作 者：■ 北京理工大學 曾宏安 齊 堯 中國科技大學 焦振強 殷洪軍
引 言：
本文以U-BOOT爲例，介紹瞭如何在ARM9開發板上移植BootLoader的過程。LH7A400學習板是旋極公司推出的一款高性能嵌入式開發板，其採用的處理器LH7A400是Sharp公司生產的一款基於ARM922T內核的32位RISC芯片。該芯片集成了高性能的32位RISC處理器核ARM922T(運算速度200MHz，總線速度100MHz) ，能使處理速度達到每秒220百萬條指令(MIPS)，能耗爲1.33mW/MIPS，可以在低電壓狀態下工作(核心1.8V，輸入/輸出3.3 V)，片內帶有鎖相迴路(PLL)和低能耗核心。此外該芯片還包括: 16KB 高速緩存(Cache)， 存儲器管理單元(MMU)， 80KB 靜態存儲器(SRAM)， 彩色液晶顯示控制器(LCD)， 直接存儲控制器(10通道DMA)， 異步串行口控制器(UART)， 同步串行口控制器(SSP)， PCMCIA控制器， AC97聲音控制器， 智能卡控制器， 多媒體卡控制器， 電池控制器， USB控制器和時鐘/供電管理器。值得一提的是，LH7A400是一款寬溫芯片，其工作溫度範圍爲-40℃～+85℃(降低時鐘頻率)，可廣泛應用於無線手持設備、智能電話、PDA、家庭娛樂控制器、PocketPC及各種工控設備。
該學習板還包括如下硬件：由2片16位Flash (32MB)和2片16位的SDRAM(64M)構成32位寬的高速存儲器結構；10/100M自適應網絡芯片DM9000；Sharp 3.5’TFT LCD彩屏；觸摸屏；USB Host/Device；CF卡插槽；全功能JTAG接口等。
1 U-BOOT簡介
U-BOOT是由德國的工程師Wolfgang Denk從8XXROM代碼發展而來的，它支持很多處理器，比如PowerPC、ARM、MIPS和x86。目前，U-BOOT源代碼在sourceforge網站的社區服務器中，Internet上有一羣自由開發人員對其進行維護和開發，它的項目主頁是http://sourceforge.net/projects/U-BOOT。U-BOOT的最新版本源代碼可以在Sourceforge的CVS服務器中匿名獲得。
#cvs -d:pserver:[email protected]:/cvsroot/U-BOOT login
#cvs -z6 -d:pserver:[email protected]:/cvsroot/U-BOOT / co -P modulename
1.1 U-BOOT源代碼目錄結構
◆ board：和一些已有開發板有關的文件，比如Makefile和u-boot.lds等都和具體開發板的硬件和地址分配有關。
◆ common：與體系結構無關的文件，實現各種命令的C文件。
◆ cpu：CPU相關文件，其中的子目錄都是以U-BOOT所支持的CPU爲名，比如有子目錄arm926ejs、mips、mpc8260和nios等，每個特定的子目錄中都包括cpu.c和interrupt.c，start.S。其中cpu.c初始化CPU、設置指令Cache和數據Cache等；interrupt.c設置系統的各種中斷和異常，比如快速中斷、開關中斷、時鐘中斷、軟件中斷、預取中止和未定義指令等；start.S是U-BOOT啓動時執行的第一個文件，它主要是設置系統堆棧和工作方式，爲進入C程序奠定基礎。
◆ disk：disk驅動的分區處理代碼。
◆ doc：文檔。
◆ drivers：通用設備驅動程序，比如各種網卡、支持CFI的Flash、串口和USB總線等。
◆fs:支持文件系統的文件，U-BOOT現在支持cramfs、fat、fdos、jffs2和registerfs。
◆ include：頭文件，還有對各種硬件平臺支持的彙編文件，系統的配置文件和對文件系統支持的文件。
◆ net：與網絡有關的代碼，BOOTP協議、TFTP協議、RARP協議和NFS文件系統的實現。
◆ lib_arm：與ARM體系結構相關的代碼。
◆ tools：創建S-Record格式文件 和U-BOOT images的工具。
1.2 U-BOOT的特點
U-BOOT支持SCC/FEC以太網、OOTP/TFTP引導、IP和MAC的預置功能，這一點和其它BootLoader(如BLOB和RedBoot等)類似。但U-BOOT還具有一些特有的功能。
◆ 在線讀寫Flash、DOC、IDE、IIC、EEROM、RTC，其它的BootLoader根本不支持IDE和DOC的在線讀寫。
◆ 支持串行口kermit和S-record下載代碼，U-BOOT本身的工具可以把ELF32格式的可執行文件轉換成爲 S-record格式，直接從串口下載並執行。
◆ 識別二進制、ELF32、uImage格式的Image，對Linux引導有特別的支持。U-BOOT對Linux 內核進一步封裝爲uImage。封裝如下：
#{CROSS_COMPILE}-objcopy -O binary -R.note -R.comment -S vmlinux / linux.bin
#gzip -9 linux.bin
#tools/mkimage -A arm -O linux -T kernel -C gzip -a 0xc0008000 -e/
0xc0008000 -n “Linux-2.4.20” -d linux.bin.gz /tftpboot/uImage
即在Linux內核鏡像vmLinux前添加了一個特殊的頭，這個頭在include/image.h中定義，包括目標操作系統的種類(比如Linux，VxWorks等)、目標CPU的體系機構(比如ARM、PowerPC等)、映像文件壓縮類型(比如gzip、bzip2等)、加載地址、入口地址、映像名稱和映像的生成時間。當系統引導時，U-BOOT會對這個文件頭進行CRC校驗，如果正確，纔會跳到內核執行。如下所示：
