第七章-BootLoader实例剖析

第七章BootLoader实例剖析

7.1 BootLoader概述

BootLoader：引导加载程序，就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

BootLoader包括固化在固件(firmware)中的boot 代码(可选)和外部的BootLoader 两大部分。大多数BootLoader 都包含两种不同的操作模式："启动加载"模式和"下载"模式，这种区别仅对于开发人员才有意义。但从最终用户的角度看，Boot Loader 的作用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的启动加载模式与下载工作模式的区别。

启动加载（Boot loading）模式：这种模式也称为"自主"（Autonomous）模式。也即Boot Loader 从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM 中运行，整个过程并没有用户的介入。这种模式是Boot Loader 的正常工作模式，因此在嵌入式产品发布的时侯，Boot Loader 显然必须工作在这种模式下。

下载（Downloading）模式：在这种模式下，目标机上的BootLoader 将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机（Host）下载文件，比如：下载内核映像和根文件系统映像等。从主机下载的文件通常首先被BootLoader 保存到目标机的RAM 中，然后再被Boot Loader 写到目标机上的FLASH 类固态存储设备中。BootLoader 的这种模式通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用；此外，以后的系统更新也会使用BootLoader 的这种工作模式。工作于这种模式下的Boot Loader 通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。

7.2 ARM7教学平台BIOS剖析

7.2.1 简介

ARM7教学平台BIOS就是FS44B0Xbios--BIOS FOR FS44B0X，是优龙公司专门为

FS44B0X开发板提供的。作为系统启动的引导模块，FS44B0Xbios只支持三星公司的

S3C44B0X（ARM7）处理器，不支持多种处理器结构，同时功能结构简单。

7.2.2结构功能分析

FS44B0Xbios因为功能简单，而且只针对一种处理器，所以结构也十分简单。源码包里只有相应的*.c、*.s源文件，只有一个文件夹是存放头文件的。没有分层和有关体系等复杂的结构。现就源文件作用说明一下：

