u-boot分析

6.1  Bootloader

对于计算机系统来说，从开机上电到操作系统启动需要一个引导过程。嵌入式Linux系统同样离不开引导程序，这个引导程序就叫作Bootloader。

6.1.1  Bootloader介绍

Bootloader是在操作系统运行之前执行的一段小程序。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表，从而建立适当的系统软硬件环境，为最终调用操作系统内核做好准备。

对于嵌入式系统，Bootloader是基于特定硬件平台来实现的。因此，几乎不可能为所有的嵌入式系统建立一个通用的Bootloader，不同的处理器架构都有不同的Bootloader。Bootloader不但依赖于CPU的体系结构，而且依赖于嵌入式系统板级设备的配置。对于2块不同的嵌入式板而言，即使它们使用同一种处理器，要想让运行在一块板子上的Bootloader程序也能运行在另一块板子上，一般也都需要修改Bootloader的源程序。

反过来，大部分Bootloader仍然具有很多共性，某些Bootloader也能够支持多种体系结构的嵌入式系统。例如，U-Boot就同时支持PowerPC、ARM、MIPS和X86等体系结构，支持的板子有上百种。通常，它们都能够自动从存储介质上启动，都能够引导操作系统启动，并且大部分都可以支持串口和以太网接口。

本章将对各种Bootloader总结分类，分析它们的共同特点。以U-Boot为例，详细讨论Bootloader的设计与实现。

6.1.2  Bootloader的启动

Linux系统是通过Bootloader引导启动的。一上电，就要执行Bootloader来初始化系统。可以通过第4章的Linux启动过程框图回顾一下。

系统加电或复位后，所有CPU都会从某个地址开始执行，这是由处理器设计决定的。比如，X86的复位向量在高地址端，ARM处理器在复位时从地址0x00000000取第一条指令。嵌入式系统的开发板都要把板上ROM或Flash映射到这个地址。因此，必须把Bootloader程序存储在相应的Flash位置。系统加电后，CPU将首先执行它。

主机和目标机之间一般有串口可以连接，Bootloader软件通常会通过串口来输入输出。例如：输出出错或者执行结果信息到串口终端，从串口终端读取用户控制命令等。

Bootloader启动过程通常是多阶段的，这样既能提供复杂的功能，又有很好的可移植性。例如：从Flash启动的Bootloader多数是两阶段的启动过程。从后面U-Boot的内容可以详细分析这个特性。

大多数Bootloader都包含2种不同的操作模式：本地加载模式和远程下载模式。这2种操作模式的区别仅对于开发人员才有意义，也就是不同启动方式的使用。从最终用户的角度看，Bootloader的作用就是用来加载操作系统，而并不存在所谓的本地加载模式与远程下载模式的区别。

因为Bootloader的主要功能是引导操作系统启动，所以我们详细讨论一下各种启动方式的特点。

1．网络启动方式

这种方式开发板不需要配置较大的存储介质，跟无盘工作站有点类似。但是使用这种启动方式之前，需要把Bootloader安装到板上的EPROM或者Flash中。Bootloader通过以太网接口远程下载Linux内核映像或者文件系统。第4章介绍的交叉开发环境就是以网络启动方式建立的。这种方式对于嵌入式系统开发来说非常重要。

使用这种方式也有前提条件，就是目标板有串口、以太网接口或者其他连接方式。串口一般可以作为控制台，同时可以用来下载内核影像和RAMDISK文件系统。串口通信传输速率过低，不适合用来挂接NFS文件系统。所以以太网接口成为通用的互连设备，一般的开发板都可以配置10M以太网接口。

对于PDA等手持设备来说，以太网的RJ-45接口显得大了些，而USB接口，特别是USB的迷你接口，尺寸非常小。对于开发的嵌入式系统，可以把USB接口虚拟成以太网接口来通讯。这种方式在开发主机和开发板两端都需要驱动程序。

另外，还要在服务器上配置启动相关网络服务。Bootloader下载文件一般都使用TFTP网络协议，还可以通过DHCP的方式动态配置IP地址。

DHCP/BOOTP服务为Bootloader分配IP地址，配置网络参数，然后才能够支持网络传输功能。如果Bootloader可以直接设置网络参数，就可以不使用DHCP。

TFTP服务为Bootloader客户端提供文件下载功能，把内核映像和其他文件放在/tftpboot目录下。这样Bootloader可以通过简单的TFTP协议远程下载内核映像到内存。如图6.1所示。

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图6.1  网络启动示意图

大部分引导程序都能够支持网络启动方式。例如：BIOS的PXE（Preboot Execution Environment）功能就是网络启动方式；U-Boot也支持网络启动功能。

2．磁盘启动方式

传统的Linux系统运行在台式机或者服务器上，这些计算机一般都使用BIOS引导，并且使用磁盘作为存储介质。如果进入BIOS设置菜单，可以探测处理器、内存、硬盘等设备，可以设置BIOS从软盘、光盘或者某块硬盘启动。也就是说，BIOS并不直接引导操作系统。那么在硬盘的主引导区，还需要一个Bootloader。这个Bootloader可以从磁盘文件系统中把操作系统引导起来。

Linux传统上是通过LILO（LInux LOader）引导的，后来又出现了GNU的软件GRUB（GRand Unified Bootloader）。这2种Bootloader广泛应用在X86的Linux系统上。你的开发主机可能就使用了其中一种，熟悉它们有助于配置多种系统引导功能。

LILO软件工程是由Werner Almesberger创建，专门为引导Linux开发的。现在LILO的维护者是John Coffman，最新版本下载站点：http://lilo.go.dyndns.org。LILO有详细的文档，例如LILO套件中附带使用手册和参考手册。此外，还可以在LDP的“LILO mini-HOWTO”中找到LILO的使用指南。

GRUB是GNU计划的主要bootloader。GRUB最初是由Erich Boleyn为GNU Mach操作系统撰写的引导程序。后来有Gordon Matzigkeit和Okuji Yoshinori接替Erich的工作，继续维护和开发GRUB。GRUB的网站http://www.gnu.org/software/grub/上有对套件使用的说明文件，叫作《GRUB manual》。GRUB能够使用TFTP和BOOTP或者DHCP通过网络启动，这种功能对于系统开发过程很有用。

除了传统的Linux系统上的引导程序以外，还有其他一些引导程序，也可以支持磁盘引导启动。例如：LoadLin可以从DOS下启动Linux；还有ROLO、LinuxBIOS，U-Boot也支持这种功能。

3．Flash启动方式

大多数嵌入式系统上都使用Flash存储介质。Flash有很多类型，包括NOR Flash、NAND Flash和其他半导体盘。其中，NOR Flash（也就是线性Flash）使用最为普遍。

NOR Flash可以支持随机访问，所以代码是可以直接在Flash上执行的。Bootloader一般是存储在Flash芯片上的。另外，Linux内核映像和RAMDISK也可以存储在Flash上。通常需要把Flash分区使用，每个区的大小应该是Flash擦除块大小的整数倍。图6.2是Bootloader和内核映像以及文件系统的分区表。

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图6.2  Flash存储示意图

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。

6.1.3  Bootloader的种类

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》。

6.2.1  U-Boot工程简介

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。

6.2.2  U-Boot源码结构

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。

6.2.3  U-Boot的编译

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。

1．顶层目录下的Makefile

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。

2．开发板配置头文件

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          "=>"

3．编译结果

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