基于S3C6410的Uboot分析與移植

馮林琳，耿恒山

(河北工業(yè)大學計算機科學與軟件學院，天津 300401)

1 移植環(huán)境和BootLoader介紹

1.1 移植Uboot的軟硬件環(huán)境

本文采用的S3C6410芯片是基于ARM11架構的16/32位RISC微處理器。它采用ARMv6指令集，支持從 SD Card、NOR Flash、NAND Flash 和 One-NAND Flash中引導系統(tǒng)，是一個低成本、低功耗、高性能的應用處理器解決方案。開發(fā)板主要硬件資源見表1。

表1 開發(fā)板主要硬件資源

本文使用 Kubuntu 12.04作為編譯系統(tǒng)，采用arm-linux-gcc-4.7.0工具鏈作為編譯器。開發(fā)板與目標機通過串口和網(wǎng)口鏈接，并使用Jlink V8仿真器進行調(diào)試和下載。

1.2 BootLoader介紹

BootLoader是嵌入式設備上電后執(zhí)行的第一段程序，負責初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間映射圖，引導嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，其功能同X86體系結構中BIOS基本相同。BootLoader通常使用SD Card、NOR Flash和NAND Flash啟動。目前，常用的BootLoader主要為vivi和Uboot，其中Uboot又占據(jù)了絕大部分份額。

2 Uboot結構與啟動流程分析

2.1 Uboot結構分析

Uboot為德國DENX小組開發(fā)的嵌入式通用BootLoader。它支持 ARM、MIPS、XScale等多種體系結構，并支持引導Linux、VxWorks、NETBSD等多種操作系統(tǒng)。本文采用Uboot-2012-4版本。

Uboot共有18個目錄，按層次和調(diào)用關系如圖1所示。

圖1 UBoot源代碼層次和調(diào)用關系

Uboot新版本相對之前的舊版本，層次結構和調(diào)用關系更加清晰，對于移植新平臺非常有利，降低了移植的難度和時間。

2.2 Uboot啟動流程分析

Uboot的啟動分為兩個階段。第一階段主要為匯編代碼，涉及 cpu/arm1176/start.s，board/開發(fā)板目錄/lowlevel_init.S 和 arch/arm/lib/board.c 中的 borad_init_f函數(shù)。完成如下工作:

(1)設置CPU為SVC模式，關中斷，關看門狗，關MMU;

(2)設置時鐘，初始化各硬件控制器;

(3)設置堆棧;

(4)復制(重定位)Uboot到內(nèi)存中;

(5)跳轉到第二階段代碼入口。

第一階段流程圖如圖2所示。

圖2 第一階段流程圖

因為在第一階段已經(jīng)設置好堆棧，所以從第二階段開始使用C語言實現(xiàn)。在arch/arm/lib/board.c的borad_init_r函數(shù)中uboot繼續(xù)初始化各硬件資源，如串口、網(wǎng)卡、NAND Flash等。然后跳轉至死循環(huán)common/main.c中的main_loop函數(shù)，啟動Linux內(nèi)核或等待用戶輸入命令。

3 Uboot移植

針對本文采用的開發(fā)板，使用與其硬件資源相近并且Uboot已經(jīng)支持的SMDK6400開發(fā)板實現(xiàn)移植。本開發(fā)板沒有配置NOR Flash，因此要實現(xiàn)從NAND Flash中啟動UBoot。

3.1 創(chuàng)建工程目錄

(1)在boardsamsung下，新建文件夾S3C6410。將SMDK6400目錄下所有文件拷貝到S3C6410中，重命名 smdk6400.c和 smdk6400_nand_spl.c為s3c6410.c和 s3c6410_nand_spl.c，修改 Makefile 中COBJS-y:=smdk6400.o 為 COBJS-y:=s3c6410.o。

(2)在nand_sploardsamsung下，新建文件夾s3c6410，拷貝smdk6400目錄下所有文件到s3c6410中。重命名smdk6400_nand_spl.c為s3c6410_nand_spl.c，修改 makefile中 smdk6400 字段為 s3c6410。

(3)在includeconfigs目錄下，拷貝 smdk6400.h并重命名為s3c6410.h。

(4)修改根目錄下的makefile，依據(jù)smdk6400添加s3c6410編譯規(guī)則。

3.2 實現(xiàn)NAND Flash啟動Uboot

ARM體系結構的微處理器上電后從地址0x0開始執(zhí)行第一條代碼。隨著時代的發(fā)展，NAND Flash憑借容量大、速度快、價格低等優(yōu)點逐漸取代NOR Flash。許多嵌入式平臺上已經(jīng)不再配備NOR Flash。

