Cortex-A8的Bootloader設(shè)計與實現(xiàn)※

葉茂，李智，任和

（四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，成都610064）

引 言

隨著電子行業(yè)日新月異的發(fā)展，ARM處理器憑借自身高性能、低成本、低功耗等特點，廣泛應(yīng)用于消費電子、數(shù)字家電、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中[1]。Cortex-A8為Cortex系列中的“A”系列，采用ARM v7架構(gòu)，主要面向搭載操作系統(tǒng)、高性能的應(yīng)用領(lǐng)域。Bootloader是系統(tǒng)上電后執(zhí)行的第一段代碼，其功能類似于電腦的BIOS[2]。簡單來說，Bootloader的工作主要有兩點：其一是初始化底層硬件資源，為操作系統(tǒng)啟動提供必要的環(huán)境；其二是從存儲設(shè)備中讀取操作系統(tǒng)鏡像并啟動[3-4]。但為了方便后期開發(fā)，往往要為Bootloader添加其他的功能，如支持串口打印調(diào)試信息、NFS網(wǎng)絡(luò)下載、根文件系統(tǒng)燒寫等[5]。本文以u-boot-2013.01為源碼包，設(shè)計了一個基于S5PV210平臺，功能齊全且高效穩(wěn)定的Bootloader。

1 硬件平臺

1.1 S5PV210簡介

S5PV210是三星公司推出的一款基于Cortex-A8架構(gòu)的高性能應(yīng)用處理器。該處理器支持ARM v7指令集，具有32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，主頻最高可達(dá)1 GHz，另外還支持掛接LPDDR1、LPDDR2和DDR2類型的RAM，F(xiàn)lash方面可選擇NAND Flash或NOR Flash等。不僅如此，該處理器還提供了包括串口、LCD、I2C、SPI、USB、HDMI等豐富的外部接口資源。目前S5PV210已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)和平板電腦之中。

1.2 S5PV210的啟動方式

S5PV210支持多種啟動方式，啟動流程如圖1所示。

圖1 S5PV210的啟動流程

S5PV210的啟動過程由BL0、BL1和BL2（BL為Bootloader的簡稱）3部分代碼實現(xiàn)，其中BL0在出廠時已經(jīng)被固化到64 KB的iROM中。S5PV210上電后首先執(zhí)行BL0，該段代碼主要負(fù)責(zé)一些簡單的初始化工作，如關(guān)看門狗、初始化ICache等；然后BL0會根據(jù)硬件設(shè)置判斷使用何種方式啟動，并將BL1從啟動設(shè)備（OneNand、Nand Flash、USB、UART、SD card等）拷貝到Internal SRAM的BL1區(qū)中；最后BL0會比較一個校驗值，如果相等則跳轉(zhuǎn)到BL1中繼續(xù)執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)入其他啟動方式。該校驗值存在于BL1的頭部，大小為16字節(jié)。

開發(fā)人員一般會單獨編寫一個工具為BL1編譯出的二進(jìn)制文件添加頭部。其校驗值（checksum）的計算方法如下：

由于BL1的大小被限制為16 KB，所以一般情況下BL1負(fù)責(zé)的工作也不多。BL1被執(zhí)行后首先初始化系統(tǒng)時鐘、內(nèi)存、串口等，然后將BL2代碼拷貝到Internal SRAM的BL2區(qū)中并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。實際上SRAM的BL2區(qū)的大小只有80 KB，但很多情況下BL2代碼的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過80 KB，所以將BL2代碼拷貝到SRAM中意義不大。更好的做法是直接將BL2拷貝到容量更大的內(nèi)存中，不過在拷貝之前一定要先初始化好系統(tǒng)時鐘和內(nèi)存。BL2是整個Bootloader的主體部分，因此它需要完成更多的初始化工作，例如初始化網(wǎng)卡、Flash等，之后BL2讀取操作系統(tǒng)鏡像到內(nèi)存中運行。一般把操作系統(tǒng)鏡像放到Flash上，也可以放到SD卡上，根據(jù)具體的開發(fā)平臺而定。

2 軟件平臺

2.1 U-Boot介紹

U-Boot（全稱 Universal Bootloader）是Bootloader的一種，其他常見的Bootloader還有RedBoot、vivi等。與它們相比，U-Boot具有代碼開源、可靠性和擴(kuò)展性較高等優(yōu)點。另外，對于類似于Nand Flash、Nor Flash、網(wǎng)卡、LCD等硬件資源，U-Boot已經(jīng)抽象出與硬件平臺無關(guān)的代碼作為設(shè)備驅(qū)動源碼提供給開發(fā)者。對于與硬件平臺相關(guān)的代碼，U-Boot將其定義成宏并保留在配置文件中，開發(fā)者往往只需要修改這些宏的值就能成功使用這些硬件資源，讓移植工作變得十分簡單。

