U-boot在AT91RM9200上的全线移植分析
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摘要：本文介绍了bootloader的基础知识，分析了U-boot的源代码结构、常见命令及其启动流程，对于AT91RM9200的片内片外启动方式进行了详尽分析，分析启动所需的引导文件的详细流程。针对具体开发板的内存分配情况，介绍了U-boot在AT91RM9200上移植的详细过程。分析了使用go或bootm启动linux内核的方法，对于bootm方式的内核是否压缩、－a、－e、运行地址等16种组合情况，给出了详细的测试过程，提出了6种可用方法种的三种最优解。
关键字：U-boot；AT91RM9200；bootm；mkimage；－a；－e；－c
后记：
"纸上得来终觉浅"，以前由于课题任务较紧张，只是对U-boot的移植进行了一些了解，并没有仔细分析其详细的移植过程，尤其是对于一些地址设置方面的问题不太清楚。
上次给小布丁的参考资料有点零散，她也没看太明白，让我下定决心把U－boot的移植过程详细整理下。很多东西心里明白，但要写出来，确要花费更多的时间，但同时也会更注重于细节，对所做的项目也是一个总结完善的过程。求职在即，总结整理此文，也算是为求职做了些准备吧。
本文参考了众多网友的帖子，在此表示感谢！还有一些不太明白的地方，可能还有些错误，欢迎大家讨论指正。
谨以此文献给小布丁，希望她永远开心，工作学习顺利！
Sailor_forever
2007-10-10
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目录
1.4 Boot Loader的操作模式(Operation Mode)
15. Bootloader与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议
3.2 loader.bin, boot.bin, u-boot.bin代码执行流分析.
1.1 Bootloader移植的必要性
Bootloader是与系统硬件高度相关的初始化软件，它担负着初始化硬件和引导操作系统的双重责任。一些ARM平台可以共用同一种Bootloader，但是总的说来，每一个特定系统的Bootloader都会有所不同。Bootloader广泛用于有操作系统的手持终端设备，智能家电，机顶盒等嵌入式设备上，它负责完成硬件初始化，操作系统引导，系统配制等。Bootloader移植是在特定硬件平台上操作系统移植至关重要的一步。
1.2 BootLoader所支持的CPU和嵌入式系统板
每种不同的CPU体系结构都有不同的BootLoader。有些BootLoader也支持多种体系结构的CPU，比如U-BOOT就同时支持ARM, MIPS, POWERPC等体系结构。除了依赖于CPU的体系结构外，BootLoader实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。也就是说，对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们是基于同一种CPU而构建的，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，通常也都需要修改BootLoader的源程序。
1.3. Boot Loader的安装媒介
系统加电或复位后，所有的CPU通常都从某个由CPU制造商预先安排的地址上取指令。比如，at91rm9200的CPU在复位时通常都从地址0x00000000取它的第一条指令。而基于CPU构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备（EEPROM或FLASH等，at91rm9200是0x10000000)被映射到这个预先安排的地址上。因此在系统加电后，CPU将首先执行Boot Loader程序。
上图是一个同时装有Boot Loader、内核的启动参数、内核映像和根文件系统映像的固态存储设备的典型空间分配结构图。
1.4 Boot Loader的操作模式(Operation Mode)
主机和目标机之间一般通过串口建立连接，BootLoader软件在执行时通常会通过串口来进行数据传输，如输出打印信息到串口，从串口读取用户控制字符。
大多数Boot Loader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。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模式bootstrap。也即Boot Loader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。这种模式是BootLoader的正常工作模式，因此在嵌入式产品发布的时候，BootLoader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宿主机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BootLoader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Boot Loader的这种工作模式。工作于这种模式下的BootLoader通常都会向它的终端用户提供一些简单的命令行接口。
