原创 u-boot 分析 - [嵌入式Linux系统开发技术详解-基于ARM] [转载]

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。

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。

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

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。

4．U-Boot工具

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。

6.2.4  U-Boot的移植

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。

6.2.5  添加U-Boot命令

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。

6.3  U-Boot的调试

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。

6.3.1  硬件调试器

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

6.3.2  软件跟踪

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 (;;);

6.3.3  U-Boot启动过程

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。

1．cpu/arm920t/start.S

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。

图6.3  U-Boot启动代码流程图

_start: b       reset        //复位向量

       ldr   pc, _undefined_instruction

       ldr   pc, _software_interrupt

       ldr   pc, _prefetch_abort

       ldr   pc, _data_abort

       ldr   pc, _not_used

       ldr   pc, _irq      //中断向量

       ldr   pc, _fiq      //中断向量

…

 /* the actual reset code  */

reset:          //复位启动子程序

       /* 设置CPU为SVC32模式 */

       mrs   r0,cpsr

       bic   r0,r0,#0x1f

       orr   r0,r0,#0xd3

       msr   cpsr,r0

/* 关闭看门狗 */

/* 这些初始化代码在系统重起的时候执行，运行时热复位从RAM中启动不执行 */

#ifdef CONFIG_INIT_CRITICAL

       bl    cpu_init_crit

#endif

relocate:                       /* 把U-Boot重新定位到RAM */

       adr   r0, _start          /* r0是代码的当前位置 */

       ldr   r1, _TEXT_BASE      /* 测试判断是从Flash启动，还是RAM */

       cmp     r0, r1          /* 比较r0和r1，调试的时候不要执行重定位 */

       beq     stack_setup    /* 如果r0等于r1，跳过重定位代码 */

       /* 准备重新定位代码 */

       ldr   r2, _armboot_start

       ldr   r3, _bss_start

       sub   r2, r3, r2          /* r2 得到armboot的大小   */

       add   r2, r0, r2          /* r2 得到要复制代码的末尾地址 */

copy_loop: /* 重新定位代码 */

       ldmia r0!, {r3-r10}   /*从源地址[r0]复制 */

       stmia r1!, {r3-r10}   /* 复制到目的地址[r1] */

       cmp   r0, r2          /* 复制数据块直到源数据末尾地址[r2] */

       ble   copy_loop

       /* 初始化堆栈等    */

stack_setup:

       ldr   r0, _TEXT_BASE              /* 上面是128 KiB重定位的u-boot */

       sub   r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN     /* 向下是内存分配空间 */

       sub   r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* 然后是bdinfo结构体地址空间  */

#ifdef CONFIG_USE_IRQ

       sub   r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)

#endif

       sub   sp, r0, #12     /* 为abort-stack预留3个字 */

clear_bss:

       ldr   r0, _bss_start      /* 找到bss段起始地址 */

       ldr   r1, _bss_end        /*  bss段末尾地址   */

       mov   r2, #0x00000000     /* 清零 */

clbss_l:str r2, [r0]        /* bss段地址空间清零循环...  */

       add   r0, r0, #4

       cmp   r0, r1

       bne   clbss_l

       /* 跳转到start_armboot函数入口，_start_armboot字保存函数入口指针 */

       ldr   pc, _start_armboot

_start_armboot: .word start_armboot     //start_armboot函数在lib_arm/board.c中实现

/* 关键的初始化子程序 */

cpu_init_crit:

……  //初始化CACHE，关闭MMU等操作指令

       /* 初始化RAM时钟。

       * 因为内存时钟是依赖开发板硬件的，所以在board的相应目录下可以找到memsetup.S文件。

       */

       mov   ip, lr

       bl    memsetup        //memsetup子程序在board/smdk2410/memsetup.S中实现

       mov   lr, ip

       mov   pc, lr

2．lib_arm/board.c

start_armboot是U-Boot执行的第一个C语言函数，完成系统初始化工作，进入主循环，处理用户输入的命令。

void start_armboot (void)

{

       DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;

       ulong size;

       init_fnc_t **init_fnc_ptr;

       char *s;

       /* Pointer is writable since we allocated a register for it */

       gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));

       /* compiler optimization barrier needed for GCC >= 3.4 */

       __asm__ __volatile__("": : :"memory");

       memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t));

       gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));

       memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));

       monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;

