基于S3C2440的U-Boot開機logo的設計與實現

袁 帥，楊 著，劉青山

（西南科技大學 計算科學與技術學院，四川 綿陽 621010）

隨著科技進步以及多媒體應用的推動下，LCD被廣泛應用到嵌入式相關產品中，從而提高用戶視覺體驗效果。本設計基于S3C2440處理器為硬件平臺，通過在U-Boot中的添加LCD驅動并實現開機logo功能，通過驗證表明，該設計可為開發者提供友好的調試信息，并為用戶提供友好的開機界面。

1 系統總體結構

系統采用S3C2440為主控處理器，該處理器是基于ARM920T的32位嵌入式微處理器，具有低功耗，高性能等特點，被廣泛應用于嵌入式設備中[1]。文中結合S3C2440處理器的特點，同時對U-Boot的體系結構、啟動流程進行深入分析，并根據LCD圖形顯示原理完成基于U-Boot的相關硬件設備驅動程序，最終實現基于S3C2440的U-Boot開機logo的設計與實現。

2 U-Boot分析

Bootloader是在操作系統啟動前運行的一段用于對硬件設備進行初始化的程序，該程序為內存空間建立映射圖，并為操作系統的啟動配置相關環境等工作。

2.1 U-Boot簡介

U-Boot（Universal Boot Loader）是由 DENX 小組開發的遵循GPL條款的開源程序，其主要工作包括對硬件設備初始化、操作系統代碼搬運等。同時，U-Boot還支持多種嵌入式操作系統以及多種類型的處理器，并具有較高的可靠性和穩定性，而且豐富的設備驅動程序以及開發文檔，強大的網絡技術支持等，為嵌入式軟件開發提高效率[2]。

2.2 U-Boot啟動分析

U-Boot通過兩個階段分別實現硬件設備初始化和操作系統的引導啟用功能。而系統啟動的入口點是通過在文件uboot.lds中指定，并在編譯過程中將入口點通知編譯器，通過文件中的ENTRY（_start）指出程序從_start開始運行，其具體指向的是start.o（即start.s生成的目標文件）文件。在系統加電后，根據指定地址取出第一條指令并運行，通過這種方式實現U-Boot的引導啟動。

第一階段的啟動代碼主要包含在start.s文件中，該階段首先對中斷向量表進行設置，將CPU模式置為管理模式（svc），關閉看門狗，設置時鐘頻率（對 FCLK，HCLK，PCLK三者之間的比例進行設置），設置寄存器等工作，如圖1所示；其次，為使系統獲得更快的執行速度，U-Boot會將自己從非易失性存儲器搬移到 RAM中執行啟動，如圖2所示；最后，分配堆棧空間，設置堆棧指針，清零BSS，并通過指令ldr pc，_start_armboot實現跳轉，從而完成U-Boot第一階段啟動工作。完成對處理器相關的初始化工作后，系統通過調用lib_arm/board.c中的start_armboot函數進入第二階段。該階段為U-Boot的主體部分，但為了提高程序的可讀性和可移植性，該階段的代碼通過C語言來完成對設備的進一步初始化工作，主要包括對Flash設備的初始化，內存分配，并對硬件設備進行初始化等任務。完成一系列初始化工作后，程序引導進入while主循環，等待用戶選擇系統啟動模式，如果用戶選擇進入下載模式，將接受從終端輸入的命令并執行，否則直接調用預先設置的環境參數bootcmd，根據設置的參數引導操作系統的啟動，流程如圖3所示。

圖1 U-Boot第一階段啟動流程Fig.1 The first stage of boot process for U-Boot

圖2 U-Boot內存分布圖Fig.2 U-Boot memory map

圖3 U-Boot第二階段啟動流程Fig.3 The second stage of boot process for U-Boot

3 U-Boot開機Logo實現

3.1 系統開發環境

系統采用32位的嵌入式RISC微處理器S3C2440，其主頻最高可達533 MHz，并擁有豐富的片上資源：4通道DMA，4通道脈寬調制定時器，8通道10位的A/D控制器及觸摸屏接口等。其中，處理器上的LCD控制器可用于傳輸視頻數據并產生必要的控制信號（如VFRAME、VLINE、VCLK、VM等），而視頻數據輸出是通過端口[1]VD[23:0]。

3.2 LCD控制原理

LCD能夠正常顯示圖像或文字信息，需要LCD驅動器和控制器兩者的支持。其中，LCD驅動器是以COF/COG的形式與LCD玻璃基板制作在一起；而LCD控制器[4]則是由外部電路來實現，通過LCD控制器就可以產生LCD驅動器所需要的控制信號，并利用這些控制信號來控制STN/TFT屏的顯示。

