成功在SDRAM中啟動運行了，為了能夠從Nor Flash中啟動，需要做如下工作。
    先要把鏈接腳本文件./Board/qq2440v3/U-boot.lds中的程序初始化運行地址.=0x3300,0000改為.=0x0000,0000，通過硬件開關選擇開機啟動方式為Nor Flash，完成Nor Flash映射到0地址處。然后在終端控制臺編譯連接，直到沒有錯誤。通過HJTAG燒錄進Nor Flash里面，開機運行后串口終端輸出界面如圖6所示。

3.2 從Nand Flash中運行
3.2.1添加Nand Flash驅動
    S3C2440支持從Nand Flash啟動，考慮到移植的通用性，對于沒有Nor Flash的板子，就需要從Nand Flash啟動。在.\drivers目錄下有兩種Nand的驅動，.\Nand和.\Nand_legacy兩種驅動可以選擇，其中.\Nand能夠自動識別很多型號的Nand Flash，并且是更新版本，因此選擇這種驅動。根據Nand.c中的
    #if(CONFIG_COMMANDS&CFG_CMD_NAND) && !defined(CFG_NAND_LEGACY)
    #include <nand.h>
    條件編譯選擇Nand驅動，首先在板級配置頭文件qq2440v3.h中的宏定義CONFIG_COMMAND中添加CFG_CMD_NAND，并且不定義CFG_NAND_LEGACY。在start_armboot()函數中會對外設逐一初始化，Nand初始化代碼如下：
    #ifdefined(CFG_MAX_NAND_DEVICE) nand_init;
    #endif
    需要在板級配置頭文件qq2440v3.h中宏定義CFG_MAX_NAND_DEVICE，因為smdk2410開發板不支持Nand Flash，因此需要自己來編寫Nand Flash驅動函數board_nand_init來被nand_init以及nand_init_chip調用，以完成Nand Flash的硬件初始化，包括使能Nand Flash控制器、初始化ECC、使能片選信號、設置時序等。
3.2.2添加cmd命令
    為了豐富Nand與網卡功能，還需要在配置文件中添加Nand與網卡相關命令來調用相關函數。在板級配置頭文件qq2440v3.h中的CONFIG_COMMANDS宏定義中以邏輯“或”的形式添加CFG_CMD_NAND與CFG_CMD_NET，這樣便可以通過命令方式實現Nand Flash的讀寫以及網絡下載功能。
    Uboot的網絡功能很強大，可以方便地通過TFTP引導或者是NFS引導內核映像或者文件系統到SDRAM，然后直接go到此處執行，在SDRAM中調試完成后，再將映像文件燒錄到Flash中，不僅調試方便，而且還節省下載時間。
3.2.3 編譯并調試
    編譯過程跟Nor Flash啟動一樣，最后串口輸出信息如圖7所示。

    此時，整個Uboot的移植就算完成了，由于支持串口跟網卡驅動，可以很方便地用這個Uboot來通過網卡下載內核映像與文件系統到Flash，通過串口輸出信息調試Uboot。
4 Uboot引導Linux內核
4.1 內核啟動參數的傳遞
    Uboot在引導內核啟動時,通過標記列表的方式向內核傳遞啟動參數。這些啟動參數預先以環境變量的方式保存在Flash中，在./Lib_arm/Board.c中的初始化環境變量函數env_init()初始化，下面的函數來實現向kernel跳轉。
    theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params); thekernel其實不是個函數,而是指向內核入口地址的指針，為0x30008000。這里把它強行轉化為帶三個參數的函數指針，會把三個參數保存到通用寄存器中,實現了向kernel傳遞信息的功能，R0賦值為0，R1賦值為機器號，R2賦值為啟動參數數據結構的首地址[6]。
   標記列表實際上是內存中的結構體組成的列表，在./Lib_arm/Armlinux.c中函數setup_start_tag()來創建標記列表。
4.2 tftp加載內核映像
　對于已經編譯好了的內核映像文件zImage，其格式是ELF的可執行文件，首先要把它轉化成U-boot格式的文件uImage，實際是添加了一個header定義，直接用tools目錄下的工具mkimage就可用實現，具體在終端中執行如下操作：
    ①arm-linux-objcopy -O binary -R .note -R .comment -S vmlinux linux.bin
　 ②gzip -9 linux.bin
    ③mkimage -A arm -O linux -T kernel -C gzip -a 0x30008000 -e 0x30008040 -n "Linux Kernel Image" -d linux.bin.gz uImage
    先從內核文件中提取二進制文件，然后壓縮，最后構造文件頭信息，包括名稱、大小、類型、CRC校驗碼等，添加的頭信息占用0x40大小空間。完成后下載內核映像uImage，如下操作：
    開啟主機tftp服務，將uImage放置tftp目錄下，然后啟動Uboot，運行tftp下載，镲除、燒寫Nand Flash，具體如圖8所示。

    最后燒寫文件系統映像，與燒寫內核映像一樣，先tftp下載到內存，然后再燒寫，不同類型的文件系統nand燒寫命令不一樣，本文用到的是yaffs文件類型，則通過Nand write.yaffs 0x30000000 0x1d0000 $(filesize)命令來燒寫。
    本文研究了Uboot在基于S3C2440系統上的移植，并且提出了可行性方案，通過邊搭建硬件環境邊調試Uboot，使Uboot在嵌入式系統板上正常運行，實現了串口通信、網口下載、Flash燒錄等功能，并且成功引導了Linux系統，為后續的系統驅動程序開發奠定了基礎，使得Uboot的移植具有開發的通用性。

參考文獻
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