基于ARM9的U-Boot自动识别启动实现

解 霏，蒋大明

（北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044）

嵌入式Linux系统通常由引导装载程序 （包括固化在固件中的 boot代码和 BootLoader），Linux内核，文件系统，应用程序这4部分构成。引导装载程序是系统加电后执行的第一段软件代码，在嵌入式系统中整个系统的加载启动任务就完全由 BootLoader来完成[1]。BootLoader严重依赖硬件，需要根据不同的硬件配置进行移植。U-boot是德国DENX小组开发的多种嵌入式CPU的BootLoader程序，支持Linux VxWorks QNX等多种嵌入式系统。笔者通过对U-Boot启动过程的分析并对其修改，使其支持自动识别启动，并在基于S3C2440的硬件平台验证通过，同时正确引导Linux内核。

1 硬件平台介绍

硬件平台选用的是基于ARM9体系结构，ARM920T的CPU，SOC选用的是三星S3C2440A，同时支持Nor FLASH与Nand FLASH启动。主要硬件资源如表1所示。

2 U-Boot启动流程分析及简介

2.1 U-Boot简介

U-Boot全称是Universal Bootloader，是遵循GPL条款的开放源码项目。DENX软件工程中心的Wolfgang Denk最早基于8xxROM的源码创建了PCC-Boot工程，并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[2]。

表1 开发板硬件资源Tab.1 Hardware resource of platform

2.2 U-Boot启动流程分析

U-Boot的启动分为阶段 1（stage1）和阶段 2（stage2），阶段1的代码通常在start.S中，由汇编语言写成。阶段2的代码通常用C语言来实现，可以实现复杂功能，阶段2的代码通常在lib_arm/board.c中。启动流程如图1所示。第1阶段完成的工作包括，基本硬件初始化，屏蔽所有中断源，关闭看门狗，设置CPU速度和时钟频率，RAM初始化等。设置堆栈指针，为阶段2的C语言做好准备，拷贝阶段2代码到RAM，跳转到阶段2的C入口点。第2阶段完成的工作包括，初始化本阶段用到的硬件，检测系统内存映射，加载内核映像与根文件系统映像，设置内核启动参数，启动内核[3]。

图1 U-Boot启动流程Fig.1 Flow chart of boot U-Boot

3 U-Boot的自动识别启动实现

3.1 Nor FLASH与Nand FLASH启动差异

基于S3C2440的开发板支持Nor FLASH和Nand FLASH这两种启动方式，不论从那种方式启动，程序都是从0x00000000地址处开始执行的，不同的地方是地址映射不一样。要使开发板上电后能自动识别启动设备，需要根据2种FLASH启动时的不同点加以区别。

当采用Nor FLASH这种启动时，Nor FLASH被映射到nGCS0（0x00000000）中，S3C2440可以直接从 0x00000000运行。

当采用Nand FLASH这种启动时，S3C2440的Nand FLASH控制器会自动把Nand FLASH中前4K数据被拷贝到S3C2440内部大小为4 k的 SRAM（Steppingstone）中，同时内部的SRAM被映射到nGCS0（0x00000000）和0x40000000～0x40001000地址空间。S3C2440从0x00000000开始执行[4]。

3.2 U-Boot自动识别启动实现

S3C2440的启动方式可以由引脚OM1与OM0决定，这2个引脚的逻辑电平是实现U-Boot自动识别启动的关键。OM功能如表2所示。

表2OM功能Tab.2 Function of OM

当OM[1:0]=00时，S3C2440从 Nand FLASH启动，其他情况则S3C2440从Nor FLASH启动，所以可以通过检测OM[1:0]的电平来判定S3C2440的启动方式。寄存器rBWSCON的[2:1]位是由OM[1:0]电平状态决定的，因此可以通过检测寄存rBWSCON[2:1]的状态来识别启动方式。

笔者将AUTO_DETECT函数添加到start.S文件中，这个函数可以实现启动位置的自动识别，识别为Nor FLASH启动后，函数会自动跳转到NOR_BOOT函数中，识别为Nand FLASH启动后，函数则会跳转到NAND_BOOT函数中，实现语句如下：

_TEXT_BASE存放的是编译连接时U-Boot在SRAM中运行的基地址，由config.mk定义。函数首先检测U-Boot是否在内存中运行，然后检测寄存器rBWSCON[2:1]的值是否为0，为0时跳转到NAND_BOOT函数，不为0时跳转到NOR_BOOT函数。

