bootloader 详细介绍

Bootloader一般放在Flash的底端或者顶端，这要根据处理器的复位向量设置。要使Bootloader的入口位于处理器上电执行第一条指令的位置。

接下来分配参数区，这里可以作为Bootloader的参数保存区域。

再下来内核映像区。Bootloader引导Linux内核，就是要从这个地方把内核映像解压到RAM中去，然后跳转到内核映像入口执行。

然后是文件系统区。如果使用Ramdisk文件系统，则需要Bootloader把它解压到RAM中。如果使用JFFS2文件系统，将直接挂接为根文件系统。这两种文件系统将在第12章详细讲解。

最后还可以分出一些数据区，这要根据实际需要和Flash大小来考虑了。

这些分区是开发者定义的，Bootloader一般直接读写对应的偏移地址。到了Linux内核空间，可以配置成MTD设备来访问Flash分区。但是，有的Bootloader也支持分区的功能，例如：Redboot可以创建Flash分区表，并且内核MTD驱动可以解析出redboot的分区表。

除了NOR Flash，还有NAND Flash、Compact Flash、DiskOnChip等。这些Flash具有芯片价格低，存储容量大的特点。但是这些芯片一般通过专用控制器的I/O方式来访问，不能随机访问，因此引导方式跟NOR Flash也不同。在这些芯片上，需要配置专用的引导程序。通常，这种引导程序起始的一段代码就把整个引导程序复制到RAM中运行，从而实现自举启动，这跟从磁盘上启动有些相似。

嵌入式系统世界已经有各种各样的Bootloader，种类划分也有多种方式。除了按照处理器体系结构不同划分以外，还有功能复杂程度的不同。

首先区分一下“Bootloader”和“Monitor”的概念。严格来说，“Bootloader”只是引导设备并且执行主程序的固件；而“Monitor”还提供了更多的命令行接口，可以进行调试、读写内存、烧写Flash、配置环境变量等。“Monitor”在嵌入式系统开发过程中可以提供很好的调试功能，开发完成以后，就完全设置成了一个“Bootloader”。所以，习惯上大家把它们统称为Bootloader。

表6.1列出了Linux的开放源码引导程序及其支持的体系结构。表中给出了X86 ARM PowerPC体系结构的常用引导程序，并且注明了每一种引导程序是不是“Monitor”。

表6.1                                                   开放源码的Linux 引导程序

 

 

对于每种体系结构，都有一系列开放源码Bootloader可以选用。

（1）X86

X86的工作站和服务器上一般使用LILO和GRUB。LILO是Linux发行版主流的Bootloader。不过Redhat Linux发行版已经使用了GRUB，GRUB比LILO有更有好的显示界面，使用配置也更加灵活方便。

在某些X86嵌入式单板机或者特殊设备上，会采用其他Bootloader，例如：ROLO。这些Bootloader可以取代BIOS的功能，能够从FLASH中直接引导Linux启动。现在ROLO支持的开发板已经并入U-Boot，所以U-Boot也可以支持X86平台。

（2）ARM

ARM处理器的芯片商很多，所以每种芯片的开发板都有自己的Bootloader。结果ARM bootloader也变得多种多样。最早有为ARM720处理器的开发板的固件，又有了armboot，StrongARM平台的blob，还有S3C2410处理器开发板上的vivi等。现在armboot已经并入了U-Boot，所以U-Boot也支持ARM/XSCALE平台。U-Boot已经成为ARM平台事实上的标准Bootloader。

（3）PowerPC

PowerPC平台的处理器有标准的Bootloader，就是ppcboot。PPCBOOT在合并armboot等之后，创建了U-Boot，成为各种体系结构开发板的通用引导程序。U-Boot仍然是PowerPC平台的主要Bootloader。

（4）MIPS

MIPS公司开发的YAMON是标准的Bootloader，也有许多MIPS芯片商为自己的开发板写了Bootloader。现在，U-Boot也已经支持MIPS平台。

