基于U-Boot的嵌入式系統(tǒng)雙啟動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧正維，鄧小武，2，鄧紹偉，2，李森林，2

（1.懷化學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 懷化 418008；

2.武陵山片區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)智能控制技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 懷化 418008）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代制造工藝和設(shè)計(jì)能力的不斷進(jìn)步和發(fā)展，硬件的集成度越來(lái)越高，使嵌入式系統(tǒng)在生產(chǎn)、生活中被廣泛采用。但隨之而來(lái)的是用戶需求也越來(lái)越高，為了充分發(fā)揮嵌入式設(shè)備的性能，需要一個(gè)強(qiáng)大的操作系統(tǒng)，而在操作系統(tǒng)運(yùn)行之前需要一段程序完成基本的初始化操作進(jìn)而啟動(dòng)操作系統(tǒng)，Boot Loader就是這段程序。此舉實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)從硬件啟動(dòng)到操作系統(tǒng)啟動(dòng)的過(guò)渡，它固化在硬件中，被認(rèn)為是嵌入式系統(tǒng)不可缺少的一部分，其作用類(lèi)似于PC上的BIOS和GRUB。但當(dāng)前嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的Boot Loader大多只支持一個(gè)操作系統(tǒng)的引導(dǎo)，大大限制了嵌入式設(shè)備的使用。

本文結(jié)合在ARM平臺(tái)上廣泛使用的U-Boot，詳細(xì)討論了嵌入式Boot Loader的整體架構(gòu)和運(yùn)行流程。闡述了系統(tǒng)主要硬件的原理和裸機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，包含系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置，CPU模式設(shè)置，內(nèi)存初始化，NAND FLASH配置和操作方法，WinCE和嵌入式Linux在ARM平臺(tái)下啟動(dòng)的實(shí)現(xiàn)原理和方法。最終實(shí)現(xiàn)了在ARM平臺(tái)上的雙啟動(dòng)Boot Loader。

1 系統(tǒng)的硬件平臺(tái)

本文使用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為友善之臂Mini6410開(kāi)發(fā)板，使用Samsung公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的S3C6410處理器，使用2片K4X1G163PC構(gòu)成256 M SDRAM，將K9GAG08U0E作為永久存儲(chǔ)器。

1.1 CPU

S3C6410基于ARM1176JZF-S內(nèi)核[1-2]，包括分立的16 kB指令和16 kB數(shù)據(jù)Cache，16 kB指令和數(shù)據(jù)TCM，及1個(gè)完全的MMU，用以處理虛擬存儲(chǔ)管理。S3C6410內(nèi)部有3個(gè)PLL，分別是APLL，MPLL和EPLL。APLL用于ARM時(shí)鐘操作，MPLL用于主時(shí)鐘操作，EPLL用于特殊用途。時(shí)鐘操作被分為三組：APLL產(chǎn)生ARM時(shí)鐘；MPLL產(chǎn)生主系統(tǒng)時(shí)鐘，用于操作AXI，AHB和APB總線；EPLL產(chǎn)生的時(shí)鐘主要用于外設(shè)IPS，對(duì)CPU的設(shè)置主要采用CPU模式、中斷和時(shí)鐘設(shè)置，Boot Loader和操作系統(tǒng)運(yùn)行在SVC模式，在U-Boot中無(wú)需中斷，時(shí)鐘的選擇根據(jù)應(yīng)用環(huán)境而定。

1.2 內(nèi)存

本系統(tǒng)選用兩片64 M×16 bit的Mobile DDR芯片，連接到S3C6410 SRAM控制器，工作頻率為133 MHz，在處理器內(nèi)部時(shí)鐘為533 MHz時(shí)，能夠接近最高使用效率。內(nèi)存的初始化主要是對(duì)SRAM控制器的初始化，具體的初始化步驟在S3C6410手冊(cè)上有詳細(xì)說(shuō)明[3]。具體流程如下：

（1）使SRAM控制器進(jìn)入配置模式；

（2）填寫(xiě)內(nèi)存芯片的時(shí)序參數(shù)，并開(kāi)始內(nèi)存芯片的初始化序列；

（3）配置完成后檢查狀態(tài)標(biāo)志位。

1.3 NAND FLASH

NAND FLASH作為嵌入式系統(tǒng)中廣泛使用的永久性存儲(chǔ)器[4]，具有容量大、改寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，但是由于NAND FLASH的設(shè)計(jì)原理，在操作時(shí)有自己獨(dú)特的要求：只能以頁(yè)為單位讀寫(xiě)，而且寫(xiě)時(shí)只能將1寫(xiě)為0。所以在寫(xiě)入前必須以塊為單位擦除。