39VF160.C 提供对FLASH 39VF160的驱动，包括设备ID、擦除、编程、读等操作。

ARP.C 提供对简单TCP/IP协议中间层的支持。

BOOT.S 中断向量表，S3C44B0X 是不可以remap 的，为了运行有中断的程序，我们要把中断向量表烧写到flash 里的零地址处。

CONSOLE.C 提供对S3C44B0X串口的驱动，包括串口的读写、设置等。

CTEL_SET.C 提供对S3C44B0X上的RTC的驱动，包括RTC的读写、设置等。

ETH.C 提供对RTL8019网卡的驱动。

ICMP.C提供对简单TCP/IP协议中间层的支持。

IP.C 提供对简单TCP/IP协议中间层的支持。

MAC.C提供对RTL8019网卡MAC层的驱动。

MAIN.C 主函数，在此调用各种驱动支持，完成FS44B0Xbios的功能。

SKBUFF.C 对收发缓冲区进行操作，给TCP/IP协议提供服务。

SYSINIT.S 对S3C44B0X进行初始化，完成处理器的相关寄存器的配置工作。

TFTP.C 提供tftp协议通信功能，供TCP/IP使用。

TFTPMAIN.C 由上层应用程序调用，启动tftp通信功能，供下载文件、内核使用。

TFTPPUT.C 提供tftp协议通信功能，供TFTP.C使用。

UDP.C 提供对简单TCP/IP协议中间层的支持。

UTILS.C 提供一些常用函数，如内存拷贝、设置、字符串比较等功能。

VECTOR.S 整个程序的入口模块

根据上面的分析，可以看出FS44B0Xbios的功能十分简单，只提供了串口通信、网口通信、FLASH操作、实时时钟。下面列出FS44B0Xbios提供的命令：

{"help", "show help", Help},

{"?", "= help", Help},

{"date", "show or set current date", GetDate},

{"time", "show or set current time", GetTime},

{"setweek", "set weekday", SetWeek},

{"clock", "show system running clock", SysClock},

{"setmclk", "set system running clock", ChgSysMclk},

{"setbaud", "set baud rate", ChgBaudRate},

{"load", "load file to memory", LoadFile2Mem},

{"comload", "load file from serial port", LoadFromUart},

{"prog", "program flash", ProgFlash},

{"boot", "boot from flash", BootLoader},

{"ap", "auto load image flie and program flash", AutoProgFlash},

{"copy", "copy flash from src to dst address", CopyFlash},

{"ipcfg", "show or set IP address", SetIPAddr},

{"run", "run from ram", RunProgram},

{"move", "move data from flash to ram", MoveFlashToRam},

7.2.3移植

FS44B0Xbios是优龙公司专门为他们的FS44B0X开发板提供的。它只持三星公司的

S3C44B0X（ARM7）处理器，不支持多种处理器结构，因此移植只能在具有相同处理器的开发板上进行。根据开发板上的硬件配置不同，修改相应的硬件驱动程序。

根据上面功能分析，FS44B0Xbios现在只对FLASH 39VF160、RTL8019网卡、S3C44B0X

串口、S3C44B0X上的RTC提供驱动支持,RAM配置为8M的SDRAM。需要修改的地方：（1）如果你的开发板使用其它型号的FLASH ，可根据文件39VF160.C和39VF160.H进行移植,注意要修改MAIN.C里面FLASH 的大小,现大小为#define __ROM_SIZE 0x200000。

（2）如果你的开发板使用不同的RAM,就要修改SYSINIT.S 里的存储器配置参数。此BIOS的运行地址为0XC7C0000,可在ADS 中修改。

7.3 U-Boot移植过程剖析

7.3.1 简介

U-Boot 是Das U-Boot 的简称，它的前身是PPCBOOT，PPCBOOT 自2.0 版本后就改名为U-BOOT，由denx 软件中心依照GPL 发布的公共软件，作为系统启动的引导装载模块，U-Boot 支持多种处理器架构，如：PowerPC(MPC5xx, MPC8xx, MPC82xx, MPC7xx, MPC74xx, 4xx), ARM(ARM7, ARM9, StrongARM, Xscale), MIPS(4Kc,5Kc), x86 等。U-Boot 目前的最高版本是U-Boot-1.1.2，大家可以到上查看

U-Boot 的最新信息和下载。

7.3.2 结构分析

U-Boot的功能非常强大，已经相当于一个小的OS，因此里面的结构比较复杂，由于采用分层结构，它里面的体系结构还是十分清晰的。现在就源码包下面的文件夹作简单的分析，不涉及下一级的文件夹。分析采用的U-Boot-1.1.1 的版本，其结构分析如下：board：包含多种目标系统，主要是和目标系统板相关的代码定义，例如我所用到

的文件board/snds100/smdk4110.c 中有关于处理器的I/O 端口定义等操作，还有文件board/snds100/flash.c，关于目标系统板上FLASH的操作。

common：该目录下主要包含与处理器无关的功能，例如U-Boot 的命令处理，环境

变量的设置等

CPU：与CPU 有关的功能，例如：cpu/s3c44b0/serial.c 是s3c44b0自带串口的驱动，cpu/mpc8260/ether_fcc.c 是FCC 网口的驱动等

disk：主要是磁盘驱动处理的代码

doc：主要是一些readme 文档，用处不是太大

driver：主要是一些设备驱动，如rtl8139.c 是8139 网卡的驱动等

dtt：针对温度设备的驱动，如ds1621.c 是ds1621温度芯片的驱动等

examples：主要是一些应用例子，如hello_world.c，timer.c 等

fs：文件系统的支持

include：U-Boot 头文件，需要修改的文件如include/configs/Snds100.h 等

lib_generic：公共的库目录，包含CRC 校验，压缩，打印显示等功能

lib_ppc：和PowerPC 系列有关的功能，如lib_ppc/board.c 文件中的初始化功能

lib_arm：和ARM 系列有关的功能，如lib_arm/board.c 文件中的初始化功能

net：U-Boot 对网络协议的支持，主要支持bootp/rarp 和tftp 协议

post：目标系统板上电复位自检功能

rtc：硬件实时时钟的驱动

tools：用来生成U-Boot 镜像的一些工具

7.3.3 功能分析

U-Boot 的功能很强大，除了完成基本的系统启动和下载功能外，还可以完成很多其他的功能，这一点大家可以通过在U-Boot 的命令行中输入“help”或者“?”来得到：