（5）SH

SH平台的标准Bootloader是sh-boot。Redboot在这种平台上也很好用。

（6）M68K

M68K平台没有标准的Bootloader。Redboot能够支持m68k系列的系统。

值得说明的是Redboot，它几乎能够支持所有的体系结构，包括MIPS、SH、M68K等体系结构。Redboot是以eCos为基础，采用GPL许可的开源软件工程。现在由core eCos的开发人员维护，源码下载网站是http://www.ecoscentric.com/snapshots。Redboot的文档也相当完善，有详细的使用手册《RedBoot User’s Guide》。

最早，DENX软件工程中心的Wolfgang Denk基于8xxrom的源码创建了PPCBOOT工程，并且不断添加处理器的支持。后来，Sysgo Gmbh把ppcboot移植到ARM平台上，创建了ARMboot工程。然后以ppcboot工程和armboot工程为基础，创建了U-Boot工程。

现在U-Boot已经能够支持PowerPC、ARM、X86、MIPS体系结构的上百种开发板，已经成为功能最多、灵活性最强并且开发最积极的开放源码Bootloader。目前仍然由DENX的Wolfgang Denk维护。

U-Boot的源码包可以从sourceforge网站下载，还可以订阅该网站活跃的U-Boot Users邮件论坛，这个邮件论坛对于U-Boot的开发和使用都很有帮助。

U-Boot软件包下载网站：http://sourceforge.net/project/u-boot。

U-Boot邮件列表网站：http://lists.sourceforge.net/lists/listinfo/u-boot-users/。

DENX相关的网站：http://www.denx.de/re/DPLG.html。

从网站上下载得到U-Boot源码包，例如：U-Boot-1.1.2.tar.bz2

解压就可以得到全部U-Boot源程序。在顶层目录下有18个子目录，分别存放和管理不同的源程序。这些目录中所要存放的文件有其规则，可以分为3类。

· 第1类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关；

· 第2类目录是一些通用的函数或者驱动程序；

· 第3类目录是U-Boot的应用程序、工具或者文档。

表6.2列出了U-Boot顶层目录下各级目录存放原则。

表6.2                                                  U-Boot的源码顶层目录说明

 

 

U-Boot的源代码包含对几十种处理器、数百种开发板的支持。可是对于特定的开发板，配置编译过程只需要其中部分程序。这里具体以S3C2410 arm920t处理器为例，具体分析S3C2410处理器和开发板所依赖的程序，以及U-Boot的通用函数和工具。

U-Boot的源码是通过GCC和Makefile组织编译的。顶层目录下的Makefile首先可以设置开发板的定义，然后递归地调用各级子目录下的Makefile，最后把编译过的程序链接成U-Boot映像。

它负责U-Boot整体配置编译。按照配置的顺序阅读其中关键的几行。

每一种开发板在Makefile都需要有板子配置的定义。例如smdk2410开发板的定义如下。

 

smdk2410_config :   unconfig

     @./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0

 

执行配置U-Boot的命令make smdk2410_config，通过./mkconfig脚本生成include/config.
mk的配置文件。文件内容正是根据Makefile对开发板的配置生成的。

 

ARCH   = arm

CPU    = arm920t

BOARD  = smdk2410

SOC    = s3c24x0

 

上面的include/config.mk文件定义了ARCH、CPU、BOARD、SOC这些变量。这样硬件平台依赖的目录文件可以根据这些定义来确定。SMDK2410平台相关目录如下。

board/smdk2410/

cpu/arm920t/

cpu/arm920t/s3c24x0/

lib_arm/

include/asm-arm/

include/configs/smdk2410.h

再回到顶层目录的Makefile文件开始的部分，其中下列几行包含了这些变量的定义。

 

# load ARCH, BOARD, and CPU configuration

include include/config.mk

export       ARCH CPU BOARD VENDOR SOC

 

