uboot的介绍

uboot的介绍

1.1 uboot的介绍

Uboot是德国DENX小组的开发用于多种嵌入式CPU的bootloader程序, UBoot不仅仅支持嵌入式Linux系统的引导，当前，它还支持NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS嵌入式操作系统。UBoot除了支持PowerPC系列的处理器外，还能支持MIPS、 x86、ARM、NIOS、XScale等诸多常用系列的处理器。

1.2 uboot的体系结构

目录树

|--board
|--common
|--cpu
|--disk
|--doc
|--drivers
|--dtt
|--examples
|--fs
|--include
|--lib_arm
|--lib_generic
|--net
|--post
|--rtc
|--tools

1. board：和一些已有开发板有关的文件. 每一个开发板都以一个子目录出现在当前目录中，比如说: leopard2a子目录中存放与我们开发板相关的配置文件.
2. common：实现uboot命令行下支持的命令，每一条命令都对应一个文件。例如bootm命令对应就是cmd_bootm.c。
3. cpu：与特定CPU架构相关目录，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arm926ejs就是我们开发板上使用的cpu架构目录。
4. disk：对磁盘的支持。
5. doc：文档目录。Uboot有非常完善的文档，推荐大家参考阅读。
6. 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。
7. fs: 支持的文件系统，Uboot现在支持cramfs、fat、fdos、jffs2和registerfs。
8. include：Uboot使用的头文件，还有对各种硬件平台支持的汇编文件，系统的配置文件和对文件系统支持的文件。该目录下configs目录有与开 发板相关的配置头文件，如leopard2a.h。该目录下的asm目录有与CPU体系结构相关的头文件，asm对应的是asmarm.
9. lib_xxxx: 与体系结构相关的库文件。如与ARM相关的库放在lib_arm中。
10. net：与网络协议栈相关的代码，BOOTP协议、TFTP协议、RARP协议和NFS文件系统的实现。
11. tools：生成Uboot

的工具，如：mkimage, crc等等。

2、uboot的运行过程分析

2.1 启动模式介绍

大多数 Boot Loader 都包含两种不同的操作模式："启动加载"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，Boot Loader 的作用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的启动加载模式与下载工作模式的区别。

启 动加载（Boot loading）模式：这种模式也称为"自主"（Autonomous）模式。也即 Boot Loader 从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到 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，Boot Loader 显然必须工作在这种模式下。

下载（Downloading）模 式：在这种模式下，目标机上的 Boot Loader 将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机（Host）下载文件，比如：下载内核映像和根文件系统映像等。从主机下载的文件通常首先被 BootLoader 保存到目标机的 RAM 中，然后再被 BootLoader 写到目标机上的FLASH 类固态存储设备中。BootLoader 的这种模式通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用；此外，以后的系统更新也会使用 BootLoader 的这种工作模式。工作于这种模式下的 Boot Loader 通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。

UBoot这样功能强大的 Boot Loader 同时支持这两种工作模式，而且允许用户在这两种工作模式之间进行切换。

2.2 运行过程

大 多数bootloader都分为阶段1(stage1)和阶段2(stage2)两大部分，uboot也不例外。依赖于CPU体系结构的代码（如CPU初 始化代码等）通常都放在阶段1中且通常用汇编语言实现，而阶段2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。

U - Boot 编译后的代码定义一般不超过100kB ,并且这100 kB 又分成两个阶段来执行. 第一阶段的代码在start . s 中定义,大小不超过10 kB ,它包括从系统上电后在0x00000000 地址开始执行的部分. 这部分代码运行在Flash 中,它包括对arm926ejs的一些寄存器的初始化和将U - Boot 的第二阶段代码从Flash 拷贝到SDRAM 中. 除去第一阶段的代码,剩下的部分都是第二阶段的代码. 第二阶段的起始地址是在第一阶段代码中指定的,被复制到SDRAM后,就从第一阶段跳到这个入口地址开始执行剩余部分代码. 第二阶段主要是进行一些BSS 段设置,堆栈的初始化等工作,最后会跳转到main -loop 函数中,接受命令并进行命令处理. 图1 给出了U - Boot 的详细的运行过程包括对内核的设置、装载及调用过程。

• 系统复位进入u-boot stage l的入口点
• 硬件设备的初始化
• 为加载uboot stage 2准备ram空间
• 设置好堆栈
• 跳转到stage 2的C入口点
• 初始化本阶段要用到的设备
• 检查内存映射
• 将kernel映像和文件映像从flash中读到ram中
• 为内核设定启动参数
• 调用内核

      
2.3 本开发板的地址分布（leopard2a）

本目标板是RAM 16M， Flash 8M，具体空间如图所示：

1F12FFFF
Uboot
Uboot_env
Kernel
Rootfs
1F000000
1F020000
1F01FFFF
1F02FFFF
1F030000
1F130000
1F7EFFFF
Kernel
Rootfs
FLASH
SDRAM
0x00030000
0x00130000
0x00430000

可以根据变换后的分区结构，设置
uboot_addr,uboot_addr_end,kernel_addr,kernel_addr_end,rootfs_addr,rootfs_addr_end,
config_addr, config_addr_end等环境变量，调整bootloader。 

