一種U—Boot壓縮和自解壓實現(xiàn)方法

摘 要：本文闡述了PowerPC處理器平臺的U-Boot[1]壓縮和自解壓的實現(xiàn)方法，并在PowerPC 8245處理器上成功驗證。

關(guān)鍵詞：U-Boot；壓縮；自解壓；PowerPC

中圖分類號：TP332

U-Boot是Linux操作系統(tǒng)和PowerPC、ARM、MIPS架構(gòu)處理器使用的最為常見的一種非壓縮方式的Boot Loader，當(dāng)Boot中增加一些功能時，版本大小會變大。本文研究了一種實現(xiàn)方法，對U-Boot代碼做最小的修改即可實現(xiàn)U-Boot版本的壓縮和自解壓。

1 研究方法、手段

1.1 U-Boot啟動流程分析。U-Boot的源代碼中PowerPC體系結(jié)構(gòu)的CPU啟動代碼結(jié)構(gòu)基本一致（圖2去除（5）為U-Boot啟動流程）：（1）系統(tǒng)上電時基本初始化（MMU、Cache等初始化）；（2）第一階段C語言堆棧初始化（使用芯片cache、dpram等作為堆棧）；（3）執(zhí)行第一階段的第一個C函數(shù)cpu_init_f對CPU初始化；（4）執(zhí)行第一階段的第二個C函數(shù)board_init_f對外圍設(shè)備、內(nèi)存控制器等進行初始化，計算出U-Boot被拷貝到Ram中的位置。完成第二階段的C語言堆棧初始化、以及U-Boot將要使用的全局參數(shù)（圖1中的（6）bd_t與（7）id）的初始化；（5）執(zhí)行relocate_code匯編代碼，完成以下動作：1）設(shè)置第二階段C語言堆棧指針（使用ram做堆棧，圖1中（5）（8））；2）代碼從flash拷貝到ram；3）Cache操作；4）Got2表修正；5）跳轉(zhuǎn)到Ram中開始執(zhí)行；（6）執(zhí)行第二階段的C函數(shù)board_init_r，準(zhǔn)備進入Boot主循環(huán)。其中的一個重要的步驟trap_init，將內(nèi)存中的中斷/異常向量拷貝到ram中0地址。

U-Boot在不同啟動階段在FLASH/內(nèi)存中的位置如圖1所示：

圖1 不同啟動階段U-BOOT在FLASH/內(nèi)存中的位置

圖1（1）（2）顯示了非壓縮U-Boot在Flash中的位置，圖1（11）-（13）顯示了壓縮U-Boot及解壓代碼在Flash中的位置，圖1（3）-（10）顯示了U-Boot在內(nèi)存中的位置。

1.2 U-Boot壓縮實現(xiàn)原則。為了調(diào)試和編碼方便，壓縮U-Boot實現(xiàn)方案考慮以下三個方面：（1）未壓縮的U-Boot如果能正常啟動，就可以保證壓縮后能正常啟動；（2）盡量保證啟動過程與未壓縮時一致；（3）盡量少修改和添加代碼。

基于以上三點，結(jié)合1.1的分析及圖1，設(shè)計解壓縮方案如下：

保證現(xiàn)有U-Boot代碼基本不變，將其進行壓縮后，再與執(zhí)行解壓代碼編譯在一起形成最終放在FLASH/EEProm中的Boot。因此將壓縮后U-Boot分為兩部分（圖1（11）（12）（13））：

第一部分的解壓代碼（圖1（12），以下簡稱解壓代碼）將壓縮后的U-Boot（圖1（13），以下簡稱壓縮U-Boot）解壓到內(nèi)存中，因此解壓代碼必須完成內(nèi)存初始化。為了實現(xiàn)方便，解壓代碼將又由兩部分構(gòu)成，一部分直接來自于U-Boot，僅完成1.1節(jié)步驟一到步驟四（圖2虛線部分（1）-（4））；另一部分為新增代碼（圖2（5）），完成解壓算法，將壓縮U-Boot解壓到內(nèi)存并跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存中執(zhí)行。

第二部分為壓縮U-Boot，執(zhí)行CPU和外設(shè)初始化完成后的后續(xù)流程，由圖2（1）-（4）、（a）、（c）、（d）、（e）、（7）-（9）組成（壓縮U-Boot也包含（1）-（4）代碼，但永遠(yuǎn)不會被執(zhí)行到）。由圖2可以看出，壓縮U-Boot在U-Boot的基礎(chǔ)上簡單修改relocate_code函數(shù)即可。

圖2 U-Boot及壓縮后U-Boot啟動流程

1.3 壓縮U-Boot的編譯與啟動流程。最終的U-Boot代碼由兩次編譯完成，第一次編譯壓縮U-Boot，然后使用壓縮工具將其壓縮生成一個C文件；第二次編譯時將壓縮生成的C文件與解壓代碼一起編譯生成最終的壓縮U-Boot版本文件，圖3為整個Boot的生成過程。