Makefile的编译选项和规则在顶层目录的config.mk文件中定义。各种体系结构通用的规则直接在这个文件中定义。通过ARCH、CPU、BOARD、SOC等变量为不同硬件平台定义不同选项。不同体系结构的规则分别包含在ppc_config.mk、arm_config.mk、mips_config.mk等文件中。

顶层目录的Makefile中还要定义交叉编译器，以及编译U-Boot所依赖的目标文件。

 

ifeq ($(ARCH),arm)

CROSS_COMPILE = arm-linux-          //交叉编译器的前缀

#endif

export  CROSS_COMPILE

…

# U-Boot objects....order is important (i.e. start must be first)

OBJS  = cpu/$(CPU)/start.o                  //处理器相关的目标文件

…

LIBS  = lib_generic/libgeneric.a            //定义依赖的目录，每个目录下先把目标文件连接成*.a文件。

LIBS += board/$(BOARDDIR)/lib$(BOARD).a

LIBS += cpu/$(CPU)/lib$(CPU).a

ifdef SOC

LIBS += cpu/$(CPU)/$(SOC)/lib$(SOC).a

endif

LIBS += lib_$(ARCH)/lib$(ARCH).a

…

 

然后还有U-Boot映像编译的依赖关系。

 

ALL = u-boot.srec u-boot.bin System.map

all:        $(ALL)

u-boot.srec:    u-boot

            $(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O srec $< $@

u-boot.bin: u-boot

            $(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O binary $< $@

……

u-boot:         depend $(SUBDIRS) $(OBJS) $(LIBS) $(LDSCRIPT)

            UNDEF_SYM='$(OBJDUMP) -x $(LIBS) /

            |sed  -n -e 's/.*/(__u_boot_cmd_.*/)/-u/1/p'|sort|uniq`;/

            $(LD) $(LDFLAGS) $$UNDEF_SYM $(OBJS) /

                 --start-group $(LIBS) $(PLATFORM_LIBS) --end-group /

                 -Map u-boot.map -o u-boot

 

Makefile缺省的编译目标为all，包括u-boot.srec、u-boot.bin、System.map。u-boot.srec和u-boot.bin又依赖于U-Boot。U-Boot就是通过ld命令按照u-boot.map地址表把目标文件组装成u-boot。

其他Makefile内容就不再详细分析了，上述代码分析应该可以为阅读代码提供了一个线索。

除了编译过程Makefile以外，还要在程序中为开发板定义配置选项或者参数。这个头文件是include/configs/<board_name>.h。<board_name>用相应的BOARD定义代替。

这个头文件中主要定义了两类变量。

一类是选项，前缀是CONFIG_，用来选择处理器、设备接口、命令、属性等。例如：

 

#define   CONFIG_ARM920T         1

#define   CONFIG_DRIVER_CS8900  1

 

另一类是参数，前缀是CFG_，用来定义总线频率、串口波特率、Flash地址等参数。例如：

 

#define     CFG_FLASH_BASE      0x00000000

#define CFG_PROMPT          "=>"

根据对Makefile的分析，编译分为2步。第1步配置，例如：make smdk2410_config；第2步编译，执行make就可以了。

编译完成后，可以得到U-Boot各种格式的映像文件和符号表，如表6.3所示。

表6.3                                                  U-Boot编译生成的映像文件

 

 

U-Boot的3种映像格式都可以烧写到Flash中，但需要看加载器能否识别这些格式。一般u-boot.bin最为常用，直接按照二进制格式下载，并且按照绝对地址烧写到Flash中就可以了。U-Boot和u-boot.srec格式映像都自带定位信息。

在tools目录下还有些U-Boot的工具。这些工具有的也经常用到。表6.4说明了几种工具的用途。

表6.4                                                              U-Boot的工具

 

 

这些工具都有源代码，可以参考改写其他工具。其中mkimage是很常用的一个工具，Linux内核映像和ramdisk文件系统映像都可以转换成U-Boot的格式。

U-Boot能够支持多种体系结构的处理器，支持的开发板也越来越多。因为Bootloader是完全依赖硬件平台的，所以在新电路板上需要移植U-Boot程序。

开始移植U-Boot之前，先要熟悉硬件电路板和处理器。确认U-Boot是否已经支持新开发板的处理器和I/O设备。假如U-Boot已经支持一块非常相似的电路板，那么移植的过程将非常简单。