WT-ARM9# bootm 0xc1000000
## Checking Image at 0xc100000 ...
Image Name: Linux-2.4.20
Created: 2004-07-02 22:10:11 UTC
Image Type: ARM Linux Kernel Image (gzip compressed)
Data Size: 550196 Bytes = 537 kB = 0 MB
Load Address: 0xc0008000
Entry Point: 0xc0008000
Verifying Checksum ... OK
Uncompressing Kernel Image ……… OK
◆ 單任務軟件運行環境。U-BOOT可以動態加載和運行獨立的應用程序，這些獨立的應用程序可以利用U-BOOT控制檯的I/O函數、內存申請和中斷服務等。這些應用程序還可以在沒有操作系統的情況下運行，是測試硬件系統很好的工具。
◆ 監控(minitor)命令集：讀寫I/O，內存，寄存器、內存、外設測試功能等
◆ 腳本語言支持(類似BASH腳本)。利用U-BOOT中的autoscr命令，可以在U-BOOT中運行“腳本”。首先在文本文件中輸入需要執行的命令，然後用tools/mkimage封裝，然後下載到開發板上，用autoscr執行就可以了。
① 編輯如下的腳本example.script。
echo
echo Network Configuration:
echo ----------------------
echo Target:
printenv ipaddr hostname
echo
echo Server:
printenv serverip rootpath
echo
② 用tools/mkimage對腳本進行封裝。
# mkimage -A ARM -O linux -T script -C none -a 0 -e 0 -n "autoscr example script" -d example.script /tftpboot/example.img
Image Name: autoscr example script
Created: Wes Sep 8 01:15:02 2004
Image Type: ARM Linux Script (uncompressed)
Data Size: 157 Bytes = 0.15 kB = 0.00 MB
Load Address: 0x00000000
Entry Point: 0x00000000
Contents:
Image 0: 149 Bytes = 0 kB = 0 MB
③ 在U-BOOT中加載並執行這個腳本。
WT-ARM9# tftp 100000 /tftpboot/example.img
ARP broadcast 1
TFTP from server 10.0.0.2; our IP address is 10.0.0.99
Filename '/tftpboot/TQM860L/example.img'.
Load address: 0x100000
Loading: #
done
Bytes transferred = 221 (dd hex)
WT-ARM9# autoscr 100000
## Executing script at 00100000
Network Configuration:
----------------------
Target:
ipaddr=10.0.0.99
hostname=arm
Server:
serverip=10.0.0.2
rootpath=/nfsroot
WT-ARM9#
◆ 支持WatchDog、LCD logo和狀態指示功能等。如果系統支持splash screen，U-BOOT啓動時，會把這個圖像顯示到LCD上，給用戶更友好的感覺。
◆ 支持MTD和文件系統。U-BOOT作爲一種強大的BootLoader，它不僅支持MTD，而且可以在MTD基礎上實現多種文件系統，比如cramfs、fat和jffs2等。
◆ 支持中斷。由於傳統的BootLoader都分爲stage1和stage2，所以在stage2中添加中斷處理服務十分困難，比如BLOB；而U-BOOT是把兩個部分放到了一起，所以添加中斷服務程序就很方便。
◆ 詳細的開發文檔。由於大多數BootLoader都是開源項目，所以文檔都不是很充分。U-BOOT的維護人員意識到了這個問題，充分記錄了開發文檔，所以它的移植要比BLOB等缺少文檔的BootLoader方便。
2 對U-BOOT-1.1.0的修改
爲了使U-BOOT-1.1.0支持新的開發板，一種簡便的做法是在U-BOOT已經支持的開發板中選擇一種接近的進行修改。由於U-BOOT-1.10不支持ARM-922T內核，所以選擇基於ARM-920T內核的smdk2400爲模板。相關的源代碼在board/smdk2400/下。
2.1 支持ARM-922T內核的代碼修改
修改以下代碼，使U-BOOT支持arm-922t內核。
① 在include/目錄下新建文件arm922t.h，內容如下：
#ifndef __ARM922T_H__
#define __ARM922T_H__
#endif
② 在include/目錄下新建文件wt-arm9.h，該文件描述了ARM922T中Timer、UART等寄存器的結構及若干宏定義。具體內容要參考相關處理器手冊。
③ 在cpu/目錄下新建目錄arm922t，將目錄arm920t下的內容複製後，參考手冊分別修改cpu.c、interrupts.c和serial.c，其它文件不修改。
2.2 開發板的支持
建立自己開發板的目錄和相關文件。
① 在include/configs目錄中添加頭文件lh7a400.h。這個文件是lh7a400開發板的配置文件，它包括開發板的CPU、系統時鐘、RAM、Flash系統及其它相關的配置信息。其格式可參考include/configs/smdk2400.h。
