U-Boot在S3C2410上的移植

作者：东华理工学院      焦玉全    黄乡生    鲍玉军

引言
U-Boot 是用于初始化目标板硬件，为嵌入式操作系统提供目标板硬件配置信息，完成嵌入式操作系统装载、引导和运行的固件程序。它能够将系统的软硬件紧密衔接在一起。 S3C2410 是三星公司的一款基于ARM920T核的嵌入式通用处理器。本文将详细介绍 U-Boot 在 S3C2410 开发板上的移植与运行。

U-Boot 简介
U-Boot 支持ARM 、 PowerPC等多种架构的处理器，也支持 Linux 、 NetBSD 和 VxWorks 等多种操作系统。它提供启动加载和下载两种工作模式。启动加载模式也称自主模式，一般是将存储在目标板Flash中的内核和文件系统的镜像装载到SDRAM中，整个过程无需用户的介入。在使用嵌入式产品时，一般工作在该模式下。工作在下载模式时，目标板往往受外设 ( 一般是 PC 机 ) 的控制，从而将外设中调试好的内核和文件系统下载到目标板中去。 U-Boot 允许用户在这两种工作模式间进行切换。通常目标板启动时，会延时等待一段时间，如果在设定的延时时间范围内，用户没有按键， U-Boot 就进入启动加载模式。
开发板的主要配置包括三星ARM9处理器 S3C2410 、 1 个串口和 JTAG 接口，晶振为12MHz ，系统主频为200MHz 。另外，开发板上还包括 1 片 4M ×16 位数据宽度的Flash，地址范围为 0x01000000 ～ 0x01800000 和 2 片 8M ×16 位数据宽度的 SDRAM ，地址范围为 0x30000000 ～ 0x32000000 。 Flash 使用了 2410 处理器的BANK0单元，由于2410中地址是循环映射的，因而 0x01000000 和 0x0 地址等同。
在本系统中， U-Boot 的主要功能包括：建立和初始化 RAM ；初始化一个串口；检测机器的体系结构，传递 MACH_TYPE_xxx 的值 (SMDK2410) 给内核；建立内核的标记列表 (tagged list) ；调用内核镜像。

U-Boot 移植步骤
为了使 U-Boot 支持新的开发板，一种简便的做法是在 U-Boot 已经支持的开发板中选择一种和目标板接近的，并在其基础上进行修改。代码修改的步骤如下：

1. 在 board 目录下创建 smdk2410 目录，添加 smdk2410.c 、 flash.c 、 memsetup.s 、 u-boot.lds 和 config.mk 等；
2. 在 cpu 目录下创建 arm920t 目录，主要包含 start.s 、 interrupts.c 、 cpu.c 、 serial.c 和 speed.c 等文件；
3. 在 include/configs 目录下添加 smdk2410.h ，它定义了全局的宏定义等；
4. 修改 u-boot 根目录下的 Makefile 文件：
   smdk2410_config : unconfig@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410
5. 运行 make smdk2410_config ，如果没有错误，就可以开始进行与硬件相关的代码移植工作。由于这部分代码与硬件紧密相关，所以要熟悉开发板的硬件配置，可参考各芯片的用户手册。

U-Boot 启动过程
U-Boot 的启动过程可以分成 3 个阶段。首先在 Flash 中运行汇编程序，将 Flash 中的启动代码部分复制到 SDRAM 中，同时创造环境准备运行 C 程序；然后在 SDRAM 中执行，对硬件进行初始化；最后设置内核参数的标记列表，复制镜像文件，进入内核的入口函数。

1. 程序首先在 Flash 中运行 CPU 入口函数 /cpu/arm920t/start.s 。具体工作包括：设置异常的入口地址和异常处理函数；配置 PLLCON 寄存器，确定系统的主频；屏蔽看门狗和中断；初始化 I/O 寄存器；关闭 MMU 功能；调用 /board/smdk2410 中的 memsetup.s ，初始化存储器空间，设置刷新频率；将 U-Boot 的内容复制到 SDRAM 中；设置堆栈的大小， ldr pc, _start_armboot 。
   board/s 3c 2410 中 config.mk 文件 (TEXT_BASE = 0x 31F 00000) 用于设置程序编译连接的起始地址，在程序中要特别注意与地址相关指令的使用。
   当程序在 Flash 中运行时，执行程序跳转时必须要使用跳转指令，而不能使用绝对地址的跳转 ( 即直接对 PC 操作 ) 。如果使用绝对地址，那么，程序的取指是相对于当前 PC 位置向前或者向后的 32MB 空间内，而不会跳入 SDRAM 中。
2. 程序跳转到 SDRAM 中执行 /lib_arm/board.c 中的 start_armboot() 函数。该函数将完成如下工作：
   * 设置通用端口 rGPxCON;rGPxUP ；设置处理器类型 gd->bd->bi_arch_number = 193 ；设置启动参数地址 gd->bd->bi_boot_params = 0x30000100 ；
   * env_init ：设置环境变量，初始化环境；
   * init_baudrate ：设置串口的波特率；
   * serial_init ：设置串口的工作方式；
   * flash_init ：设置 ID 号、每个分页的起始地址等信息，将信息送到相应的结构体中；
   * dram_init ：设置 SDRAM 的起始地址和大小；
   * env_relocate ：将环境变量的地址送到全局变量结构体中 (gd->env_addr = (ulong)&(env_ptr->data)) ；
   * enable_interrupts ：开启中断；
   * main_loop ：该函数主要用于设置延时等待，从而确定目标板是进入下载操作模式还是装载镜像文件启动内核。在设定的延时时间范围内，目标板将在串口等待输入命令，当目标板接到正确的命令后，系统进入下载模式。在延时时间到达后，如果没有接收到相关命令，系统将自动进入装载模式，执行 bootm 30008000 30800000 命令，程序进入 do_bootm_linux() 函数，调用内核启动函数；
   