S3C6410內(nèi)部包含一個(gè)NAND FLASH控制器，用戶只需配置好NAND FLASH的時(shí)序參數(shù)，NAND FLASH控制器即可自動(dòng)產(chǎn)生所需時(shí)序[5]。主要配置的時(shí)序?yàn)镃LE/ALE拉高到nWE拉低的等待時(shí)間，nWE為低的持續(xù)時(shí)間，nWE拉高后CLE/ALE繼續(xù)保持為高的時(shí)間。

1.4 存儲(chǔ)器規(guī)劃與分配

將NAND FLASH分為如下區(qū)域：Boot Loader，Linux_kernel，Linux_rootfs，WinCE等。通過(guò)外部跳線，NAND FLASH啟動(dòng)后，S3C6410將自動(dòng)加載前8 k內(nèi)容到S3C6410的內(nèi)部SRAM（Steppingstone）并開(kāi)始從地址0處運(yùn)行，最終加載并引導(dǎo)操作系統(tǒng)，如圖1（a）所示。

引導(dǎo)操作系統(tǒng)時(shí)需要用戶在控制臺(tái)中輸入命令選擇啟動(dòng)的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)將加載制定NAND FLASH中的內(nèi)容到內(nèi)存指定位置，圖1（b）為物理內(nèi)存使用規(guī)劃，該配置內(nèi)容將保存在開(kāi)發(fā)板配置文件$（board）.h中。

圖1 物理內(nèi)存和NAND FLASH劃分

2 U-Boot分析

U-Boot（Universal Boot Loader）是遵循 GPL協(xié)議的開(kāi)放源碼項(xiàng)目。具有系統(tǒng)引導(dǎo)、上電自檢、CRC32校驗(yàn)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、支持 NFS掛載、支持多種方式存儲(chǔ)等功能。在嵌入式領(lǐng)域被廣泛使用。

U-Boot屬于兩階段啟動(dòng)的Boot Loader，在第一階段由匯編語(yǔ)言完成，與處理器直接相關(guān)，完成CPU模式切換，禁止看門(mén)狗，初始化內(nèi)存控制器，設(shè)置堆棧，重定位U-Boot運(yùn)行位置等操作，最后跳轉(zhuǎn)到第二階段代碼運(yùn)行。第二階段代碼主要由C語(yǔ)言完成，與目標(biāo)板相關(guān)，主要完成所有設(shè)備的初始化工作，最后加載并啟動(dòng)操作系統(tǒng)，具體流程如圖2所示。

圖2 U-Boot流程

U-Boot目標(biāo)文件通過(guò)<$（board）/u-boot.lds>鏈接腳本控制，該文件定義了連接到目標(biāo)文件中各段的名稱(chēng)和位置，從該文件可以看出，U-Boot由<$（CPU）/start.o>文件開(kāi)始，start.o由start.S編譯生成，包含了U-Boot第一階段的主要代碼。第二階段代碼以<$（arch）/board.c>為入口。

U-Boot支持多種平臺(tái)，其驅(qū)動(dòng)程序代碼位于drivers文件夾下，各設(shè)備的板級(jí)配置信息由文件控制，是移植過(guò)程中需要修改的主要文件。

為提高軟件的復(fù)用性，系統(tǒng)將操作系統(tǒng)的引導(dǎo)函數(shù)作為獨(dú)立的U-Boot命令添加到U-Boot中，支持多種命令，其命令的實(shí)現(xiàn)代碼保存在Common中，以“cmd_”作為文件前綴，添加U_Boot命令時(shí)需使用U-Boot提供的U_BOOT_CMD宏聲明。