移植U-Boot工作就是添加开发板硬件相关的文件、配置选项，然后配置编译。

开始移植之前，需要先分析一下U-Boot已经支持的开发板，比较出硬件配置最接近的开发板。选择的原则是，首先处理器相同，其次处理器体系结构相同，然后是以太网接口等外围接口。还要验证一下这个参考开发板的U-Boot，至少能够配置编译通过。

以S3C2410处理器的开发板为例，U-Boot-1.1.2版本已经支持SMDK2410开发板。我们可以基于SMDK2410移植，那么先把SMDK2410编译通过。

我们以S3C2410开发板fs2410为例说明。移植的过程参考SMDK2410开发板，SMDK2410在U-Boot-1.1.2中已经支持。

移植U-Boot的基本步骤如下。

（1）在顶层Makefile中为开发板添加新的配置选项，使用已有的配置项目为例。

 

smdk2410_config   :       unconfig

         @./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0

 

参考上面2行，添加下面2行。

 

fs2410_config   :       unconfig

     @./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t fs2410 NULL s3c24x0

 

（2）创建一个新目录存放开发板相关的代码，并且添加文件。

board/fs2410/config.mk

board/fs2410/flash.c

board/fs2410/fs2410.c

board/fs2410/Makefile

board/fs2410/memsetup.S

board/fs2410/u-boot.lds

（3）为开发板添加新的配置文件

可以先复制参考开发板的配置文件，再修改。例如：

$cp include/configs/smdk2410.h  include/configs/fs2410.h

如果是为一颗新的CPU移植，还要创建一个新的目录存放CPU相关的代码。

（4）配置开发板

$ make fs2410_config

（5）编译U-Boot

执行make命令，编译成功可以得到U-Boot映像。有些错误是跟配置选项是有关系的，通常打开某些功能选项会带来一些错误，一开始可以尽量跟参考板配置相同。

（6）添加驱动或者功能选项

在能够编译通过的基础上，还要实现U-Boot的以太网接口、Flash擦写等功能。

对于FS2410开发板的以太网驱动和smdk2410完全相同，所以可以直接使用。CS8900驱动程序文件如下。

drivers/cs8900.c

drivers/cs8900.h

对于Flash的选择就麻烦多了，Flash芯片价格或者采购方面的因素都有影响。多数开发板大小、型号不都相同。所以还需要移植Flash的驱动。每种开发板目录下一般都有flash.c这个文件，需要根据具体的Flash类型修改。例如：

board/fs2410/flash.c

（7）调试U-Boot源代码，直到U-Boot在开发板上能够正常启动。

调试的过程可能是很艰难的，需要借助工具，并且有些问题可能困扰很长时间。

U-Boot的命令为用户提供了交互功能，并且已经实现了几十个常用的命令。如果开发板需要很特殊的操作，可以添加新的U-Boot命令。

U-Boot的每一个命令都是通过U_Boot_CMD宏定义的。这个宏在include/command.h头文件中定义，每一个命令定义一个cmd_tbl_t结构体。

 

#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) /

cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage, help}

 

这样每一个U-Boot命令有一个结构体来描述。结构体包含的成员变量：命令名称、最大参数个数、重复数、命令执行函数、用法、帮助。

从控制台输入的命令是由common/command.c中的程序解释执行的。find_cmd()负责匹配输入的命令，从列表中找出对应的命令结构体。

基于U-Boot命令的基本框架，来分析一下简单的icache操作命令，就可以知道添加新命令的方法。

（1）定义CACHE命令。在include/cmd_confdefs.h中定义了所有U-Boot命令的标志位。

 

#define CFG_CMD_CACHE       0x00000010ULL   /* icache, dcache       */

 