像U-BOOT等这样功能强大的BootLoader通常同时支持这两种工作模式，而且允许用户在这两种工作模式之间进行切换。比如，U-BOOT在启动时处于正常的启动加载模式，但是它会延时几秒(在配置文件中可以设定)等待终端用户按下任意键而将其切换到下载模式（相当于bios下按del键可进入系统配置界面一样，设置从光盘启动可进行重装），如果在给定时间内没有用户按键，则U-BOOT继续启动，进行正常的启动加载。
15. Bootloader与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议
最常见的情况就是，目标机上的BootLoader通过串口与主机之间进行文件传输，传输协议通常是kermit / xmodem / ymodem协议中的一种。但是，串口传输的速度是有限的，因此如果该Bootloader对目标板的网卡支持良好，还可以通过以太网连接并借助TFTP (Trivial File Transfer Protocol)协议来下载文件是个更好的选择。此时，主机方所用的软件也要考虑，比如，在通过以太网连接和TFTP协议来下载文件时，主机方必须有一个软件用来提供TFTP服务，如Windows平台上的tftpd.exe等或Linux下面的tftp服务器。
1.6 Bootloader的通用执行流程
从操作系统的角度看，Bootloader的总目标就是正确地调用内核来执行。另外，由于Bootloader的实现依赖于 CPU的体系结构，因此大多数Bootloader都分为stagel和stage2两大部分。依赖于CPU体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在stagel中，而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍和高效的目的。而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现更复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。
Bootloader的stagel通常包括以下步骤(以执行的先后顺序):
l 硬件设备初始化（配置SDRAM存储控制器及IO），中断初始化
l 为加载Bootloader的stage2准备RAM空间（测试内存空间是否有效）
l 拷贝Bootloader的stage2到RAM空间中
l 设置好堆栈
l 跳转到stage2的C入口点
Bootloader的stage2通常包括以下步骤(以执行的先后顺序):
l 初始化本阶段要使用到的硬件设备
l 检测系统内存映射(memory map)
l 没有用户干预时将kernel映像和根文件系统映像从flash读到RAM空间中
l 为内核设置启动参数
l 调用内核
二 U-boot基础
现在为Linux开放源代码Bootloader有很多，blob, redboot, U-BOOT等，其中U-BOOT是目前用来开发嵌入式系统引导代码使用最为广泛的Bootloader。它支持POWERPC, ARM,MIPS, X86等处理器，支持嵌入式操作系统有Linux, Vxworks, NetBSD等。
2.1 U-boot源代码目录结构
|-- board 平台依赖，存放电路板相关的目录文件
|-- common 通用多功能函数的实现
|-- cpu 平台依赖，存放cpu相关的目录文件
|-- disk 通用。硬盘接口程序
|-- doc 文档
|-- drivers 通用的设备驱动程序，如以太网接口驱动
|-- dtt
|-- examples 应用例子
|-- fs 通用存放文件系统的程序
|-- include 头文件和开发板配置文件，所有开发板配置文件放在其configs里
|-- lib_arm 平台依赖，存放arm架构通用文件
|-- lib_generic 通用的库函数
|-- lib_i386 平台依赖，存放x86架构通用文件
|-- lib_m68k 平台依赖
|-- lib_microblaze 平台依赖
|-- lib_mips 平台依赖
|-- lib_nios 平台依赖
|-- lib_ppc平台依赖，存放ppc架构通用文件
|-- net 存放网络的程序
|-- post 存放上电自检程序
|-- rtc rtc的驱动程序
`-- tools 工具
详细实例：
board：开发板相关的源码，不同的板子对应一个子目录，内部放着主板相关代码。
Board/at91rm9200dk/at91rm9200.c, config.mk, Makefile, flash.c ,u-boot.lds等都和具体开发板的硬件和地址分配有关。
common：与体系结构无关的代码文件，实现了u-boot所有命令，其中内置了一个shell脚本解释器(hush.c, a prototype Bourne shell grammar parser), busybox中也使用了它.
cpu：与cpu相关代码文件，其中的所有子目录都是以u-boot所支持的cpu命名.