2.2 U-Boot中幾個比較重要的源文件

U-Boot的源碼包含有上千個源文件，但經(jīng)過分析之后，可以找出如下幾個比較重要的源文件（括號中為該源文件所在源碼包的位置）：

（1）start.S（arch＼arm＼cpu＼armv7＼start.S）

通過分析U-Boot的鏈接文件可以發(fā)現(xiàn)，start.S是UBoot上電后執(zhí)行的第一個源文件。該源文件包括定義了異常向量入口、相關(guān)的全局變量、禁用L2緩存、關(guān)閉MMU等，之后跳轉(zhuǎn)到lowlevel＿init（）函數(shù)中繼續(xù)執(zhí)行。

（2）lowlevel＿init.S（board＼samsung＼smdkv210＼lowlevel＿init.S）

該源文件用匯編代碼編寫，其中只定義了一個函數(shù)lowlevel＿init（）。該函數(shù)實現(xiàn)對平臺硬件資源的一系列初始化過程，包括關(guān)看門狗、初始化系統(tǒng)時鐘、內(nèi)存和串口。

（3）mem＿setup.S（board＼samsung＼smdkv210）

該源文件包含對內(nèi)存進(jìn)行初始化的匯編源碼。

（4）board.c（arch＼arm＼lib＼board.c）

該源文件是用C語言編寫的，主要實現(xiàn)了U-Boot第二階段啟動過程，包括初始化環(huán)境變量、串口控制臺、Flash和打印調(diào)試信息等，最后調(diào)用main＿loop（）函數(shù)。

（5）smdkv210.h（include＼configs＼Smdkv210.h）

S5PV210平臺的配置文件，該源文件定義了一些與CPU或者外設(shè)相關(guān)的參數(shù)，這些參數(shù)都是用宏來定義的。

2.3 U-Boot啟動的一般流程

2.3.1 第一階段初始化

U-Boot的啟動過程分為兩個階段：第一階段主要由匯編代碼實現(xiàn)，負(fù)責(zé)對CPU及底層硬件資源的初始化；第二階段用C語言實現(xiàn)，負(fù)責(zé)使能Flash、網(wǎng)卡和引導(dǎo)操作系統(tǒng)等。第一階段啟動流程如圖2所示。

圖2 U-Boot第一階段啟動流程

上電后，U-Boot首先會設(shè)置CPU為管理模式、禁用L1緩存、關(guān)閉MMU和清除Caches，之后調(diào)用底層初始化函數(shù)lowlevel＿init（）。該函數(shù)實現(xiàn)略——編者注。

初始化完成之后，U-Boot首先調(diào)用一個拷貝函數(shù)將BL2拷貝到內(nèi)存地址為0x 3FF0 0000處，然后跳轉(zhuǎn)到該位置執(zhí)行BL2。在U-Boot中，BL1和BL2是基于相同的一些源文件編譯生成的。開發(fā)者在編寫代碼時需要使用預(yù)編譯宏CONFIG＿SPL＿BUILD來實現(xiàn)BL1和BL2不同的功能。其拷貝函數(shù)實現(xiàn)略——編者注。

2.3.2 第二階段初始化

進(jìn)入第二階段后，U-Boot首先聲明一個gd＿t結(jié)構(gòu)體類型的指針指向內(nèi)存地址（0x 4000 0000～GD＿SIZE）處。0x 4000 0000為內(nèi)存結(jié)束地址，GD＿SIZE為結(jié)構(gòu)體gd＿t的大小，這樣相當(dāng)于在內(nèi)存最頂端分配了一段空間用于存放一個臨時結(jié)構(gòu)體gd＿t。該結(jié)構(gòu)體在global＿data.h中被定義，U-Boot用它來存儲所有的全局變量。之后U-Boot會調(diào)用board＿init＿f（）和board＿init＿r（）兩個函數(shù)進(jìn)一步對底板進(jìn)行初始化。

（1）board＿init＿f（）

進(jìn)入board＿init＿f（）之后，U-Boot首先設(shè)置之前分配的臨時結(jié)構(gòu)體，然后開始劃分內(nèi)存空間，其內(nèi)存分配狀態(tài)如圖3所示。

