基于ARM9的U-Boot自動識別啟動實現

解 霏，蔣大明

（北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044）

嵌入式Linux系統通常由引導裝載程序 （包括固化在固件中的 boot代碼和 BootLoader），Linux內核，文件系統，應用程序這4部分構成。引導裝載程序是系統加電后執行的第一段軟件代碼，在嵌入式系統中整個系統的加載啟動任務就完全由 BootLoader來完成[1]。BootLoader嚴重依賴硬件，需要根據不同的硬件配置進行移植。U-boot是德國DENX小組開發的多種嵌入式CPU的BootLoader程序，支持Linux VxWorks QNX等多種嵌入式系統。筆者通過對U-Boot啟動過程的分析并對其修改，使其支持自動識別啟動，并在基于S3C2440的硬件平臺驗證通過，同時正確引導Linux內核。

1 硬件平臺介紹

硬件平臺選用的是基于ARM9體系結構，ARM920T的CPU，SOC選用的是三星S3C2440A，同時支持Nor FLASH與Nand FLASH啟動。主要硬件資源如表1所示。

2 U-Boot啟動流程分析及簡介

2.1 U-Boot簡介

U-Boot全稱是Universal Bootloader，是遵循GPL條款的開放源碼項目。DENX軟件工程中心的Wolfgang Denk最早基于8xxROM的源碼創建了PCC-Boot工程，并不斷添加處理器的支持。后來Sysgo Gmbh把PPCBoot移植到ARM平臺上，創建了ARMBoot工程，然后以PPCBoot工程和ARMBoot工程為基礎，創建了U-Boot工程[2]。

表1 開發板硬件資源Tab.1 Hardware resource of platform

2.2 U-Boot啟動流程分析

U-Boot的啟動分為階段 1（stage1）和階段 2（stage2），階段1的代碼通常在start.S中，由匯編語言寫成。階段2的代碼通常用C語言來實現，可以實現復雜功能，階段2的代碼通常在lib_arm/board.c中。啟動流程如圖1所示。第1階段完成的工作包括，基本硬件初始化，屏蔽所有中斷源，關閉看門狗，設置CPU速度和時鐘頻率，RAM初始化等。設置堆棧指針，為階段2的C語言做好準備，拷貝階段2代碼到RAM，跳轉到階段2的C入口點。第2階段完成的工作包括，初始化本階段用到的硬件，檢測系統內存映射，加載內核映像與根文件系統映像，設置內核啟動參數，啟動內核[3]。

圖1 U-Boot啟動流程Fig.1 Flow chart of boot U-Boot

3 U-Boot的自動識別啟動實現

3.1 Nor FLASH與Nand FLASH啟動差異

基于S3C2440的開發板支持Nor FLASH和Nand FLASH這兩種啟動方式，不論從那種方式啟動，程序都是從0x00000000地址處開始執行的，不同的地方是地址映射不一樣。要使開發板上電后能自動識別啟動設備，需要根據2種FLASH啟動時的不同點加以區別。

當采用Nor FLASH這種啟動時，Nor FLASH被映射到nGCS0（0x00000000）中，S3C2440可以直接從 0x00000000運行。

當采用Nand FLASH這種啟動時，S3C2440的Nand FLASH控制器會自動把Nand FLASH中前4K數據被拷貝到S3C2440內部大小為4 k的 SRAM（Steppingstone）中，同時內部的SRAM被映射到nGCS0（0x00000000）和0x40000000～0x40001000地址空間。S3C2440從0x00000000開始執行[4]。

3.2 U-Boot自動識別啟動實現

S3C2440的啟動方式可以由引腳OM1與OM0決定，這2個引腳的邏輯電平是實現U-Boot自動識別啟動的關鍵。OM功能如表2所示。

表2OM功能Tab.2 Function of OM

當OM[1:0]=00時，S3C2440從 Nand FLASH啟動，其他情況則S3C2440從Nor FLASH啟動，所以可以通過檢測OM[1:0]的電平來判定S3C2440的啟動方式。寄存器rBWSCON的[2:1]位是由OM[1:0]電平狀態決定的，因此可以通過檢測寄存rBWSCON[2:1]的狀態來識別啟動方式。

筆者將AUTO_DETECT函數添加到start.S文件中，這個函數可以實現啟動位置的自動識別，識別為Nor FLASH啟動后，函數會自動跳轉到NOR_BOOT函數中，識別為Nand FLASH啟動后，函數則會跳轉到NAND_BOOT函數中，實現語句如下：