cpu/at91rm9200/at45.c, at91rm9200_ether.c, cpu.c, interrupts.c serial.c, start.S, config.mk, Makefile等. 其中cpu.c负责初始化CPU、设置指令Cache和数据Cache等；
interrupt.c负责设置系统的各种中断和异常，比如快速中断、开关中断、时钟中断、软件中断、预取中止和未定义指令等；
start.S负责u-boot启动时执行的第一个文件，它主要是设置系统堆栈和工作方式，为跳转到C程序入口点.
disk：设备分区处理代码。
doc：u-boot相关文档。
drivers：u-boot所支持的设备驱动代码, 网卡、支持CFI的Flash、串口和USB总线等。
fs: u-boot所支持支持文件系统访问存取代码， 如jffs2.
include：u-boot head文件，主要是与各种硬件平台相关的头文件，如include/asm-arm/arch-at91rm9200/ AT91RM9200.h(硬件寄存器名称及地址的定义), hardware.h （内存及flash地址以及IO物理地址和虚拟地址的定义），include/asm-arm/proc-armv （与具体的CPU无关，无需移植）
net：与网络有关的代码，BOOTP协议、TFTP协议、RARP协议代码实现.
lib_arm：与arm体系相关的代码。
tools：编译后会生成mkimage工具，用来对生成的raw bin文件加入u-boot特定的image_header.
2.2 U-Boot支持的主要功能
主要功能如下：
系统引导 支持NFS挂载、RAMDISK（压缩或非压缩）形式的根文件系统
支持NFS挂载、从FLASH中引导压缩或非压缩系统内核；
基本辅助功能 强大的操作系统接口功能；可灵活设置、传递多个关键参数给操作系统，适合系统在不同开发阶段的调试要求与产品发布，尤对Linux支持最为强劲；
支持目标板环境参数多种存储方式，如FLASH、NVRAM、EEPROM；
CRC32校验，可校验FLASH中内核、RAMDISK镜像文件是否完好；
设备驱动 串口、SDRAM、FLASH、以太网、LCD、NVRAM、EEPROM、键盘、USB、PCMCIA、PCI、RTC等驱动支持；
上电自检功能 SDRAM、FLASH大小自动检测；SDRAM故障检测；CPU型号；
特殊功能 XIP内核引导；
2.3 U-boot命令介绍及环境变量
1. ？得到所有命令列表
2. help: help usb, 列出USB功能的使用说明
3. ping：注：只能开发板PING别的机器（AT91RM9200不支持）
4. setenv: 设置环境变量:
5. setenv serverip 192.168.0.1
6. setenv ipaddr 192.168.0.56
7. setenv bootcmd 'tftp 32000000 vmlinux; kgo 32000000'
8. saveenv: 保存环境变量 在设置好环境变量以后， 保存变量值
10. tftp: tftp 32000000 vmlinux, 把server（IP=环境变量中设置的serverip）中/tftpboot/ 下的vmlinux通过TFTP读入到物理内存32000000处。
11. kgo: 起动没有压缩的linux内核，kgo 32000000（AT91RM9200不支持）
12. bootm:起动UBOOT TOOLS制作的压缩LINUX内核, bootm 3200000
13. protect: 对FLASH进行写保护或取消写保护， protect on 1:0-3(就是对第一块FLASH的0-3扇区进行保护)，protect off 1:0-3取消写保护
14. erase: 删除FLASH的扇区， erase 1:0-2(就是对每一块FLASH的0-2扇区进行删除)
15. cp: 在内存中复制内容， cp 32000000 0 40000(把内存中0x32000000开始的0x40000字节复制到0x0处)
16. mw: 对RAM中的内容写操作， mw 32000000 ff 10000(把内存0x32000000开始的0x10000字节设为0xFF)
17. md: 修改RAM中的内容, md 32000000（内存的起始地址）
18. usb:
usb start: 起动usb 功能
usb info: 列出设备
usb scan: 扫描usb storage(u 盘)设备
19. fatls：列出DOS FAT文件系统， 如：fatls usb 0列出第一块U盘中的文件
20. fatload: 读入FAT中的一个文件，如：fatload usb 0:0 32000000 aa.txt
21. 把USB中的aa.txt 读到物理内存0x32000000处！
22. flinfo: 列出flash的信息
23. loadb: 准备用KERMIT协议接收来自kermit或超级终端传送的文件。