圖3 代碼修改與編譯步驟

最終的U-Boot代碼執(zhí)行流程為圖2（1）-（5）、（a）、（c）-（e）、（7）-（9），解壓代碼與壓縮U-Boot有重疊，即圖2（1）-（4）。解壓代碼完全在Flash中執(zhí)行，壓縮U-Boot完全在內(nèi)存中執(zhí)行，并直接開始從圖2（6）relocate_code函數(shù)開始執(zhí)行，且壓縮U-Boot包含圖2（1）-（4）不被執(zhí)行。

1.4 修改U-Boot為壓縮U-Boot。從圖2可以看出，壓縮U-Boot與原始代碼基本一致，只是去掉了將代碼從flash拷貝到RAM的步驟（圖2（b））。壓縮U-Boot只需修改的文件為start.S，僅僅只需要把圖2（b）去掉，并作簡單的修改即可。

解壓代碼包含U-Boot的CPU初始化和外設(shè)初始化代碼，并在此基礎(chǔ)上增加圖2（5）的解壓縮代碼即可，基本上只包含lib_ppc目錄、cpu目錄、單板目錄、新增加lib_unpack目錄代碼。lib_ppc目錄的board.c源文件中的board_init_f（）函數(shù)，由于有計算圖1中間內(nèi)存中各個部分內(nèi)存地址的代碼，因此需要作出簡單的修改。

1.5 從第一部分代碼掉轉(zhuǎn)到第二部分代碼執(zhí)行。解壓代碼在FLASH中運行，壓縮U-Boot在RAM中運行，且從relocate_code函數(shù)開始執(zhí)行，因此解壓代碼必須知道第二部分代碼relocate_code函數(shù)的地址。在解壓代碼的board_init_f函數(shù)中的計算relocate_code函數(shù)的地址方式也比較簡單（參考圖1）：（1）board_init_f函數(shù)中會獲取總內(nèi)存的大小RAM_SIZE；（2）圖1中（2）未壓縮U-Boot是通過relocate_code函數(shù)拷貝到內(nèi)存中，而如果為圖1（12）（13）壓縮U-Boot，則由圖2（5）代碼將其解壓到內(nèi)存中，解壓到內(nèi)存的起始地址SECOND_ADDR將根據(jù)RAM_SIZE由壓縮U-Boot文件大小CODE_SIZE和壓縮U-Boot的bss段大小BSS_SIZE計算出：SECOND_ADDR = RAM_SIZE – CODE_SIZE –BSS_SIZE –SAFE_SPACE；（3）對于壓縮U-Boot，圖2（5）代碼在FLASH中執(zhí)行，而relocate_code代碼將直接在內(nèi)存中運行。relocate_code的地址SECONDARY_ADDR通過計算得出。計算方法如下：1）使用nm工具獲取壓縮U-Boot的relocate_code函數(shù)的地址RELOCATE_ADDR；2）第2步中計算出壓縮U-Boot在內(nèi)存中存放的首地址為SECOND_ADDR；3）TEXT_ADDR為壓縮U-Boot鏈接地址；4）第二部分代碼relocate_code函數(shù)在內(nèi)存中的實際物理地址為：SECOND_ADDR+（RELOCATE_ADDR–TEXT_ADDR）當(dāng)解壓代碼將壓縮U-Boot解壓到內(nèi)存后，直接跳轉(zhuǎn)到SECOND_ADDR+（RELOCATE_ADDR–TEXT_ADDR）執(zhí)行，這樣U-Boot就可以繼續(xù)往下啟動。

當(dāng)解壓代碼將壓縮U-Boot解壓到內(nèi)存后，直接跳轉(zhuǎn)到SECOND_ADDR+（RELOCATE_ADDR–TEXT_ADDR）執(zhí)行，這樣U-Boot就可以繼續(xù)往下啟動。

2 研究成果與應(yīng)用評價

該壓縮實現(xiàn)方案實測壓縮率為50%，使用更高壓縮率算法可以提高壓縮率。該方法對U-Boot的修改很小，在U-Boot能啟動的情況下，壓縮后U-Boot就可以正常解壓和啟動，啟動流程不變。

壓縮后的Boot版本大小更小，因此具有空間需求小、啟動速度快、減少生產(chǎn)燒結(jié)時間，提高設(shè)備生產(chǎn)效率的優(yōu)點。ARM、MIPS等其他架構(gòu)CPU實現(xiàn)方法類似，因此該壓縮方案對其他架構(gòu)的Boot壓縮所也具有很好的借鑒和參考價值。

參考文獻：

[1]U-Boot源代碼 http：//www.denx.de/wiki/U-Boot/SourceCode.

作者單位：中興通訊股份有限公司，南京 210012