? - alias for 'help'

askenv - get environment variables from stdin

autoscr - run script from memory

base - print or set address offset

bdinfo - print Board Info structure

boot - boot default, i.e., run 'bootcmd'

bootd - boot default, i.e., run 'bootcmd'

bootm - boot application image from memory

bootp - boot image via network using BootP/TFTP protocol

brginfo - print Baud Rate Generator (BRG) registers

carinfo - print Clocks and Reset registers

chpart - change active partition

cmp - memory compare

coninfo - print console devices and informations

cp - memory copy

crc32 - checksum calculation

dcache - enable or disable data cache

dhcp - invoke DHCP client to obtain IP/boot params

dmainfo - print SDMA/IDMA registers

echo - echo args to console

erase - erase FLASH memory

fccinfo - print FCC registers

flinfo - print FLASH memory information

fsinfo - print information about filesystems

fsload - load binary file from a filesystem image

go - start application at address 'addr'

help - print online help

i2cinfo - print I2C registers

icache - enable or disable instruction cache

icinfo - print Interrupt Controller registers

icrc32 - checksum calculation

iloop - infinite loop on address range

imd - i2c memory display

iminfo - print header information for application image

imls - list all images found in flash

imm - i2c memory modify (auto-incrementing)

imw - memory write (fill)

in - read data from an IO port

inm - memory modify (constant address)

iopinfo - print I/O Port registers

iopset - set I/O Port registers

iprobe - probe to discover valid I2C chip addresses

irqinfo - print information about IRQs

isdram - print SDRAM configuration information

loadb - load binary file over serial line (kermit mode)

loads - load S-Record file over serial line

loop - infinite loop on address range

ls - list files in a directory (default /)

mccinfo - print MCC registers

md - memory display

memcinfo- print Memory Controller registers

mii - MII utility commands

mm - memory modify (auto-incrementing)

mtest - simple RAM test

muxinfo - print CPM Multiplexing registers

mw - memory write (fill)

nm - memory modify (constant address)

out - write datum to IO port

ping - send ICMP ECHO_REQUEST to network host

printenv- print environment variables

protect - enable or disable FLASH write protection

rarpboot- boot image via network using RARP/TFTP protocol

reset - Perform RESET of the CPU

run - run commands in an environment variable

saveenv - save environment variables to persistent storage

saves - save S-Record file over serial line

sccinfo - print SCC registers

setenv - set environment variables

siinfo - print Serial Interface (SI) registers

sitinfo - print System Integration Timers (SIT) registers

siuinfo - print System Interface Unit (SIU) registers

sleep - delay execution for some time

smcinfo - print SMC registers

spiinfo - print Serial Peripheral Interface (SPI) registers

tftpboot- boot image via network using TFTP protocol

version - print monitor version

在命令列表里面的这些命令，有一些并没有完成，所以只是提供一个接口，如果用户需要，可以自己编写命令代码来实现它的功能。在这里，我介绍几个常用的功能：printenv：主要用于打印环境变量的值

=> printenv 打印所有环境变量的值

=> printenv name …打印某一个环境变量的值

setenv：设置环境变量的值

=> setenv name value 将环境变量“name”的值设置为“value”

md：用于显示存储器中某段地址的值

=> md 0x06000000 显示我的目标系统中Application Flash 中的值

tftpboot：用于通过TFTP 从主机上下载内核镜像文件

=> tftpboot 0x100000 pImage 从主机下载pImage 文件放到地址0x100000 处

bootm：从某一地址启动应用镜像

=> bootm 0x100000 从0x100000 处开始运行镜像

boot：运行环境变量bootcmd 中的命令

=> printenv bootcmd

=> bootcmd=tftpboot 0x100000 pImage;bootm 可以有多条命令，用分号隔开

=> boot 首先运行“tftpboot 0x100000 pImage”，然后运行“bootm”

help [command …]：显示某一命令的用法

=> help go

go addr [arg ...]

