U-Boot SD卡啟動的移植分析與功能擴展

0 引言

通用Bootloader(Universal Bootloader,U-Boot)是系統(tǒng)上電后執(zhí)行的第一段代碼，其作用主要包括初始化硬件環(huán)境以及加載執(zhí)行操作系統(tǒng)內(nèi)核。在進行系統(tǒng)安裝時，U-Boot通常需要使用專用工具燒寫到FLASH中，內(nèi)核及文件系統(tǒng)則通過U-Boot命令進行燒寫，該過程操作繁瑣，并且容易出錯，不適宜系統(tǒng)的大量安裝。

S3C6410是三星公司生產(chǎn)的一款基于ARM11架構(gòu)的通用嵌入式處理器，其啟動方式除了傳統(tǒng)的Flash啟動模式外，還支持從SD 卡中啟動系統(tǒng)。本文基于S3C6410處理器，分析了從SD卡啟動系統(tǒng)的原理，并對U-Boot源碼進行修改以支持該啟動方式，在此基礎(chǔ)上進一步擴展了U-Boot的功能，使其支持在不需要宿主機的情況下可以一鍵安裝系統(tǒng)，簡化了嵌入式系統(tǒng)的安裝部署工作。

1 U-Boot 工作原理

U-Boot的啟動過程分為兩階段。第一階段由匯編語言實現(xiàn)，與具體硬件平臺相關(guān);第二階段由可讀性和可移植性較好的C 語言實現(xiàn)，完成U-Boot 的主要功能。這樣設(shè)計的優(yōu)點在于可以把基于硬件的代碼與系統(tǒng)的通用代碼劃分開，使得系統(tǒng)的移植工作主要針對第一階段代碼進行修改，而無需或只需少量修改第二階段代碼，簡化了移植過程，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率。

U-Boot第一階段代碼實現(xiàn)的主要功能有：

(1)硬件設(shè)備的初始化;

(2)為加載bootloader 第二階段準備RAM 空間(即初始化SDRAM);

(3)復制bootloader 第二階段代碼到RAM 空間(U-Boot拷貝其全部代碼到RAM);

(4)設(shè)置堆棧;

(5)跳轉(zhuǎn)到第二階段C代碼入口處。

當系統(tǒng)完成代碼搬運并設(shè)置好C 語言使用的堆棧等環(huán)境后，就會跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存中的第二階段代碼C語言入口處繼續(xù)運行。第二階段代碼完成的主要功能有：

(1)繼續(xù)初始化相關(guān)硬件設(shè)備(如串口、系統(tǒng)時鐘及定時器等);

(2)檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射;

(3)加載內(nèi)核映像及根文件系統(tǒng)映像;

(4)設(shè)置內(nèi)核啟動參數(shù);

(5)調(diào)用內(nèi)核。

第二階段的U-Boot在設(shè)置好相應的終端設(shè)備后會停止等待若干秒，如果在該時間段內(nèi)串口有輸入，則U-Boot進入交互下載模式，循環(huán)讀取串口命令并執(zhí)行;如果串口沒有輸入，則U-Boot執(zhí)行啟動加載模式代碼，將操作系統(tǒng)內(nèi)核加載到內(nèi)存并啟動系統(tǒng)。

2 S3C6410 U-Boot SD卡啟動模式分析與移植

2.1 S3C6410 SD卡啟動原理

S3C6410 支持多種啟動方式，包括NOR FLASH 啟動、NAND FLASH 啟動、MODEM 啟動、iROM 啟動等方式。其中iROM 啟動方式即從internal ROM 中啟動，這種模式可以提供對SD 卡的支持。S3C6410 SD 卡啟動流程如圖1所示。

當選擇SD 卡啟動模式時，處理器上電后，會運行iROM 中的固件程序，這個程序被稱為BootLoader0(BL0)，它會在進行一些必要的初始化工作后，從SD卡中指定位置讀取8 KB 的U-Boot 代碼到內(nèi)部SteppingStone 中運行，這段代碼被稱為BootLoader1(BL1)。

BL1即U-Boot的前8 KB代碼，這段代碼會隨后從SD卡中加載BL2(即整個U-Boot程序)到內(nèi)存中并跳到相應地址處運行。

2.2 SD卡設(shè)備空間布局

從SD卡啟動時，系統(tǒng)上電后BL0程序會從SD卡特定位置加載BL1代碼，因此BL1代碼必須放置在預先約定好的位置上。

SD卡引導分區(qū)的空間布局如圖2所示。

由圖中可以看出，我們要使用SD卡啟動系統(tǒng)，必須將BL1的8K代碼燒寫到從SD卡末端起第18個塊的起始地址處，同時建議將BL2緊鄰BL1放在其前面的數(shù)據(jù)塊中。

2.3 增加U-Boot對SD卡啟動方式支持由以上分析可知，系統(tǒng)移植的關(guān)鍵在于將BL2中代碼從SD卡中拷貝到內(nèi)存運行。由于U-Boot默認不支持SD 卡啟動，因此需要修改arch/arm/cpu/arm1176/start.S文件中的bnand_boot 為b mmc_boot_copy 并定義mmc_boot_copy函數(shù)為：

該段代碼使用S3C6410 提供的固件函數(shù)實現(xiàn)了將BL2中的整個U-Boot拷貝到內(nèi)存，并跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存相應入口處繼續(xù)運行的功能。

3 脫機一鍵安裝系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本文所移植的U-Boot版本為U-Boot-2011.06,該版本U-Boot支持FAT文件系統(tǒng)文件加載命令，其命令格式為：

fatload

該命令可將使用interface接口的dev設(shè)備中的文件filename以二進制形式加載到內(nèi)存地址addr處。使用該命令，可以將內(nèi)核等鏡像文件首先由SD 卡加載到內(nèi)存中，再通過FLASH命令進行系統(tǒng)的燒寫安裝。

但上述命令的使用都是基于交互終端進行的，要想實現(xiàn)命令的自動運行，則需要對U-Boot源碼進行分析修改。閱讀U-Boot源碼可知，其第二階段代碼最終會進入common/main.c 文件中的main_loop 函數(shù)，在下載模式下，U - Boot 會循環(huán)讀取用戶輸入的命令，并調(diào)用run_command函數(shù)執(zhí)行，其函數(shù)原型為：

int run_command(const char *cmd,int flag);