NOR Flash可以按地址讀取，NAND Flash只能按頁讀取，因此不能直接從NAND Flash中啟動Uboot。當S3C6410芯片配置成從NAND Flash啟動模式時，系統(tǒng)上電后通過NAND Flash控制器自動讀取NAND Flash中前4k內(nèi)容到S3C6410芯片內(nèi)部的stepping stone中，并將其映射到地址0x0開始執(zhí)行。所以，如果S3C6410要從NAND Flash中啟動，就必須在程序前4k代碼中將完整的Uboot從NAND Flash中復制到內(nèi)存，然后跳轉到內(nèi)存中相應繼續(xù)執(zhí)行，完成啟動過程。

從NAND Flash啟動的Uboot由兩部分組成:前4k uboot_nand_spl文件和正常Uboot文件。它們順序相接，中間沒有空隙。宏 CONFIG_NAND_SPL是uboot_nand_spl的編譯開關。當編譯uboot_nand_spl時，第一階段將由s3c6410_nand_spl.c中board_init_f函數(shù)替換board.c中的 board_init_f函數(shù)。此處的board_init_f不設置堆棧直接跳轉回start.S，然后再從start.s跳轉至 nand_spl and_boot.c 中的 nand_boot函數(shù)。nand_boot函數(shù)負責將NAND Flash中4k之后正常的Uboot復制到內(nèi)存中，并跳轉到內(nèi)存中相應位置繼續(xù)執(zhí)行。

nand_boot函數(shù)用C語言實現(xiàn)，但第一階段的board_init_f沒有設置堆棧，所以這里使用的堆棧應該是s3c6410內(nèi)部的IRAM(地址為0x0c00_0000～0x0fff_ffff，實際使用只有4k)。

將 start.s中的

此時sp指向S3C6410內(nèi)部的IRAM。

3.3 添加DM9000A網(wǎng)卡

在uboot-2012-4版本中，已經(jīng)實現(xiàn)對DM9000A網(wǎng)卡的支持，在此只需正確配置網(wǎng)卡信息，即可完成網(wǎng)卡驅動的移植。

開發(fā)板的所有硬件資源配置信息在include/configs/s3c6410.h中。本開發(fā)板使用的DM9000A網(wǎng)卡連接至S3c6410芯片的Bank0，地址為0x18000300，DM9000A。修改 s3c6410.h，添加以下 DM9000A網(wǎng)卡配置信息:

刪除以下cs8900網(wǎng)卡配置信息:

本文使用的開發(fā)板為256MB內(nèi)存，需修改內(nèi)存配置信息:

3.4 編譯并燒寫到NAND Flash

在Uboot根目錄下執(zhí)行make s3c6410_config，生成編譯配置文件，再執(zhí)行make編譯Uboot鏡像。根目錄生成的u-boot.bin鏡像可在內(nèi)存和NOR Flash中啟動，u-boot-nand.bin鏡像可在NAND Flash中啟動。

NAND Flash無法直接使用Jlink燒寫，本文通過Uboot自身功能實現(xiàn)NAND Flash的燒寫。

使用Jlink把u-boot.bin和 u-boot-nand.bin下載到開發(fā)板內(nèi)存中0x50000000和0x50100000處，運行u-boot.bin。此時 Uboot由內(nèi)存中啟動。執(zhí)行 Uboot的nand erase 0x0 64000擦除NAND Flash最前面400kB空間，執(zhí)行 nand write 0x50100000 0x0 64000將u-boot-nand.bin燒寫到NAND Flash。復位開發(fā)板實現(xiàn)從NAND Flash中啟動Uboot。

4 結束語

BootLoader是嵌入式開發(fā)極其重要的一環(huán)，本文在分析Uboot原理后，結合最新Uboot源代碼和編譯環(huán)境，在 S3C6410開發(fā)板上移植成功，并實現(xiàn)了NAND Flash啟動和網(wǎng)絡通信等功能。本方法為S3C6410后續(xù)開發(fā)奠定了基礎，并對其它開發(fā)板的Uboot移植工作提供了一定的參考價值。

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