24. nfs： nfs 32000000 192.168.0.2:aa.txt ， 把192.168.0.2(LINUX 的NFS文件系统)中的NFS文件系统中的aa.txt 读入内存0x32000000处。
最常用的几个命令
go- 在地址 'addr' 处开始程序执行
run- 运行命令
bootm- 从内存中进行应用程序影象运行
bootp- 通过网络用 BootP/TFTP 协议来启动影象
tftpboot- 通过网络用 TFTP 协议、设置服务器和客户机的 IP 地址进行影象文件传送
loadb- 通过串口线(kermit mode) 来装载二进制文件
printenv- 打印环境变量
setenv- 设置环境变量
saveenv保存环境变量到内存
下面是 U-BOOT 中的简单环境变量
baudrate波特率
bootdelay boot 延迟
bootcmd Boot 命令
bootargs Boot 参数
bootfile
ipaddr 客户机 IP 地址
serverip 服务器地址
loadaddr 装载地址
ethaddr 网卡 MAC 地址
2.4 U-Boot的启动流程分析
和大多数的Bootloader一样，U-BOOT的启动分为两个阶段两个部分，依赖于CPU体系结构的代码主要放在stage1，且用汇编来实现，而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且具有更好的可读性和可移植性。
下面分别分析一下这两个阶段的启动流程:
第一阶段:基本的硬件初始化，为第二阶段程序运行建立环境(cpu/ at91rm9200/start.s文件的代码部分):
××××××××××××××××××××××××××××
OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start) // 程序的入口在/cpu/××××/start.s中定义
SECTIONS
{
. = 0x00000000; // 程序存储域和运行域的首地址，链接脚本决定了各个段在印象中的位置，默认情况下VMA＝LMA
. = ALIGN(4);
.text :
{
cpu/at91rm9200/start.o (.text) //明确start.o为链接的第一个文件
*(.text)
}
. = ALIGN(4);
.rodata : { *(.rodata) }
. = ALIGN(4);
.data : { *(.data) }
. = ALIGN(4);
.got : { *(.got) }
__u_boot_cmd_start = .;
.u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
__u_boot_cmd_end = .;
armboot_end_data = .; //代码段结束地址
. = ALIGN(4);
.bss : { *(.bss) }
armboot_end = .; //整个U-boot印象的结束地址
}
××××××××××××××××××××××××××××
在此需要定义程序入口，由于一个可执行的Image必须要有一个入口点，并且只能有一个全局入口，通常这个入口就在ROM (flash)的0x0地址，因此，必须通知编译器以使其知道这个入口，该工作可通过修改连接器脚本u-boot.lds来完成，该阶段需要依次完成的工作一般包括:
1. CPU自身的初始化，它包括:CPU运行模式的设置（管理模式）、设置异常的入口地址和异常处理函数、运行时钟频率的设置等工作。
2.初始化GPIO和内存控制器。
3.为拷贝Stage2准备RAM空间。
4.进行自拷贝，将U-BOOT的Stage2拷贝到RAM中。//如何确定stage2的起始位置？
5.设置好堆栈。
6.跳转到Stage2的入口，从而转到RAM中执行，该工作是调用指令ldr pc, start_armboot来完成的。
××××××××××××××××××××××××××
从1.1.2开始，u-boot有初始化SDRAM并拷贝自己到SDRAM运行的代码，而之前的版本就没有这个功能（详细查看下代码？？的确如此，因此对于以前的版本TEXT_BASE没有起作用？实际测试下？？）。board/at91rm9200dk中config.mk文件(TEXT_BASE = 0x21f00000，32M RAM的设置，为第二阶段程序在RAM中的运行地址)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。
Board/at91rm9200dk/config.mk
TEXT_BASE = 0x21f00000（u-boot将被载入SDRAM的高端部分）
注意，对于不同的系统RAM大小可能不一样，要根据实际情况调整。
在/config.mk中
ifdef BOARD
sinclude $(TOPDIR)/board/$(BOARDDIR)/config.mk # include board specific rules