U_BOOT_CMD各參數(shù)的意義：

（1）Name：命令的名稱(chēng)，用于唯一區(qū)別命令，在U-Boot中如果命令的前綴不同，在終端可以直接輸入前綴執(zhí)行命令。

（2）Maxages：命令可以接收的最多的參數(shù)個(gè)數(shù)。

（3）Cmd：命令的實(shí)現(xiàn)函數(shù)，命令被執(zhí)行時(shí)，該函數(shù)被調(diào)用。

（4）Uasege：短的幫助信息，使用help時(shí)將打印該信息。

（5）Help：長(zhǎng)的幫助信息，使用help Cmd時(shí)打印該信息。

在添加完代碼后，還需在文件中添加相應(yīng)命令的目標(biāo)文件。

3 U-Boot雙系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

U-Boot要啟動(dòng)操作系統(tǒng)，必須首先完成必要硬件的初始化，設(shè)置好操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境后加載并啟動(dòng)操作系統(tǒng)。

3.1 硬件初始化代碼修改和配置

Mini6410使用三星公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的基于 ARM1176JZF-S內(nèi)核的S3C6410處理器[6]。為提高代碼復(fù)用度，減小移植難度，選用三星公司修改的U-Boot1.1.6版本，該版本支持與本開(kāi)發(fā)板類(lèi)似的SMDK6410，適當(dāng)修改后可以應(yīng)用在本開(kāi)發(fā)板上，可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的主要功能。

修改/Makefile：添加mini6410的編譯命令：

-CROSS_COMPILE= /usr/local/arm/4.2.2-eabi/usr/bin/arm

linux-

+ CROSS_COMPILE = arm-linux-

+ mini6410_nand_conf i g ： unconf i g

+@$（MKCONFIG）mini6410 arm s3c64xx mini6410 samsung

s3c6410 NAND ram256

復(fù)制參考板代碼：

board/samsung/smdk6410-> board/samsung/mini6410

include/conf i gs/smdk6410.h-> include/conf i g/mini6410.h

修改平臺(tái)相關(guān)代碼：

（1）Include/conf i gs/Mini6410.h

Mini6410.h包含了所有Mini6410開(kāi)發(fā)板的配置選項(xiàng)，如SDRAM的大小、位置，NAND FLASH的大小，串口的配置，網(wǎng)卡的型號(hào)，MAC地址，IP地址等信息，以及默認(rèn)的內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)等。

（2）CPU/s3c64xx/Start.s

Start.s是整個(gè)U-Boot的入口，包含了最基本的設(shè)置CPU模式的代碼，可調(diào)用內(nèi)存初始化函數(shù)、系統(tǒng)時(shí)鐘初始化函數(shù)、第二階段入口函數(shù)。本文件主要修改的內(nèi)容是去掉SMDK6410中包含的ONENAND初始化代碼。

（3）Board/Samsung/Mini6410/Mini6410.c

Mini6410.c包含了一些板級(jí)初始化代碼，包含網(wǎng)卡初始化函數(shù)的調(diào)用、LCD初始化函數(shù)調(diào)用代碼等，以及虛擬內(nèi)存地址到物理內(nèi)存地址的轉(zhuǎn)換函數(shù)。本文件主要修改的內(nèi)容是去掉SMDK6410中包含的CS8900網(wǎng)卡的初始化函數(shù)，添加了DM9000的初始化函數(shù)和USB下載功能的支持函數(shù)。

（4）Common/Main.c

Main.c包含了U-Boot接收并執(zhí)行命令的主循環(huán)函數(shù)man_loop（），本文件的代碼與體系無(wú)關(guān)，不用做其他修改。但為了提高U-Boot的可用性添加了菜單函數(shù)。

3.2 引導(dǎo)WinCE系統(tǒng)

Boot Loader引導(dǎo)WinCE需要完成以下操作：

（1）設(shè)置CPU為SVC模式。

（2）完成CPU，內(nèi)存控制器，系統(tǒng)時(shí)鐘，串口，Caches，TLBs的初始化。

（3）解壓WinCE內(nèi)核鏡像文件頭，檢查校驗(yàn)和，加載內(nèi)核到指定位置。

（4）跳轉(zhuǎn)之前禁用中斷和MMU。

解壓文件頭需要分析WinCE文件頭格式[7]，WinCE鏡像存在兩種格式，分別為nb0和bin。nb0是原始的二進(jìn)制鏡像，可以直接燒到FLASH/ROM中，它不包括頭，可以直接跳轉(zhuǎn)到其入口執(zhí)行，一般情況下采用nb0將內(nèi)核下載到設(shè)備的RAM中運(yùn)行。bin是一種二進(jìn)制鏡像格式，以片斷為單位組織數(shù)據(jù)，每個(gè)片斷都包括一個(gè)頭，頭中指定有起始地址、長(zhǎng)度、校驗(yàn)值。Platform Builder將WinCE內(nèi)核所有文件以bin格式合并成一個(gè)文件，默認(rèn)文件名為nk.bin。Boot Loader需要將nk.bin分解成多個(gè)文件放到RAM中。