SDRAM的调整修改linux-2.4.20_mvl31/drivers/mtd/maps/physmap.c

2.4 运行代码分析

2.4.1 stage 1 

uboot的stage1代码通常放在start.s文件中，它用汇编语言写成，其主要代码包括定义入口，设置异常向量，设置cpu的模式和频率，配置内存区控制寄存器，安装uboot的栈空间，关闭看门狗等。由于本人对ram的汇编不太熟悉，所以这一部分不作具体分析。

2.4.2 stage 2

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uboot(armboot）的主函数，该函数主要完成如下操作：

2.4.2.1 调用一系列初始化函数

1. 指定初始函数表：
init_fnc_t *init_sequence[] = {
cpu_init, /* cpu的基本设置 */
board_init, /* 开发板的基本初始化 */
interrupt_init, /* 初始化中断 */
env_init, /* 初始化环境变量 */
init_baudrate, /* 初始化波特率 */
serial_init, /* 串口通讯初始化 */
console_init_f, /* 控制台初始化第一阶段 */
display_banner, /* 通知代码已经运行到该处 */
dram_init, /* 配制可用的内存区 */
display_dram_config,
#if defined(CONFIG_VCMA9) || defined (CONFIG_CMC_PU2)
checkboard,
#endif
NULL,
};

执行初始化函数的代码如下：
for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
       if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
         hang ();
       }
}

2. 配置可用的Flash区
flash_init ()

3. 初始化内存分配函数
mem_malloc_init()

4. nand flash初始化
#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_NAND)
puts ("NAND:");
nand_init();        /* go init the NAND */
#endif 

5. 初始化环境变量
env_relocate ();

6. 外围设备初始化
devices_init()

7. I2C总线初始化
i2c_init();

8. LCD初始化
drv_lcd_init();

9. VIDEO初始化
drv_video_init();

10. 键盘初始化
drv_keyboard_init();

11. 系统初始化
drv_system_init();

2.4.2.2 初始化网络设备

初始化相关网络设备，填写IP、MAC地址等。

1. 设置IP地址
gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");

2. 设置mac地址 
{
       int i;
       ulong reg;
       char *s, *e;
       uchar tmp[64];

       i = getenv_r ((uchar*)("ethaddr"), tmp, sizeof (tmp));
       s = (i > 0) ? (char*)tmp : NULL;

       for (reg = 0; reg < 6; ++reg) {
         gd->bd->bi_enetaddr[reg] = s ? simple_strtoul (s, &e, 16) : 0;
         if (s)
            s = (*e) ? e + 1 : e;
       }
}

2.4.2.3 进入主UBOOT 命令行

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。
for (;;) {
       main_loop ();
}}

3、uboot的移植和测试

3.1 移植的过程

① 在宿主机上建立交叉编译开发环境
② 修改cpu／arm926ejst目录中的文件内容，
主要包含cpu．C，start．S，interrupts．C以及seria1．C，speed．C等文件 
③ 在board目录下创建自己的目标板(开发板)目录leopard2a
在目录下创建leopard2a．C，flash．C，memsetup．S
以及Makefile，u-bot．1ds，config．mk文件
④ 在include／configs目录下创建leopard2a．h 
⑤ 打开u-bot目录下Makefile文件，加入如下两行：
leopard2a_config :    unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm926ejs leopard2a
⑥ 编译。运行命令：
1. make leopard2a_config
2. make
编译成功．生成基本的u—b00t．
⑦ 烧写．把编译成的u-bot．bin
至此移植u-bot过程结束．

3.2 移植主要修改的文件

移植u—boot到开发板上只需要修改和硬件相关的代码即可。这首先就联想到cpu目录下的启动代码，另外参考u—boot／readme文件可知其他还需要修改的主要文件有：

Makefile文件，和include目录下的目标板．h头文件(leopard2a．h)，board目录下的目标板．C文件(leopard2a．c)，flash．C文件，u-boot．1ds链接文件，以及cpu目录下的串口驱动文件。

具体修改如下：
① cpu／arm926ejst目录下

• start．S启动代码。

② board/leopard2a

• leopard2a．C文件。这个文件主要是SDRAM 的驱动程序，主要完成SDRAM 的UPM 表设置，上电初始化。暂时不改。
• flash．C文件。Flash的驱动程序就在此文件中。
• memsetup．S文件。
• config．mk文件．此文件用于设置程序链接的起始地址。
• u-boot．Ids文件。

③ include／configs目录下leopard2a．h文件．此文件是leopard2a目标板头文件，大多数寄存器参数是在这一文件中设置完成的．

3.3 uboot网络下载功能的添加和RAM调试

在commom/main.c 中的main_loop函数中添加tftp下载的函数，可以通过按钮触发下载rimage，kimage。
在烧录u-boot.bin之前，需要进行ram调试，保证uboot可以在EVB上正常运行。
先下載U-boot 到SDRAM上, 然後執行SDRAM 上的U-boot 程序, 以確認U-boot可以正常執行, Command 如下:
1. “tftp a00000 u-boot.bin” <= 下載程序到SDRAM
2. “go a00000” <= 從SDRAM 執行程序

如果U-boot 可以相容於目前的硬件, 5VT EVB 會重新正常啟動,要是不能正常啟動,表示U-boot 不相容於目前的硬件, 請更換新的u-boot。再重新測試, 直到被測試的U-boot可以正常啟動!