endif
CPPFLAGS := $(DBGFLAGS) $(OPTFLAGS) $(RELFLAGS) \
-D__KERNEL__ -DTEXT_BASE=$(TEXT_BASE)
LDFLAGS += -Bstatic -T $(LDSCRIPT) -Ttext $(TEXT_BASE) $(PLATFORM_LDFLAGS)
export TEXT_BASE PLATFORM_CPPFLAGS PLATFORM_RELFLAGS CPPFLAGS CFLAGS AFLAGS
对于U-Boot 1.1.2以前的版本，并没有自拷贝的部分，若flash中首地址存放的是非压缩的u-boot.bin的，则启动部分是一直运行在flash中的；但对于AT91RM9200来说，他通常有三个文件loader.bin, boot.bin, u-boot.bin，flash中首先运行的是boot.bin，其将压缩的u-boot.bin.gz解压拷贝到TEXT_BASE处运行，此时已经在RAM中了，因此也无需实现自拷贝了。
对于U-Boot 1.1.2以后的版本，若像AT91RM9200有boot.bin这样的过渡程序，则将u-boot.bin.gz解压到RAM中，此时运行地址和链接地址相同，无需拷贝；若没有，则u-boot.bin将在flash中执行初始化部分，然后将自身拷贝到RAM中执行。
// 比较运行地址和链接地址，如果当前已经在RAM中运行了，则无需拷贝到RAM中
relocate: /* relocate U-Boot to RAM */
adr r0, _start /* r0 <- current position of code */
ldr r1, _TEXT_BASE /* test if we run from flash or RAM */
cmp r0, r1 /* don't reloc during debug */
beq stack_setup
ldr r2, _armboot_start
ldr r3, _bss_start
sub r2, r3, r2 /* r2 <- size of armboot */
add r2, r0, r2 /* r2 <- source end address */
copy_loop:
ldmia r0!, {r3-r10} /* copy from source address [r0] */
stmia r1!, {r3-r10} /* copy to target address [r1] */
cmp r0, r2 /* until source end addreee [r2] */
ble copy_loop
当程序在Flash中运行时，执行程序跳转时必须要使用相对跳转指令，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。
×××××××××××××××××××××××××××××
在上述操作运行完成后，就进入到/lib_arm/board.c 中的start armboot()函数运行，并建立起了一个基本的环境，此时的物理内存空间的分布就变成了如图所示的情况。
转入boatloader stage2的系统内存布局
第二阶段:运行U-BOOT的主体部分
该阶段以程序跳转到lib arm/board.c中的start armboot函数为标志，该函数同时也是C语言的开始函数，是整个启动代码的主体函数，同时还是整个U-BOOT的主体函数，该函数主要完成以下工作:
I.调用一系列的初始化函数初始化本阶段使用到的硬件，如:
×××××××××××××××××××
init_fnc_t *init_sequence[] = {
cpu_init, /* basic cpu dependent setup */
board_init, /* basic board dependent setup */
interrupt_init, /* set up exceptions */
env_init, /* initialize environment */
init_baudrate, /* initialze baudrate settings */
serial_init, /* serial communications setup */
console_init_f, /* stage 1 init of console */
display_banner, /* say that we are here */
dram_init, /* configure available RAM banks */
display_dram_config,
#if defined(CONFIG_VCMA9)
checkboard,
博文
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