圖3 U-Boot內(nèi)存分配狀態(tài)

從圖3中可以看到，gd指針指向的臨時結(jié)構(gòu)體存放在內(nèi)存的最頂部。BL2代碼存放在內(nèi)存地址0x 3ff0 0000處，即距離內(nèi)存頂部1 MB空間的位置，接下來依次分配malloc空間、bd＿t結(jié)構(gòu)體空間和gd＿t結(jié)構(gòu)體空間，并且重新設(shè)置棧，最后將臨時結(jié)構(gòu)體拷貝到ID指針?biāo)赶虻奈恢?。board＿init＿f（）實現(xiàn)過程略——編者注。

（2）board＿init＿r（）

board＿init＿r（）負(fù)責(zé)對其他硬件資源進(jìn)行初始化，如網(wǎng)卡、Flash、MMC、中斷等，最后調(diào)用 main＿loop（），等待用戶輸入命令。

3 設(shè)計實現(xiàn)

3.1 支持Nand Flash讀寫

Nand Flash是嵌入式系統(tǒng)中重要的存儲設(shè)備，存儲對象包括Bootloader、操作系統(tǒng)內(nèi)核、環(huán)境變量、根文件系統(tǒng)等，所以使能Nand Flash讀寫是U-Boot移植過程中必須完成的一個步驟。U-Boot中Nand Flash初始化函數(shù)調(diào)用關(guān)系為：board＿init＿r（）-＞nand＿init（）-＞nand＿init＿chip（）-＞board＿nand＿init（）。

board＿nand＿init（）完成兩件事：①對S5PV210關(guān)于Nand Flash控制器的相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置。②對nand＿chip結(jié)構(gòu)體進(jìn)行設(shè)置。需要設(shè)置的成員項有IO＿ADDR＿R和IO＿ADDR＿W，這兩個成員都指向地址0x B0E0 0010，即Nand Flash控制器的數(shù)據(jù)寄存器的地址。此外還需要實現(xiàn)以下3個成員函數(shù)：

①void（＊select＿chip）（struct mtd＿info＊mtd，int chip）；

該函數(shù)實現(xiàn)Nand Flash設(shè)備選中或取消選中。

②void（＊cmd＿ctrl）（struct mtd＿info ＊mtd，int dat，unsigned int ctrl）；

該函數(shù)實現(xiàn)對Nand Flash發(fā)送命令或者地址。

③int（＊dev＿ready）（struct mtd＿info＊mtd）；

該函數(shù)實現(xiàn)檢測Nand Flash設(shè)備狀態(tài)。最后將成員ecc.mode設(shè)置為NAND＿ECC＿SOFT，即ECC軟件校驗。

配置文件中相應(yīng)的宏定義略——編者注。

3.2 支持網(wǎng)卡

支持NFS或TFTP網(wǎng)絡(luò)下載會極大地方便從Linux服務(wù)器上下載文件或鏡像到硬件平臺上，所以使能網(wǎng)卡在U-Boot移植過程中就顯得非常重要。以網(wǎng)卡DM9000為例，U-Boot已經(jīng)抽象出一套完整的關(guān)于DM9000的驅(qū)動代碼（其源碼路徑為drivers＼net＼dm9000x.c），用戶只需要根據(jù)具體的硬件電路配置相應(yīng)的宏即可。U-Boot中DM9000網(wǎng)卡初始化函數(shù)的調(diào)用關(guān)系為：board＿init＿r（）-＞eth＿initialize（）-＞board＿eth＿init（）-＞dm9000＿initialize（）。

配置文件中相應(yīng)的宏定義略——編者注。

3.3 支持環(huán)境變量的保存和修改

為了方便用戶配置，U-Boot將一部分變量，如串口波特率、IP地址、內(nèi)核參數(shù)、啟動命令等存在Flash或SD卡上，這部分?jǐn)?shù)據(jù)稱為環(huán)境變量。每次上電啟動時，U-Boot會檢查Flash或SD卡上是否存放有環(huán)境變量。如果有則將其讀取出來并使用，如果沒有就使用默認(rèn)的環(huán)境變量。默認(rèn)的環(huán)境變量定義在env＿default.h中，用戶也可以隨時修改或保存環(huán)境變量到Flash或SD卡中。