       /* 顺序执行init_sequence数组中的初始化函数 */

       for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {

              if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {

                      hang ();

              }

       }

       /*配置可用的Flash */

       size = flash_init ();

       display_flash_config (size);

       /* _armboot_start 在u-boot.lds链接脚本中定义 */

       mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);

       /* 配置环境变量，重新定位 */

       env_relocate ();

       /* 从环境变量中获取IP地址 */

       gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");

       /* 以太网接口MAC 地址 */

       ……

       devices_init ();      /* 获取列表中的设备 */

       jumptable_init ();

       console_init_r ();    /* 完整地初始化控制台设备 */

       enable_interrupts (); /* 使能例外处理 */

       /* 通过环境变量初始化 */

       if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {

               load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);

       }

       /* main_loop()总是试图自动启动，循环不断执行 */

       for (;;) {

               main_loop ();      /* 主循环函数处理执行用户命令 -- common/main.c */

       }

       /* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */

}

3．init_sequence[]

init_sequence[]数组保存着基本的初始化函数指针。这些函数名称和实现的程序文件在下列注释中。

init_fnc_t *init_sequence[] = {

       cpu_init,             /* 基本的处理器相关配置 -- cpu/arm920t/cpu.c */

       board_init,           /* 基本的板级相关配置 -- board/smdk2410/smdk2410.c */

       interrupt_init,       /* 初始化例外处理 -- cpu/arm920t/s3c24x0/interrupt.c */

       env_init,             /* 初始化环境变量 -- common/cmd_flash.c */

       init_baudrate,        /* 初始化波特率设置 -- lib_arm/board.c */

       serial_init,          /* 串口通讯设置 -- cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c */

       console_init_f,       /* 控制台初始化阶段1 -- common/console.c */

       display_banner,       /* 打印u-boot信息 -- lib_arm/board.c */

       dram_init,            /* 配置可用的RAM -- board/smdk2410/smdk2410.c */

       display_dram_config,  /* 显示RAM的配置大小 -- lib_arm/board.c */

       NULL,

};

6.3.4  U-Boot与内核的关系

U-Boot作为Bootloader，具备多种引导内核启动的方式。常用的go和bootm命令可以直接引导内核映像启动。U-Boot与内核的关系主要是内核启动过程中参数的传递。

1．go命令的实现

/* common/cmd_boot.c  */

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

{

       ulong addr, rc;

       int     rcode = 0;

       if (argc < 2) {

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

              return 1;

       }

       addr = simple_strtoul(argv[1], NULL, 16);

       printf ("## Starting application at 0x%08lX ...\n", addr);

       /*

        * pass address parameter as argv[0] (aka command name),

        * and all remaining args

        */

       rc = ((ulong (*)(int, char *[]))addr) (--argc, &argv[1]);

       if (rc != 0) rcode = 1;

       printf ("## Application terminated, rc = 0x%lX\n", rc);

       return rcode;

}

go命令调用do_go()函数，跳转到某个地址执行的。如果在这个地址准备好了自引导的内核映像，就可以启动了。尽管go命令可以带变参，实际使用时一般不用来传递参数。

2．bootm命令的实现

/* common/cmd_bootm.c */

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

{

       ulong iflag;

       ulong addr;

       ulong data, len, checksum;

       ulong  *len_ptr;

       uint  unc_len = 0x400000;

       int   i, verify;

       char  *name, *s;

       int   (*appl)(int, char *[]);

       image_header_t *hdr = &header;

       s = getenv ("verify");

       verify = (s && (*s == 'n')) ? 0 : 1;

       if (argc < 2) {

              addr = load_addr;

       } else {

              addr = simple_strtoul(argv[1], NULL, 16);

       }

       SHOW_BOOT_PROGRESS (1);

       printf ("## Booting image at %08lx ...\n", addr);

       /* Copy header so we can blank CRC field for re-calculation */

       memmove (&header, (char *)addr, sizeof(image_header_t));

       if (ntohl(hdr->ih_magic) != IH_MAGIC)

       {

              puts ("Bad Magic Number\n");

              SHOW_BOOT_PROGRESS (-1);

              return 1;