3. 装载模式下系统将执行 do_bootm_linux() 函数， 0x30008000 是内核在 SDRAM 中的起始地址； 0x30800000 是 ramdisk 在 SDRAM 中的起始地址； 0x40000 是内核在 Flash 中的位置， 0x100000 是数据块的大小； 0x140000 是 ramdisk 在 FLASH 中的位置， 0x440000 是数据块的大小。系统调用 memcpy() 函数将内核从 flash 和 ramdisk 复制到 SDRAM 中，具体如下：
   memcpy((void *)0x30008000, (void *)0x40000, 0x100000) ； // 复制数据块
   memcpy((void *)0x30800000, (void *)0x140000, 0x440000) ； // 复制数据块
   通常，将内核参数传递给 Linux 操作系统有两种方法：采用 struct param_struct 结构体或标记列表。本系统中采用了第二种方法。
   一个合法的标记列表开始于 ATAG_CORE ，结束于 ATAG_NONE 。 ATAG_CORE 可以为空，一个空的 ATAG_CORE 的 size 字段设为 “ 2” (0x00000002) 。 ATAG_NONE 的 size 字段必须设为 “ 0” 。标记列表可以有任意多的标记 (tag) 。在嵌入式 Linux 系统中，通常由 U-Boot 设置的启动参数有： ATAG_CORE 、 ATAG_MEM 、 ATAG_CMDLINE 、 ATAG_RAMDISK 、 ATAG_INITRD 等。
   在本系统中，传递参数时分别调用了以下 tag ：
   setup_start_tag(bd) ； // 标记列表开始
   setup_memory_tags(bd); // 设置内存的起始位置和大小
   setup_commandline_tag(bd, commandline); /*Linux 内核在启动时可以命令行参数的形式来接收信息，利用这一点可以向内核提供那些内核不能检测的硬件参数信息，或者重载 (override) 内核检测到的信息，这里 char *commandline "initrd=0x30800000,0x440000 root=/dev/ram init=/linuxrc console=ttyS0" ； */
   setup_ramdisk_tag(bd); // 表示内核解压后 ramdisk 的大小
   setup_initrd_tag(bd, initrd_start, initrd_end); // 设置 ramdisk 的大小和物理起始地址
   setup_end_tag(bd); // 标记列表结束
   其中 bd_t *bd = gd->bd 是指向 bd_t 结构体的指针，在该结构体中存放了关于开发板配置的基本信息。标记列表应该放在内核解压和 initrd 的 bootp 程序都不会覆盖的内存区域，同时又不能和异常处理的入口地址相冲突。建议放在 RAM 起始的 16K 大小处 , 在本系统中即为 0x30000100 处。
   U-Boot 调用 Linux 内核的方法是直接跳转到内核的第一条指令处，也即直接跳转到 MEM_START ＋ 0x8000 地址处。在跳转时，要满足下列条件：
   a) CPU 寄存器的设置： R0 ＝ 0 ； R1 ＝机器类型 ID ，本系统的机器类型 ID ＝ 193 。 R2 ＝启动参数标记列表在 RAM 中的起始基地址；
   b) CPU 模式：必须禁止中断 (IRQs 和 FIQs) ； CPU 必须工作在 SVC 模式；
   c) Cache 和 MMU 的设置： MMU 必须关闭；指令 Cache 可以打开也可以关闭；数据 Cache 必须关闭。
   系统采用下列代码来进入内核函数：
   theKernel = (void (*)(int, int))ntohl(hdr->ih_ep);
   theKernel(0, bd->bi_arch_number); 其中， hdr 是 image_header_t 类型的结构体， hdr->ih_ep 指向内核的第一条指令地址，即 Linux 操作系统下的 /kernel/arch/arm/boot/compressed/head.S 汇编程序。 theKernel() 函数调用应该不会返回，如果该调用返回，则说明出错。

结语
本文总结介绍了 U-Boot 在 S3C2410 上的移植，移植完成后， U-Boot 能够稳定地运行在开发板上，为后续的软件开发打下较好的基础。

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