如果有更多的命令，也要在这里添加定义。

（2）实现CACHE命令的操作函数。下面是common/cmd_cache.c文件中icache命令部分的代码。

 

#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_CACHE)

static int on_off (const char *s)

{       //这个函数解析参数，判断是打开cache，还是关闭cache

        if (strcmp(s, "on") == 0) {  //参数为“on”

               return (1);

        } else if (strcmp(s, "off") == 0) {  //参数为“off”

               return (0);

    }

    return (-1);

}

 

int do_icache ( cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])

{     //对指令cache的操作函数

      switch (argc) {

      case 2:               /* 参数个数为1，则执行打开或者关闭指令cache操作 */

             switch (on_off(argv[1])) {

             case 0:     icache_disable();        //打开指令cache

                   break;

             case 1:     icache_enable ();        //关闭指令cache

                   break;

             }

            /* FALL TROUGH */

      case 1:           /* 参数个数为0，则获取指令cache状态*/ 

            printf ("Instruction Cache is %s/n",

                    icache_status() ? "ON" : "OFF");

            return 0;

      default:  //其他缺省情况下，打印命令使用说明

            printf ("Usage:/n%s/n", cmdtp->usage);

            return 1;

      }

      return 0;

}

……

U_Boot_CMD( //通过宏定义命令

    icache,   2,   1,     do_icache,  //命令为icache，命令执行函数为do_icache()

    "icache  - enable or disable instruction cache/n",   //帮助信息

    "[on, off]/n"

    "    - enable or disable instruction cache/n"

);

……

#endif

 

U-Boot的命令都是通过结构体__U_Boot_cmd_##name来描述的。根据U_Boot_CMD在include/command.h中的两行定义可以明白。

 

#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) /

cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage, help}

 

还有，不要忘了在common/Makefile中添加编译的目标文件。

（3）打开CONFIG_COMMANDS选项的命令标志位。这个程序文件开头有#if语句需要预处理是否包含这个命令函数。CONFIG_COMMANDS选项在开发板的配置文件中定义。例如：SMDK2410平台在include/configs/smdk2410.h中有如下定义。

 

/***********************************************************

* Command definition

***********************************************************/

#define CONFIG_COMMANDS /

                 (CONFIG_CMD_DFL  | /

                 CFG_CMD_CACHE     | /

                 CFG_CMD_REGINFO    | /

                 CFG_CMD_DATE      | /

                 CFG_CMD_ELF)

 

按照这3步，就可以添加新的U-Boot命令。

新移植的U-Boot不能正常工作，这时就需要调试了。调试U-Boot离不开工具，只有理解U-Boot启动过程，才能正确地调试U-Boot源码。

硬件电路板制作完成以后，这时上面还没有任何程序，就叫作裸板。首要的工作是把程序或者固件加载到裸板上，这就要通过硬件工具来完成。习惯上，这种硬件工具叫作仿真器。

仿真器可以通过处理器的JTAG等接口控制板子，直接把程序下载到目标板内存，或者进行Flash编程。如果板上的Flash是可以拔插的，就可以通过专用的Flash烧写器来完成。在第4章介绍过目标板跟主机之间的连接，其中JTAG等接口就是专门用来连接仿真器的。

仿真器还有一个重要的功能就是在线调试程序，这对于调试Bootloader和硬件测试程序很有用。

从最简单的JTAG电缆，到ICE仿真器，再到可以调试Linux内核的仿真器。

复杂的仿真器可以支持与计算机间的以太网或者USB接口通信。

对于U-Boot的调试，可以采用BDI2000。BDI2000完全可以反汇编地跟踪Flash中的程序，也可以进行源码级的调试。

使用BDI2000调试U-boot的方法如下。

（1）配置BDI2000和目标板初始化程序，连接目标板。

（2）添加U-Boot的调试编译选项，重新编译。

U-Boot的程序代码是位置相关的，调试的时候尽量在内存中调试，可以修改连接定位地址TEXT_BASE。TEXT_BASE在board/<board_name>/config.mk中定义。