       }

       SHOW_BOOT_PROGRESS (2);

       data = (ulong)&header;

       len  = sizeof(image_header_t);

       checksum = ntohl(hdr->ih_hcrc);

       hdr->ih_hcrc = 0;

       if(crc32 (0, (char *)data, len) != checksum) {

              puts ("Bad Header Checksum\n");

              SHOW_BOOT_PROGRESS (-2);

              return 1;

       }

       SHOW_BOOT_PROGRESS (3);

       /* for multi-file images we need the data part, too */

       print_image_hdr ((image_header_t *)addr);

       data = addr + sizeof(image_header_t);

       len  = ntohl(hdr->ih_size);

       if(verify) {

              puts ("   Verifying Checksum ... ");

              if(crc32 (0, (char *)data, len) != ntohl(hdr->ih_dcrc)) {

                     printf ("Bad Data CRC\n");

                     SHOW_BOOT_PROGRESS (-3);

                     return 1;

              }

              puts ("OK\n");

       }

       SHOW_BOOT_PROGRESS (4);

       len_ptr = (ulong *)data;

……

       switch (hdr->ih_os) {

       default:                /* handled by (original) Linux case */

       case IH_OS_LINUX:

             do_bootm_linux  (cmdtp, flag, argc, argv,

                         addr, len_ptr, verify);

             break;

       ……

}

bootm命令调用do_bootm函数。这个函数专门用来引导各种操作系统映像，可以支持引导Linux、vxWorks、QNX等操作系统。引导Linux的时候，调用do_bootm_linux()函数。

3．do_bootm_linux函数的实现

/* lib_arm/armlinux.c */

void do_bootm_linux (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[],

                   ulong addr, ulong *len_ptr, int verify)

{

       DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;

       ulong len = 0, checksum;

       ulong initrd_start, initrd_end;

       ulong data;

       void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);

       image_header_t *hdr = &header;

       bd_t *bd = gd->bd;

#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG

       char *commandline = getenv ("bootargs");

#endif

       theKernel = (void (*)(int, int, uint))ntohl(hdr->ih_ep);

       /* Check if there is an initrd image */

       if(argc >= 3) {

              SHOW_BOOT_PROGRESS (9);

              addr = simple_strtoul (argv[2], NULL, 16);

              printf ("## Loading Ramdisk Image at %08lx ...\n", addr);

              /* Copy header so we can blank CRC field for re-calculation */

              memcpy (&header, (char *) addr, sizeof (image_header_t));

              if (ntohl (hdr->ih_magic) != IH_MAGIC) {

                      printf ("Bad Magic Number\n");

                      SHOW_BOOT_PROGRESS (-10);

                      do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);

              }

              data = (ulong) & header;

              len = sizeof (image_header_t);

              checksum = ntohl (hdr->ih_hcrc);

              hdr->ih_hcrc = 0;

              if(crc32 (0, (char *) data, len) != checksum) {

                     printf ("Bad Header Checksum\n");

                     SHOW_BOOT_PROGRESS (-11);

                     do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);

              }

              SHOW_BOOT_PROGRESS (10);

              print_image_hdr (hdr);

              data = addr + sizeof (image_header_t);

              len = ntohl (hdr->ih_size);

              if(verify) {

                     ulong csum = 0;

                     printf ("   Verifying Checksum ... ");

                     csum = crc32 (0, (char *) data, len);

                     if (csum != ntohl (hdr->ih_dcrc)) {

                            printf ("Bad Data CRC\n");

                            SHOW_BOOT_PROGRESS (-12);

                            do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);

                     }

                     printf ("OK\n");

              }

              SHOW_BOOT_PROGRESS (11);

              if ((hdr->ih_os != IH_OS_LINUX) ||

                     (hdr->ih_arch != IH_CPU_ARM) ||

                     (hdr->ih_type != IH_TYPE_RAMDISK)) {

                     printf ("No Linux ARM Ramdisk Image\n");

                     SHOW_BOOT_PROGRESS (-13);

                     do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);

              }

              /* Now check if we have a multifile image */

       } else if ((hdr->ih_type == IH_TYPE_MULTI) && (len_ptr[1])) {

               ulong tail = ntohl (len_ptr[0]) % 4;

               int i;

               SHOW_BOOT_PROGRESS (13);

               /* skip kernel length and terminator */

               data = (ulong) (&len_ptr[2]);

               /* skip any additional image length fields */

               for (i = 1; len_ptr; ++i)