基于S3C2440 嵌入式系統(tǒng)的U-Boot 移植

李鵬勃，靳伍銀

(蘭州理工大學機電工程學院，甘肅蘭州730050)

隨著計算機技術和微電子技術的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科領域內(nèi)都得到了廣泛的應用。嵌入式系統(tǒng)能夠根據(jù)應用的要求，將操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機硬件系統(tǒng)中，實現(xiàn)軟件與硬件一體化，而且嵌入式系統(tǒng)具有高實時性，吸引了越來越多的研究人員投入到嵌入式領域的研發(fā)工作中［1］。嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)工作主要分為:引導程序、內(nèi)核移植、文件系統(tǒng)、驅(qū)動開發(fā)4 個環(huán)節(jié)，其中引導程序是后面3 個環(huán)節(jié)的基礎，完成了底層硬件的初始化和存儲器等硬件的配置，因此引導程序的設計不但是嵌入式系統(tǒng)設計的難點，同時也是嵌入式系統(tǒng)運行的基本前提［2］。鑒于以上分析，作者在ARM9 S3C2440 開發(fā)平臺下，對U-Boot 進行移植分析。

1 ARM9 S3C2440 開發(fā)平臺

ARM9 S3C2440 提供了完整的底層軟件和嵌入式操作系統(tǒng)的支持及其應用界面。該系統(tǒng)開發(fā)板主要由S3C2440A 嵌入式微處理器、64 MB 的SDRAM、2 MB的NOR Flash (SST39VF160 或SST39VF1601)、128 MB 的NAND Flash、2 個標準串口、1 個擴充串口、2個以太網(wǎng)接口、2 個USB 接口、CAN 總線接口、SD卡接口、CF 卡接口、IDE 接口、JTAG 接口、VGA 接口、LCD 接口、攝像頭接口、時鐘電路和電源電路等組成［3］。此平臺不僅提供了完整的底層驅(qū)動，提供了Linux2.6.24 下各外圍接口的驅(qū)動，還提供通過圖形接口控制這個操作系統(tǒng)下各驅(qū)動的范例。

2 啟動方式

S3C2440 開發(fā)平臺選用的中央處理器為三星S3C2440A，主頻為400 MHz。S3C2440 支持兩種啟動模式:一種是從NAND FLASH 啟動;一種是從外部nGCS0RU 晶片選擇的NOR FLASH 啟動。啟動模式的選擇，主要是通過J21 (OM0)JUMP 來決定。如果J21 接上JUMP，從NAND FLASH 啟動;如果J21 不接JUMP，從NOR FLASH 啟動。在這兩種啟動模式下，各晶片選擇的存儲空間分配是不同的，這兩種啟動模式的存儲分配圖如圖1 所示。圖1 左邊部分是nGCS0 晶片選擇的NOR FLASH 啟動模式下的存儲分配關系，右邊部分是NAND FLASH 啟動模式下的存儲分配關系。

一般情況下，nGCS0 晶片選擇的空間在不同的啟動模式下，映射的晶片是不一樣的。由圖1 可知，在NAND FLASH 啟動模式下，內(nèi)部的4 kB BootSRAM 被映射到nGCS0 晶片選擇的空間;在NOR FLASH 啟動模式(非NAND FLASH 啟動模式)下，與nGCS0 相連的外部記憶體NOR FLASH 就被映射到nGCS0 晶片選 擇 的 空 間［4］。SDRAM 的 位 置 空 間 范 圍 為:0x30000000 ～0x34000000。

圖1 兩種啟動模式的存儲分配圖

CPU 執(zhí)行程序所訪問的地址都是虛擬地址，而后通過MMU 將該虛擬地址轉換為真正的物理地址才能讓CPU 真正地訪問到物理地址。

S3C2440 外部存儲器的實際物理地址存儲空間被分成bank0 至bank7 共8 個bank，每個bank 的大小為128 MB，NOR FLASH 接在bank0 上，SDRAM 接在bank6 或bank7 上。

進程有4 GB 的尋址空間，其中第一部分為“用戶空間”，用來映射其整個進程空間(0x0000 0000 ～0xBFFFFFFF)即3 GB 的虛擬地址;第二部分為“系統(tǒng)空間”，用來映射(0xC0000000 －0xFFFFFFFF)1 GB 的虛擬地址?？梢钥闯銮度胧较到y(tǒng)中每個進程的頁面目錄的第二部分是相同的，所以從進程的角度來看，每個進程有4 GB 的虛擬空間，較低的3 GB 是自己的用戶空間，最高的1 GB 則為與所有進程以及內(nèi)核共享的系統(tǒng)空間。