_TEXT_BASE存放的是編譯連接時U-Boot在SRAM中運行的基地址，由config.mk定義。函數首先檢測U-Boot是否在內存中運行，然后檢測寄存器rBWSCON[2:1]的值是否為0，為0時跳轉到NAND_BOOT函數，不為0時跳轉到NOR_BOOT函數。

調用NOR_BOOT時，由于Nor FLASH的結構特點，其支持片內運行可以直接從Nor FLASH中復制U-Boot到SRAM中，所以啟動函數較為簡單。實現語句如下：

_armboot_start為代碼段的起始地址，_bss_start為代碼段的末地址，兩者間的差值即為U-boot的大小，存放寄存器R2中，寄存器R0中存放的是當前代碼的地址。調用一個拷貝循環將U-Boot拷貝到RAM中。

調用NAND_BOOT時，Nand FLASH的讀寫需要用專門的驅動程序來控制，而驅動程序又比較復雜，采用C語言實現NAND_BOOT的核心功能要比匯編語言容易些[7]。NAND_BOOT函數中復制U-Boot到RAM這段核心代碼用C語言實現，其他部分匯編語言實現。鑒于篇幅有限本文只重點說明下U-Boot復制到RAM的實現過程。部分實現語句如下：

NAND_BOOT中調用的C語言函數為int nand_read_ll（unsigned char*buf， unsigned long start_addr， int size）， 這個函數在nand_read.c這個文件中。nand_read_ll函數的參數分別存放在R0，R1，R2這3個寄存器中，R0中存放目標地址，R1中存放源地址，R2中存放復制長度[5]。函數的執行過程如圖2所示。

圖2 nand_read_ll函數執行流程Fig.2 Execution flow chart of function nand_read_ll

4 U-Boot引導并啟動Linux內核

4.1 Linux內核的啟動參數設置

U-Boot最終要完成的任務是引導并成功啟動內核，內核啟動前需要正確設置內核的啟動參數，U-Boot與內核的交互式單向的，U-Boot需要將各類參數傳遞給內核。筆者引導的Linux內核為2.6.32.2，通過對Linux中Nand FLASH分區表分析，可以得出如下的啟動參數：

采用NFS方式掛載根文件系統。

UvBoot默認支持uImage格式的linux內核引導，而Linux2.6.32.2默認編譯生成zImage格式的linux內核[6]，利用mkimage這個 U-Boot自帶的工具處理下即可，uImage比zImage多一個大小為0x40的頭信息，里面包含CPU體系結構，操作系統，加載到內存的位置，在內存中入口點的位置及映像名等信息。

4.2 Linux內核的引導啟動

將編譯生成的u-boot.bin通過JTAG下載到FLASH的0地址處，通過tftp將uImage下載到Nand FLASH中，重啟開發板，若從串口打印出如下信息則說明U-Boot成功引導了linux內核。

圖3 串口打印信息Fig.3 Printed information of UART

5 結束語

BootLoader一直是嵌入式開發的熱門研究方向，U-Boot是一款十分優秀的開源BootLoader，對U-Boot的研究具有很大的實用價值。本文對于基于S3C2440硬件平臺的自動識別啟動原理進行了詳細的分析，并提出了實現方案，同時對linux內核的啟動參數做了簡要分析。編譯生成的u-boot.bin燒寫到Nor FLASH或者Nand FLASH均能穩定運行，這對進一步嵌入式系統開 發帶來了很大的便利。

[1]文全剛.ARM嵌入式技術原理與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2011.

[2]查婧.ARM9嵌入式系統設計及U-boot移植[D].西安:中科院西安光學精密機械研究所，2009.

[3]韋東山.嵌入式Linux應用開發完全手冊[M].北京:人民郵電出版社，2008.

[4]Samsung Electronics.S3C2440A 32-BIT CMOS MICROCONTROLLER USR`MANUAL[S].2004:195-197.

[5]楊水清.ARM嵌入式Linux系統開發技術詳解[M].北京:電子工業出版社，2008.

[6]高文輝，師奕兵，張偉.基于S3C2440的U-Boot雙啟動實現[J].測控技術，2012，31（2）:87-91.

GAO Wen-hui，SHI Yi-bing，ZHANG Wei.Implementation of double boot in U-Boot based on S3C2440[J].Measurement&Control Technology，2012，31（2）:87-91.

[7]吳玉香，周建香，郭建勛.U-Boot在S3C2410上的移植于功能擴展[J].計算機科學與工程，2010，31（4）:729-732.

WU Yu-xiang，ZHOU Jian-xiang，GUO Jian-xun.Porting and expansionofU-BootbasedonS3C2410[J].ComputerEngineering and Design，2010，31（4）:729-732.