環(huán)境變量的移植非常簡單。以Nand Flash為例，開發(fā)人員在smdkv210.h源文件中只需要添加如下的宏定義：

4 測試結(jié)果

4.1 測試U-Boot啟動

測試平臺的軟硬件環(huán)境：硬件平臺為友善之臂的smart210開發(fā)板；Linux服務(wù)器版本為ubuntu9.0；U-Boot版本為2013-01；GCC交叉編譯工具鏈版本為4.3.2。

首先將修改后的源碼包放到裝有交叉編譯工具鏈的Linux服務(wù)器上，輸入命令make即可以編譯生成兩個二進(jìn)制文件。一個是smdkv210-spl.bin，即BL1代碼，存放在spl目錄下；另一個是u-boot.bin，即BL2代碼，存放在頂層目錄下。然后插入SD卡，執(zhí)行write2sd.sh腳本就可以把BL1和BL2分別燒寫到SD卡的第1扇區(qū)和第49扇區(qū)。write2sd.sh腳本實現(xiàn)如下：

燒寫完成之后將SD卡插入到smart210開發(fā)板的SD卡槽中，連接好串口和網(wǎng)線，上電啟動。通過串口工具（本次測試使用的是SecureCRT）看到輸出信息，即表示該UBoot已經(jīng)成功運行在開發(fā)板上，測試U-Boot啟動圖略——編者注。

4.2 測試Nand Flash和網(wǎng)卡

在等待命令狀態(tài)下輸入“nfs 20000000 192.168.1.123：/work/nfs＿root/uImage”，該命令表示從IP為192.168.1.123的Linux服務(wù)器上，通過NFS下載該服務(wù)器上“/work/nfs＿root”目錄下的uImage，并存放在內(nèi)存地址為0x 2000 0000處，uImage為適配于S5PV210開發(fā)板的Linux內(nèi)核鏡像。等待一段時間后看到“Bytes transferred＝2127008（2074a0 hex）”字樣，表示下載成功。

下載成功之后輸入命令“nand erase.part kernel”，該命令表示擦除Nand Flash上的kernel分區(qū)。接著輸入命令“nand write 2000 0000 kernel”，該命令表示拷貝內(nèi)存地址為0x 2000 0000的內(nèi)容，燒寫到Nand Flash的kernel分區(qū)中。內(nèi)存地址0x 2000 0000存放的內(nèi)容正是之前從Linux服務(wù)器上下載下來的uImage。kernel保存在環(huán)境變量mtdparts中，kernel規(guī)定了該分區(qū)的起始地址和大小。執(zhí)行完這兩條命令后看到“4194304 bytes written：OK”字樣，表示系統(tǒng)內(nèi)核已經(jīng)成功燒寫到Nand Flash中，證明了Nand Flash和網(wǎng)卡均可以正常使用。其實驗結(jié)果略——編者注。

4.3 測試引導(dǎo)內(nèi)核啟動

燒寫完內(nèi)核之后執(zhí)行boot命令就可以啟動該內(nèi)核。boot命令實際上是執(zhí)行環(huán)境變量bootcmd中的一條語句，其內(nèi)容為“nand read 2000 0000 kernel；bootm 20000000”，該語句表示從Nand Flash的kernel分區(qū)中讀出內(nèi)核并存放在內(nèi)存地址為0x 2000 0000處，然后跳轉(zhuǎn)在該地址執(zhí)行內(nèi)核鏡像。啟動過程中可以看到串口打印出的信息，證明了該U-Boot已經(jīng)成功支持引導(dǎo)Linux操作系統(tǒng)。測試引導(dǎo)內(nèi)核啟動圖略——編者注。

結(jié) 語

本文首先從硬件和軟件兩個方面分析了S5PV210的特性及啟動方式，然后通過u-boot-2013.01源碼包詳細(xì)闡述了U-Boot啟動過程中的兩個階段，最后結(jié)合smart210開發(fā)板成功設(shè)計了一個基于SD卡啟動、多功能的Bootloader。測試結(jié)果表明，該Bootloader支持Nand Flash讀寫、NFS網(wǎng)絡(luò)下載、環(huán)境變量保存和修改等功能，為后期開發(fā)帶來了極大的便利。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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[3]梁超，楊峰，雷鵬，等.U-Boot SD卡啟動方式的移植分析與功能擴(kuò)展[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（20）：84-86，90.

[4]張健，周書林，朱文靜.基于硬件抽象層的Bootloader研究與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（8）：38-40.

[5]郭鋒，袁國良，王麗芳.嵌入式Linux引導(dǎo)加載程序分析與設(shè)計[J].信息技術(shù)，2011（11）：123-125.