- start application at address 'addr'

passing 'arg' as arguments

7.3.4 移植

7.3.4.1 U-Boot代码移植

前面分析，U-Boot支持多种处理器架构和目标系统板架构，如果你的开发板和处理器在U-Boot里面都有，那么直接使用即可。如果没有完全相同的，U-Boot 里面包含了很多种目标系统板的类型，为了减小移植的工作量，应该选择一种和自己目标板相近的板类型，这里使用优龙提供的基于S3C44B0处理器的开发板作为例子，开发板配置如下：CPU：S3C44b0

NOR FLASH: 8M Bit，AMD Am29LV800BT

SDRAM:16M, 连接在CPU的NGCS6和NGCS7上

RTL8019 (10/100M) 网卡

在U-Boot里面的目标系统板smdk4110也是使用S3C44B0处理器，AMD的Am29LV160BB，所以选择SMDK4110作为移植参考目标板。下面我们根据自己的目标系统板配置修改U-Boot 包中的代码文件，进行U-Boot 的移植。

修改目标系统FLASH驱动文件./board/smdk4110/flash.c

（1）修改flash的初始化

smdk4110使用AMD的Am29LV160BB，我们使用AMD的Am29LV800BT

flash_info[i].flash_id =

(AMD_MANUFACT & FLASH_VENDMASK) |

(AMD_ID_LV160B & FLASH_TYPEMASK);

改为 flash_info[i].flash_id =

(AMD_MANUFACT & FLASH_VENDMASK) |

(AMD_ID_LV800T & FLASH_TYPEMASK);

两个flash的扇区结构不一样

for (j = 0; j < flash_info[i].sector_count; j++)

{

if (j <= 3)

{

/* 1st one is 16 KB */

if (j == 0)

{

flash_info[i].start[j] = flashbase + 0;

}

/* 2nd and 3rd are both 8 KB */

if ((j == 1) || (j == 2))

{

flash_info[i].start[j] = flashbase + 0x4000 + (j-1)*0x2000;

}

/* 4th 32 KB */

if (j == 3)

{

flash_info[i].start[j] = flashbase + 0x8000;

}

}

else

{

flash_info[i].start[j] = flashbase + (j - 3)*MAIN_SECT_SIZE;

}

}

改为

for (j = 0; j < flash_info[i].sector_count; j++)

{

if (j > 15)

{

/* 1st one is 16 KB */

if (j == 16)

{

flash_info[i].start[j] = flashbase + (j-1)*MAIN_SECT_SIZE + 0x8000;

}

/* 2nd and 3rd are both 8 KB */

if (j == 17)

{

flash_info[i].start[j] = flashbase + (j-2)*MAIN_SECT_SIZE + 0xa000;

}

/* 4th 32 KB */

if (j == 18)

{

flash_info[i].start[j] = flashbase + (j-3)*MAIN_SECT_SIZE + 0xc000;

}

}

else

{

flash_info[i].start[j] = flashbase + j*MAIN_SECT_SIZE;

}

}

（2）修改flash信息打印

case (AMD_ID_LV160B & FLASH_TYPEMASK):

printf("1x Amd29LV160BB (16Mbit)\n");

break;

改为

case (AMD_ID_LV800T & FLASH_TYPEMASK):

printf("1x Amd29LV800BT (8Mbit)\n");

break;

修改目标系统存储器配置文件 ./board/smdk4110/memsetup.s

.equ Trc, 0x3 /* 0x1=5clk 0x3=11clk*/

.equ Tchr, 0x0 /* 0x2=3clk 0x0=0clks */

.equ REFCNT, 879

改为

.equ Trc, 0x1 /* 0x1=5clk 0x3=11clk*/

.equ Tchr, 0x2 /* 0x2=3clk 0x0=0clks */

.equ REFCNT, 1113

.long 0x11111900 /* Bank0 = OM[1:0] , Bank1-7 16bit, Bank2=Nowait,UB/LB*/

改为 .long 0x11100101 /* Bank0 = OM[1:0] , Bank1-7 16bit, Bank2=Nowait,UB/LB*/ .word 0x17 /*SCLK power down mode, BANKSIZE 16M/16M*/