调用NOR_BOOT时，由于Nor FLASH的结构特点，其支持片内运行可以直接从Nor FLASH中复制U-Boot到SRAM中，所以启动函数较为简单。实现语句如下：

_armboot_start为代码段的起始地址，_bss_start为代码段的末地址，两者间的差值即为U-boot的大小，存放寄存器R2中，寄存器R0中存放的是当前代码的地址。调用一个拷贝循环将U-Boot拷贝到RAM中。

调用NAND_BOOT时，Nand FLASH的读写需要用专门的驱动程序来控制，而驱动程序又比较复杂，采用C语言实现NAND_BOOT的核心功能要比汇编语言容易些[7]。NAND_BOOT函数中复制U-Boot到RAM这段核心代码用C语言实现，其他部分汇编语言实现。鉴于篇幅有限本文只重点说明下U-Boot复制到RAM的实现过程。部分实现语句如下：

NAND_BOOT中调用的C语言函数为int nand_read_ll（unsigned char*buf， unsigned long start_addr， int size）， 这个函数在nand_read.c这个文件中。nand_read_ll函数的参数分别存放在R0，R1，R2这3个寄存器中，R0中存放目标地址，R1中存放源地址，R2中存放复制长度[5]。函数的执行过程如图2所示。

图2 nand_read_ll函数执行流程Fig.2 Execution flow chart of function nand_read_ll

4 U-Boot引导并启动Linux内核

4.1 Linux内核的启动参数设置

U-Boot最终要完成的任务是引导并成功启动内核，内核启动前需要正确设置内核的启动参数，U-Boot与内核的交互式单向的，U-Boot需要将各类参数传递给内核。笔者引导的Linux内核为2.6.32.2，通过对Linux中Nand FLASH分区表分析，可以得出如下的启动参数：

采用NFS方式挂载根文件系统。

UvBoot默认支持uImage格式的linux内核引导，而Linux2.6.32.2默认编译生成zImage格式的linux内核[6]，利用mkimage这个 U-Boot自带的工具处理下即可，uImage比zImage多一个大小为0x40的头信息，里面包含CPU体系结构，操作系统，加载到内存的位置，在内存中入口点的位置及映像名等信息。

4.2 Linux内核的引导启动

将编译生成的u-boot.bin通过JTAG下载到FLASH的0地址处，通过tftp将uImage下载到Nand FLASH中，重启开发板，若从串口打印出如下信息则说明U-Boot成功引导了linux内核。

图3 串口打印信息Fig.3 Printed information of UART

5 结束语

BootLoader一直是嵌入式开发的热门研究方向，U-Boot是一款十分优秀的开源BootLoader，对U-Boot的研究具有很大的实用价值。本文对于基于S3C2440硬件平台的自动识别启动原理进行了详细的分析，并提出了实现方案，同时对linux内核的启动参数做了简要分析。编译生成的u-boot.bin烧写到Nor FLASH或者Nand FLASH均能稳定运行，这对进一步嵌入式系统开 发带来了很大的便利。

[1]文全刚.ARM嵌入式技术原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社，2011.

[2]查婧.ARM9嵌入式系统设计及U-boot移植[D].西安:中科院西安光学精密机械研究所，2009.

[3]韦东山.嵌入式Linux应用开发完全手册[M].北京:人民邮电出版社，2008.

[4]Samsung Electronics.S3C2440A 32-BIT CMOS MICROCONTROLLER USR`MANUAL[S].2004:195-197.

[5]杨水清.ARM嵌入式Linux系统开发技术详解[M].北京:电子工业出版社，2008.

[6]高文辉，师奕兵，张伟.基于S3C2440的U-Boot双启动实现[J].测控技术，2012，31（2）:87-91.

GAO Wen-hui，SHI Yi-bing，ZHANG Wei.Implementation of double boot in U-Boot based on S3C2440[J].Measurement&Control Technology，2012，31（2）:87-91.

[7]吴玉香，周建香，郭建勋.U-Boot在S3C2410上的移植于功能扩展[J].计算机科学与工程，2010，31（4）:729-732.

WU Yu-xiang，ZHOU Jian-xiang，GUO Jian-xun.Porting and expansionofU-BootbasedonS3C2410[J].ComputerEngineering and Design，2010，31（4）:729-732.