3 U-Boot 啟動流程

一個嵌入式系統(tǒng)從軟件的角度分析，通常劃分為4 個層次:(1)引導加載程序(包括固化在固件中的boot 代碼和BootLoader 兩大部分);(2)Linux 內(nèi)核;(3)文件系統(tǒng);(4)用戶應用程序。其中，引導加載程序是系統(tǒng)加電后運行的第一段軟件代碼。一般情況下，PC 機中的引導加載程序由BIOS (其本質(zhì)就是一段固件程序)和位于硬盤MBR 中的OS BootLoader一起組成，而在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像BIOS那樣的固件程序，因此整個系統(tǒng)的加載啟動任務就完全由BootLoader 來完成［5］。BootLoader 就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段程序，用于初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間的映射表、創(chuàng)建適當?shù)南到y(tǒng)軟硬件環(huán)境，以便為最終調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核做準備。U-Boot 作為BootLoader 的一種，可以方便地移植到其他硬件平臺上，其源碼也值得開發(fā)者研究學習。

3.1 U-Boot 啟動流程分析

BootLoader 啟動程序一般由匯編代碼和C 代碼兩部分組成，U-Boot 的啟動程序也不例外，其執(zhí)行過程也分為兩個階段［6］。第一階段是匯編部分，這部分程序與硬件聯(lián)系密切，要完成的工作包括:設置中斷異常向量表、初始化看門狗等硬件設備、配置存儲器、設置堆棧等，然后跳轉到C 語言程序的入口處。第二階段即C 代碼部分，這部分的主要任務是:初始化當前所處階段所需要的外部設備、配置SDRAM 空間、調(diào)用NAND FLASH 的API 函數(shù)，并將用戶程序代碼從NAND FLASH 存儲器中拷貝到SDRAM 中，最后跳轉到用戶程序的入口處［6］。啟動流程如圖2 所示。

圖2 U-Boot 啟動流程圖

3.2 stage1

從makefile 著手，定義交叉編譯器以及編譯UBoot 所需要的目標檔;然后，在開發(fā)平臺下配置Headers 檔案，為開發(fā)平臺定義設置選項或參數(shù);UBoot 啟動過程的起始程序碼start. S，其中包括設置異常變量、設置CPU 模式、設置記憶區(qū)的控制寄存器;從U-Boot 的鏈接文件U-Boot. ldr 來反向查找CPU 上電之前的第一個函數(shù)入口點，從而利用ldr 指令實現(xiàn)C 代碼位址的裝載。至此U-Boot 開始針對底層硬件進行相應的配置，主要包括:設置處理器模式;關閉開門狗;屏蔽所有中斷;清除I/D cache;關閉MMU;配置SDRAM 訪問時序;代碼自拷貝;為stage2 階段C 語言運行配置相應的段空間［7］。

3.3 stage2

調(diào)用一系列初始化函數(shù)，包括指定初始化函數(shù)列表、設置可用的Flash 區(qū)、初始化記憶體分配函數(shù)、NAND Flash 初始化、LCD 初始化、系統(tǒng)初始化等之后，初始化網(wǎng)絡設備，填寫IP、MAC 地址等，最后進入U-Boot 命令行。

4 U-Boot 移植以及添加U-Boot 命令

4.1 U-Boot 移植

配置好s3c-u-boot 編譯環(huán)境和cross4.0.3 軟件交叉編譯環(huán)境，根據(jù)開發(fā)板配置，開始U-Boot 移植工作。

(1)修改Makefile。將s3c-u-boot 復制到開發(fā)用的Linux 主機進行解壓，然后在s3c-u-boot 解壓目錄下對Makefile 進行修改［8］。

ifeq(MYM(ARCH)，arm)

CROSS _ COMPILE = /user/local/arm/4.0.3/bin/arm-linux-/* 指定交叉編譯器為arm-linux-* /

smdk2440_config :unconfig /* 建立2440 編譯選項格式* /

@MYM (MKCONFIG)MYM(@:_config = )arm s3c24xx smdk2440 samsung s3c2440

/* 添加新的配置選項* /

參考S3C2410 創(chuàng)建一個新目錄存放平臺相關的代碼，如下:

Board/Samsung/smdk2440/config. mk

Board/Samsung/smdk2440/ flash. c

Board/Samsung/smdk2440/ smdk2440_val. h

Board/Samsung/smdk2440/ smdk2440. c

Board/Samsung/smdk2440/lowlevel_init. S

Board/Samsung/smdk2440/u-boot. lds

include/configs/smdk2440. h

為CPU 創(chuàng)建一個新目錄s3c24xx 存放CPU 相關代碼:

Cpu/s3c24xx

(2)修改相應的程序碼。打開include/configs/smdk2440. h，先修改設置選項［9］，包括:CPU 類型、開發(fā)板型號、是否使用中斷、網(wǎng)卡、malloc 池大小、內(nèi)存大小等。

#define CONFIG_ARM920T /* CPU 類型* /

#define CONFIG_S3C2440

/* 開發(fā)板類型* /

#define CONFIG_ENABLE_MMU

/* 使用MMU* /

#undef CONFIG_USE_IRQ

/* 不使用中斷* /

#def ine CFG_MALLOC_LEN (CFG_ENV_SIZE +1024* 1024)/* malloc 池大小* /

#define CFG_GBL_DATA_SIZE 128

/* 數(shù)據(jù)段大小128 B* /

#define CONFIG_DRIVER_CS8900

/* 使用CS8900 網(wǎng)卡* /

#define CS8900_BASE 0x19000300

/* CS8900A 基地址* /

#define CONFIG_SERIAL1

/* 使用串口1 * /

#define CONFIG_BAUDRATE 115200

/* 波特率* /

#define CONFIG_ETHADDR 00:40:5c:26:0a:5b

/* 網(wǎng)卡物理地址* /

#define CONFIG_NETMASK 255.255.255.0

/* 掩碼* /

#define CONFIG_IPADDR 192.168.2.20

/* 開發(fā)板IP * /

#define CONFIG_SERVERIP 192.168.2.13

/* TFTP 服務器IP * /

#define PHYS_SDRAM_1 0x30000000

/* 內(nèi)存物理地址* /

#define PHYS_SDRAM_1_SIZE 0x04000000

/* 內(nèi)存大小64 MB * /

#define CFG_LOAD_ADDR 0x30000000

/* 默認的加載地址* /

再設置NAND FLASH 的一些參數(shù)，包括頁面大小、Column 地址、晶片的ID 號等［10］:

#if(CONFIG_COMMAND ＆ CFG_CMD_NAND)

#define CFG_NAND_BASE 0x4E000000

/* Nand Flash 控制器在SFR 中暫存器的起始地址* /

#define CFG_MAX_NAND_DEVICE 1

/* 支援Nand Flash 資料* /

#define SECTORSIZE 512

/* 1 頁的大小* /

#define NAND_BLOCK_MASK(NAND_SECTOR_SIZE-1)

/* 頁遮罩* /

#define ADDR_COLUMN 1

/* 一個位元組的Clumn 地址* /

#define ADDR_PAGE 3

/* 3 位元組的頁塊地址，A9A25* /

#define ADDR_COLUMN_PAGE 4

/* 總共4 位元組的頁塊地址* /

#define NAND_ChipID_UNKNOWN 0x00

/* 位置晶片的ID 號* /

#define NAND_MAX_FLOORS 1

#define NAND_MAX_CHIPS 1

/* Nand Flash 命令底層界面函數(shù)* /

#define WRITE_NAND_ COMMAND(d，adr){rNFCMD=d;}while(0)

#define WRITE_NAND_ ADDRESS(d，adr)do{rNADDR=d;}while(0)

#define WRITE_NAND (d，adr)do{rNFDATA =d;}while(0)

#define READ_NAND (adr)(rNFDATA)

#define NAND_WAIT_READY (nand){while(!(rNFSTAT＆(1 ＜＜0)));}

#define NAND_DISABLE_CE (nand){rNFCONF|= (1 ＜＜11);}

#define NAND_ENABLE_CE (nand){rNFCONF＆= ～(1 ＜＜11);}

最后在檔頭必須添加定義:

#define KINGFISH

加入所選用的NAND FLASH 晶片型號，在include/linux/mtd/nand_ids. h 文件中對如下結構體數(shù)值進行修改:

static struct nand_flash_dev nand_flash_ids［］={

……

{" Samsung K9F1208U08"，NAND_MFR_SAMSUNG，0x76，26，0，4，0x4000，0}，

……

}

再修改cpu/s3c24xx/nand. c，將int boot_nand =0修改為int boot_nand =1。另外，由于S3C2440 的時鐘主頻是400 MHz，而DMA-2440XP 提供的晶振是12 MHz［11］，因此在board/Samsung/smdk2440. _val. h 中應修改為:

#define MDIV_406 92

#define PDIV_406 1

#define SDIV_406 1

修改文件cpu/s3c24xx/serial. c 中的函數(shù)void serial_setbrg (void)，由于當輸入命令時，可能出現(xiàn)亂碼。這個除法實際上是整除，可能會使reg 不夠準確，因此加0.5 來彌補。

Reg=get_PCLK()/(16* gd-＞baudrate)-1 修改為Reg=get_PCLK()/(16* gd-＞baudrate+0.5)-1

(3)編譯測試。設置好后進行編譯，進入s3c-uboot 目錄進行下列操作;

#cd s3c-u-boot

#make smdk2440_config

/* 配置編譯平臺* /

#make

進行編譯，如果編譯成功，將在s3c-u-boot 目錄下生成u-boot、u-boot. bin 和u-boot. srec 3 個二進制文件。其中u-boot 是ELF 格式二進制文件，u-boot. bin是原始的二進制文件，u-boot. srec 是Motorola S-Record 格式文件。說明已經(jīng)建立好s3c2440 的U-BOOT編譯項。

4.2 添加U-Boot 命令

在U-Boot 中，添加命令能夠為用戶提供更好的交互功能。U-Boot 版本不同，處理命令的機制也將不同。U-Boot 的每一個命令都是通過config_cmd_all. h來進行定義的。config_cmd_default. h 中定義了U-Boot啟動后自動加載命令，應該是config_cmd_default. h的子集。

一般情況下，添加U-Boot 命令分3 步進行［12］:

(1)定義添加指令。在config_cmd_all. h 中，加入一個宏定義:#define CONFIG_CMD_XXX//XXX 可以指代任何用戶自定義的添加指令

(2)實現(xiàn)添加命令的操作函數(shù)。在common/下面加入一個命令的實現(xiàn)文件cmd_XXX. c，如下所示:

#include ＜common. h ＞

#if defined((CONFIG_CMD_XXX)

在U_BOOT_CMD 結構體中添加do_XXX，然后在common 目錄的Makefile 中加入一行代碼，使實現(xiàn)文件成為編繹的目標:

COBJS-MYM(CONFIG_CMD_XXX) + = cmd_XXX. o

(3)對CONFIG_COMMANDS 進行定義 在include/configs/MYM(board). h 文件中，加入一行宏定義代碼進行定義:

#define CONFIG_CMD_XXX

按照這3 步就可以添加新的U-Boot 命令。

5 結束語

主要對ARM9 S3C2440 系統(tǒng)中U-Boot 移植進行了研究，可以發(fā)現(xiàn):對U-Boot 移植需要針對具體的開發(fā)板和外圍電路，因此，普遍存在局限性問題，如代碼量大、移植不夠靈活等。所以需要針對自身的開發(fā)板進行深入分析，從而在后續(xù)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中靈活應用。

【1】范書瑞.ARM 處理器與C 語言開發(fā)應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

【2】JIN Fei，ZHAO Lianyu.Development and Implementation of a Bootloader Based on the Embedded Systems［C］//3rd International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation，ICMTMA 2011. Shanghai:Trans Tech Publications，2011:419 －422.

【3】張和君，張躍.基于GNU 嵌入式Bootloader 設計與開發(fā)［J］.計算機工程，2006，32(15):277 －279.

【4】蘭婧，朱怡安，袁磊. 基于PXA270 嵌入式系統(tǒng)的Bootloader 研究與實現(xiàn)［J］. 計算機工程與設計，2009，30(21):4881 －4883.

【5】MA Xuewen，ZHU Mingri，CHENG Xiaohui. Design and Realization of Bootloader in Embedded System［J］. Computer Engineering，2005，31(7):96 －97.

【6】田會峰.基于S3C2440 的Bootloader 設計與實現(xiàn)［J］.計算機應用，2010，29(7):29 －32.

【7】S3C2440 User's Manual ［CD］. Mini2440-DVD-image，2010.

【8】長高科技有限公司. S3C2440 嵌入式設計實務［OL］.www.dmatek.com.tw.

【9】張起貴，裴科.基于不同類型Flash-ROM 的Bootloader 設計［J］.計算機工程與應用，2007，43(33):112 －114.

【10】李彥中，李巖.基于LPC2210 的U-Boot 移植［J］. 計算機工程與設計，2008，28(2):274 －276.

【11】S3C2440 User's Manual ［CD］. Mini2440-DVD-image.2010.

【12】鄭國玲，李輝，武維.基于S3C2410 的U-Boot 的移植方法研究［J］. 計算機工程與設計，2009，30(24):643 －645.