另外，如果有复位向量也需要先从链接脚本中去掉。链接脚本是board/<board_name>/
u-boot.lds。

添加调试选项，在config.mk文件中查找，DBGFLAGS，加上-g选项。然后重新编译U-Boot。

（3）下载U-Boot到目标板内存。

通过BDI2000的下载命令LOAD，把程序加载到目标板内存中。然后跳转到U-Boot入口。

（4）启动GDB调试。

启动GDB调试，这里是交叉调试的GDB。GDB与BDI2000建立链接，然后就可以设置断点执行了。

 

$ arm-linux-gdb u-boot

(gdb)target remote 192.168.1.100:2001

(gdb)stepi

(gdb)b start_armboot

(gdb)c

假如U-Boot没有任何串口打印信息，手头又没有硬件调试工具，那样怎么知道U-Boot执行到什么地方了呢？可以通过开发板上的LED指示灯判断。

开发板上最好设计安装八段数码管等LED，可以用来显示数字或者数字位。

U-Boot可以定义函数show_boot_progress (int status)，用来指示当前启动进度。在include/common.h头文件中声明这个函数。

 

#ifdef CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS

void    show_boot_progress (int status);

#endif

 

CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS是需要定义的。这个在板子配置的头文件中定义。CSB226开发板对这项功能有完整实现，可以参考。在头文件include/configs/csb226.h中，有下列一行。

 

#define CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS       1

 

函数show_boot_progress (int status)的实现跟开发板关系密切，所以一般在board目录下的文件中实现。看一下CSB226在board/csb226/csb226.c中的实现函数。

 

/** 设置CSB226板的0、1、2三个指示灯的开关状态

* csb226_set_led: - switch LEDs on or off

* @param led:   LED to switch (0,1,2)

* @param state: switch on (1) or off (0)

*/

void csb226_set_led(int led, int state)

{

      switch(led) {

             case 0: if (state==1) {

                              GPCR0 |= CSB226_USER_LED0;

                    } else if (state==0) {

                            GPSR0 |= CSB226_USER_LED0;

                    }

                    break;

             case 1: if (state==1) {

                              GPCR0 |= CSB226_USER_LED1;

                    } else if (state==0) {

                              GPSR0 |= CSB226_USER_LED1;

                    }

                    break;

             case 2: if (state==1) {

                              GPCR0 |= CSB226_USER_LED2;

                  } else if (state==0) {

                          GPSR0 |= CSB226_USER_LED2;

                  }

                  break;

      }

      return;

}

/** 显示启动进度函数，在比较重要的阶段，设置三个灯为亮的状态（1, 5, 15）*/

void show_boot_progress (int status)

{

      switch(status) {

            case  1: csb226_set_led(0,1); break;

            case  5: csb226_set_led(1,1); break;

            case 15: csb226_set_led(2,1); break;

      }

      return;

}

 

这样，在U-Boot启动过程中就可以通过show_boot_progresss指示执行进度。比如hang()函数是系统出错时调用的函数，这里需要根据特定的开发板给定显示的参数值。

 

void hang (void)

{

      puts ("### ERROR ### Please RESET the board ###/n");

#ifdef CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS

      show_boot_progress(-30);

#endif

      for (;;);

尽管有了调试跟踪手段，甚至也可以通过串口打印信息了，但是不一定能够判断出错原因。如果能够充分理解代码的启动流程，那么对准确地解决和分析问题很有帮助。

开发板上电后，执行U-Boot的第一条指令，然后顺序执行U-Boot启动函数。函数调用顺序如图6.3所示。

看一下board/smsk2410/u-boot.lds这个链接脚本，可以知道目标程序的各部分链接顺序。第一个要链接的是cpu/arm920t/start.o，那么U-Boot的入口指令一定位于这个程序中。下面详细分析一下程序跳转和函数的调用关系以及函数实现。

这个汇编程序是U-Boot的入口程序，开头就是复位向量的代码。