在S3C2440處理器內部已經集成有LCD控制器，其結構如圖4所示。該處理器主要由 REGBANK、LCDCDMA、TIMEGEN、VIDPRCS寄存器組成。其中，REGBANK寄存器由17個可編程的寄存器組以及一塊256×16的調色板內存組成，用于配置LCD控制器；LCDCDMA寄存器是一個專用的DMA，DMA通道主要實現視頻在不需要CPU的干預下直接顯示到LCD屏上；VIDPRCS寄存器用于接收從LCDCDMA中傳遞的視頻數據，并將數據轉換為合適的數據格式，最后通過數據輸出端口VD[23:0]將視頻數據傳送到LCD顯示屏；TIMEGEN寄存器由可編程的邏輯單元組成，用于生成LCD驅動器所需要的VSYNC、HSYNC、VCLK和 LEND等控制信號，而這些控制信號又與REGBANK寄存器組中的LCDCON1/2/3/4/5的配置密切相關，通過不同的配置，TIMEGEN就能產生不同的信號形態，從而實現對不同的LCD設備的支持[3-5]。

3.3 驅動開發

要實現基于U-Boot的開機logo，首先需要對不同的LCD顯示屏開發相應的驅動程序。根據U-Boot中文件管理方式，與顯示屏相關的驅動程序均放在目錄drivers/video/下，在該文件夾中添加本設計需要的驅動文件s3c2440_fb.c。在文件中通過調用函數void*video_hw_init（void）檢測系統顯示屏型號，并對檢測到的設備進行相關的初始化，包括通過環境變量獲取圖像顯示模式（videomode）、設置顯示模式、計算水平同步信號寬度 （HSYNCH）和垂直同步脈沖寬度（VSYNCH）、對圖像硬件設備所依賴的結構體進行初始化，以及設置BPP（圖像的每個像素值所需要的位數，bits_per_pixel）等，主要初始化過程及核心代碼如下：

圖4 S3C2440 LCD控制器結構Fig.4 S3C2440 LCD controller block diagram

1）計算 HSYNCH和VSYNCH：

2）硬件設備初始化

3）分辨率設置

3.4 模式設置

模式設置用于確定LCD分辨率及工作模式，根據對LCD屏的時序分析設置適當的時鐘信號，從而實現在固定的場、行周期內顯示完整畫面，使顯示分辨率達到最好效果；同時結合行、場同步信號時序，設置水平、垂直起始位置及顯示區域等信息，從而使LCD能正確顯示有效數據。因此，結合LCD數據手冊在文件videomodes.c中添加顯示模式選項：

其中 le、ri、up、lo、hs、vs分別根據硬件特性設置為 HBPD（horizontal back porch， 對 應 驅 動 中 的 left_margin）、HFPD（horizontal front porth， 對 應 驅 動 中 的 right_margin）、VBPD（vertical back porch， 對 應 驅 動 中 的 upper_margin）、VFBD（vertical front porch， 對 應 驅 動 中 的 lower_margin）、HSPW（horizontal sync pulse width，對應驅動中的 hsync_len）、VSPW（vertical sync pulse width，對應驅動中的 vsync_len）[6]。

3.5 功能測試

在U-Boot中實現硬件設備驅動以及相關的配置程序后，重新編譯U-Boot，并將生成的二進制文件下載到實驗平臺，上電后在顯示屏左上角可看到顯示的denx.bmp圖片，即實現基于U-Boot的開機logo功能。這里所使用的默認圖片位于路徑tools/logos/中，當需要采用其它圖片作為開機logo時，只需要將denx.bmp文件替換為需要的圖片并重新編譯即可。

4 結束語

通過在U-Boot添加開機logo方便開發者了解系統啟動過程，也為用戶提供友好的開機界面。同時，在需要對開機logo進行修改時，只需要對相應的圖片進行替換并編譯，不再使用其他的轉換工具對圖片進行處理，或重新配置相關的程序源文件，因此，方便開機logo的修改。

[1]宣言，曾連蓀.基于ARM的真彩LCD驅動程序設計[J].電腦知識與技術，2009，5（8）：2023-2025.XUAN Yan， ZENG Lian-sun.Based on ARM’s true color LCD driver design[J].Computer Knowledge and Technology，2009，5（8）：2023-2025.

[2]DENX.The DENX U-Boot and Linux Guide （DULG）for canyonlands[EB/OL]. （2010-10）[2010-10-1].http://www.denx.de/wiki/DULG/Manual.

[3]宮莉莉，趙勇.基于嵌入式Linux系統的LCD驅動實現[J].微計算機信息，2008，24（12-2）：1-3.GONG Li-li，ZHAO Yong.Implementation of LCD driver based on embedded Linux [J].Microcomputer Information，2008，24（12-2）：1-3.

[4]Samsung semiconductor. S3C2440A 32-Bit CMOS Microcontroller User’s Manual[EB/OL]. （2004）[2010-8-12].http://www.docin.com/p-24716747.htm l.

[5]黃勇亮.基于嵌入式S3C2440的船舶導航系統設計[J].微計算機信息，2008，24（4-2）：134-136，154.HUANG Yong-liang.Design of steamboat navigation system based on embest S3C2440 [J].Microcomputer Information，2008，24（4-2）：134-136，154.

[6]Innolux Display Corporation.LCD Module Specification[EB/OL]. （2007-05-11）[2010-9-5].http://www.elecfans.com/soft/softdown.asp?softid=13151.