② 在board/目錄下新建wt-arm9目錄，創建如下文件：flash.c、lhmemsetup.c、wt- arm9.c、Makefile和u-boot.lds。
◆ flash.c。U-BOOT 讀、寫和刪除Flash設備的源代碼文件。由於不同開發板中Flash存儲器的種類各不相同，所以，修改flash.c時需參考相應的Flash芯片手冊。它包括如下幾個函數：
unsigned long flash_init (void )，Flash初始化；
void flash_print_info (flash_info_t *info)，打印Flash信息；
int flash_erase (flash_info_t *info， int s_first， int s_last)，Flash擦除；
volatile static int write_dword (flash_info_t *info， ulong dest， ulong data)，Flash寫入；
int write_buff (flash_info_t *info， uchar *src， ulong addr， ulong cnt)，從內存複製數據。
◆ lhmemsetup.c。初始化時鐘、SMC控制器和SDRAM控制器。
◆ wt-arm9.c。設置各種總線時鐘，打開數據Cache和指令Cache，並設置相關內存參數。
◆ Makefile。直接拷貝board/smdk2400/Makefile，作如下修改：
OBJS ：= wt-arm9.o flash.o lhmemsetup.o
◆ u-boot.lds。設置U-BOOT中各個目標文件的連接地址，直接拷貝 board/smdk2400/u-boot.lds，作如下修改：
.text
{
cpu/arm922t/start.o (.text)
*(.text)
}
2.3 添加網口設備控制程序
在drivers/目錄中添加網口設備控制程序dm9000.c 和dm9000.h，其中dm9000.c 主要包括以下函數：
int eth_init (bd_t *bd)，初始化網絡設備；
void eth_halt (void)，關閉網絡設備；
int eth_send (volatile void *packet，int len)，發送數據包；
int eth_rx (void) 接收數據包。
用中斷方式處理數據包的收發，因此還定義了另外兩個函數：
void InitInterrupt (void) ，中斷初始化；
void dm9000_irq (void) ，中斷處理。
以上兩個函數在cpu/arm922t/interrupts.c中被調用，最後在drivers/Makefile中加入dm9000.o。
2.4 修改Makefile
在u-boot-1.1.0/Makefile中加入
lh7a400_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm922t wt-arm9
其中“arm”是CPU的種類， arm922t 是ARM CPU對應的代碼目錄，wt-arm9是自己開發板對應的目錄。
交叉編譯器安裝在/opt/arm/3.3/bin/目錄下，所以把CROSS_COMPILE設置成相應的路徑：
export CROSS_COMPILE = /opt/arm/3.3/bin/arm-elf-
2.5 生成目標文件
先運行make clean，
[zeng@localhost u-boot-1.1.0]$make clean
然後運行make lh7a400_config，
[zeng@localhost u-boot-1.1.0]$ make lh7a400_config
Configuring for lh7a400 board...
再運行make，
[zeng@localhost u-boot-1.1.0]$make
之後會生成三個文件：
u-boot——ELF格式的文件，可以被大多數Debug程序識別；
u-boot.bin——二進制bin文件，純粹的U-BOOT二進制執行代碼，不保存ELF格式和調試信息。這個文件一般用於燒錄到用戶開發板中；
u-boot.srec——Motorola S-Record格式，可以通過串行口下載到開發板中。
2.6 測 試
通過JTAG口將u-boot.bin燒寫到Flash的零地址，復位後執行u-boot。若運行正常，會從串口返回如下信息：
U-Boot 1.1.0 (Aug 21 2004 ?18:44:37)
U-BooT code: C3F80000 -> C3FA51A0 BSS: -> C3FA96EC
IRQ Stack: c3f1ff7c
FIQ Stack: c3f1ef7c
RAM Configuration:
Bank #0: c0000000 8 MB
Bank #1: c1000000 8 MB
……
Flash: 32 MB
In: serial
Out: serial
Err: serial
WT-ARM9 #
輸入help得到所有命令列表，help command 列出該命令的功能。緊接着測試Flash和網卡，如果都正常工作的話，表明移植U-BOOT的工作基本完成，可以接着調試內核和文件系統。
結 語
BootLoader是操作系統和硬件的樞紐，它爲操作系統內核的啓動提供了必要的條件和參數。在移植過程中，開發人員除了要掌握BootLoader的結構和工作流程外，還要對相關硬件有一定的瞭解。目前，筆者移植的U-BOOT已經能夠穩定地運行在開發板上，而且可以通過Flash和網絡加載內核和文件系統，爲後續開發，特別是驅動程序的開發奠定了良好的基礎。
參考文獻
1 杜春雷. ARM體系結構與編程. 北京:清華大學出版社，2003
2 LH7A400 Universal SOC Advance User’s Guide: SHARP Inc，2002
3 Karim Yaghmour. Building Embedded Linux System. O’Reilly， 2004