改为 .word 0x16 /*SCLK power down mode, BANKSIZE 8M/8M*/

修改目标系统配置文件./include/configs/smdk4110.h

(1) 接下来要运行Flash 中的代码，修改Flash的配置

#define PHYS_FLASH_SIZE0x00100000 /* 1 MB */

#define CFG_MAX_FLASH_SECT19 /* max number of sectors on one chip */

#define CFG_ENV_ADDR(CFG_FLASH_BASE+0x0E0000) /* environment start address */

(2) 增加目标系统环境变量的设置

#define CONFIG_SERVERIP 10.22.9.99

#define CONFIG_GATEWAYIP 10.22.9.99

#define CONFIG_IPADDR 10.22.9.98

#define CONFIG_NETMASK 255.255.255.0

#define CONFIG_ETHADDR 08:00:3e:2d:9d:5b

#define CONFIG_HOSTNAME aubrey

#define CONFIG_ROOTPATH /dev/mtdblock1

(3) 修改启动参数

#define CONFIG_BOOTDELAY 1 /* autoboot after 1 seconds */

#define CONFIG_BOOTCOMMAND "tftpboot 0x100000 pImage;bootm"

#define CONFIG_BOOTARGS "root=/dev/nfs rw nfsroot=10.22.9.99: \

/opt/eldk/ppc_82xx/fs \

ip=10.22.9.98:10.22.9.99:10.22.9.99:255.255.255.0:aubrey:eth1:off"

到目前为止，U-Boot 的移植基本完成了，我们将U-Boot 生成可执行代码烧录进BootRom 进行调试。根据调试的情况再来修改源代码，这样反复修改与调试，直到U-Boot 工作正常为止。

7.3.4.2 U-Boot 运行流程

下面介绍一下U-Boot 的运行流程，了解了U-Boot 的运行流程后，我们就可以顺利的进行源码的修改和移植工作了。

在我的目标系统中，U-Boot 被单独放在FLASH里，该芯片的型号是Am29LV800BT，一共有1M，存放U-Boot 绰绰有余。系统会首先在FLASH里面运行，在进行基本的初始化后，将FLASH中的代码copy 到Ram，然后从Ram 里运行，下面具体介绍：

U-Boot 从./cpu/s3c44b0/start.S 的标识_start: 开始运行，在完成CPU 本身基本的初始化后，主要是初始化CPU 内部寄存器的一些状态

U-Boot 跳至./cpu/ s3c44b0/start.S 中的reset: 开始运行。Reset这段代码都是在flash里面完成的，接下来运行：

(1) ./cpu/ s3c44b0/start.S 中的cpu_init_crit函数，初始化CPU 时钟寄存器，关闭看门狗，确定系统的时钟频率

(2) 接下来调用./board/smdk4110/memsetup.s对CPU的存储寄存器进行初始化

(3) start.S函数运行到relocate:，把FLASH 中以0x00000000 地址开始的内容copy 到内存的0x0C100000 处（这个地址是在./board/smdk4110/config.mk中决定的，是系统SDRAM的地址）(4) start.S函数运行到vector_copy_loop，把FLASH 中以real_vectors（中断向量表）地址开始的内容copy 到内存的0x0C000000 处，这个地址是在./board/smdk4110/config.mk中决定的，是系统SDRAM的地址

(5) start.S函数运行到stack_setup，此处建立堆栈，接着调用./lib_arm/board.c中的

start_armboot函数，这个函数也完成一些初始化工作，如内存分配的初始化，环境变量的初始化，中断的初始化，以及以太网口的初始化等。最后它会执行到main_loop 函数里，接受命令并进行命令处理。

7.3.5 编译

首先我们要编译生成U-Boot 的可执行文件，然后才能做移植和调试工作。U-Boot 里面包含了很多种目标系统板的类型，我们应该选择一种和自己目标板相近的板类型，在U-Boot 目录下执行如下操作：

删除先前配置

$ make distclean （或者make mrproper）

选择处理器和板类型生成依赖文件

$ make smdk4110_config

生成目标代码

$ make

这样，在U-Boot 目录下面生成了u-boot.bin 和u-boot 两个文件，一个是BIN 文件，

另一个是ELF 文件。我们可以将BIN 文件烧录至BootRom 中，用ELF 文件制作反汇编文件进行调试。