啟動(dòng)WinCE操作系統(tǒng)只需要完成必要的硬件初始化，設(shè)置好WinCE系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，然后讀取并校驗(yàn)WinCE鏡像文件，由鏡像文件頭部獲取WinCE的加載地址，并將WinCE保存到指定的位置后，跳轉(zhuǎn)到其開(kāi)始地址，就可以成功引導(dǎo)WinCE操作系統(tǒng)，如圖3所示。

3.3 引導(dǎo)Linux系統(tǒng)

Boot Loader引導(dǎo)Linux內(nèi)核需要完成以下操作：（1）設(shè)置CPU為SVC模式。

（2）完成CPU，內(nèi)存控制器，系統(tǒng)時(shí)鐘，串口，Caches，TLBs的初始化。

（3）加載Linux內(nèi)核鏡像文件到內(nèi)存指定位置。

（4）設(shè)置Linux內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)并跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核。

圖3 啟動(dòng)WinCE

通過(guò)Boot Loader啟動(dòng)內(nèi)核要傳遞三個(gè)參數(shù)：將第一個(gè)參數(shù)放在寄存器0中，一般r0=0；第二個(gè)參數(shù)放在寄存器1中，是機(jī)器類(lèi)型ID；第三個(gè)參數(shù)放在寄存器2中，是啟動(dòng)參數(shù)標(biāo)記列表（TaggedList）在RAM中的起始基地址。

其中機(jī)器ID定義在文件，內(nèi)核用機(jī)器ID檢查是否支持當(dāng)前平臺(tái)；TaggedList是Boot Loader傳遞給內(nèi)核的主要參數(shù)，包含系統(tǒng)的根設(shè)備標(biāo)志，頁(yè)面大小，內(nèi)存的起始地址和大小，RAMDISK的起始地址和大小，壓縮的RAMDISK根文件系統(tǒng)的起始地址和大小，內(nèi)核命令參數(shù)等。內(nèi)核參數(shù)鏈表的格式和說(shuō)明可以從內(nèi)核源代碼目錄樹(shù)的中找到，參數(shù)鏈表必須以ATAG_CORE開(kāi)始，以ATAG_NONE結(jié)束。這里的ATAG_CORE，ATAG_NONE是各參數(shù)的標(biāo)記，是一個(gè)32位值，例如：ATAG_CORE=0x54410001。其他參數(shù)標(biāo)記還包 括ATAG_MEM32，ATAG_INITRD，ATAG_RAMDISK，ATAG_COMDLINE等。每個(gè)參數(shù)標(biāo)記就代表一個(gè)參數(shù)結(jié)構(gòu)體，由各參數(shù)結(jié)構(gòu)體構(gòu)成參數(shù)列表。內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)將解析該參數(shù)表，用于內(nèi)核啟動(dòng)的配置。

Linux內(nèi)核的引導(dǎo)只需要完成必要的硬件初始化操作，設(shè)置運(yùn)行環(huán)境后，讀取Linux內(nèi)核到預(yù)先規(guī)劃好的位置；設(shè)置好TaggedList后，將TaggedList，MachID，內(nèi)存參數(shù)，文件系統(tǒng)位置等信息傳遞給Linux內(nèi)核后就能完成Linux內(nèi)核的引導(dǎo)，如圖4所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以三星S3C6410為處理器的Mini6410開(kāi)發(fā)板為硬件平臺(tái)，以U-Boot為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)嵌入式設(shè)備上使用一個(gè)Boot Loader 引導(dǎo)多個(gè)操作系統(tǒng)的目的。本文將系統(tǒng)啟動(dòng)的代碼實(shí)現(xiàn)為一個(gè)獨(dú)立的函數(shù)，有利于降低項(xiàng)目代碼的耦合性，方便后續(xù)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。