2018年02月05日 | 基于S3C6410处理器的U-Boot SD卡启动的移植分析与功能

    通用Bootloader(Universal Bootloader,U-Boot)是系统上电后执行的第一段代码，其作用主要包括初始化硬件环境以及加载执行操作系统内核。在进行系统安装时，U-Boot通常需要使用专用工具烧写到FLASH中，内核及文件系统则通过U-Boot命令进行烧写，该过程操作繁琐，并且容易出错，不适宜系统的大量安装。

    S3C6410是三星公司生产的一款基于ARM11架构的通用嵌入式处理器，其启动方式除了传统的Flash启动模式外，还支持从SD 卡中启动系统。本文基于S3C6410处理器，分析了从SD卡启动系统的原理，并对U-Boot源码进行修改以支持该启动方式，在此基础上进一步扩展了U-Boot的功能，使其支持在不需要宿主机的情况下可以一键安装系统，简化了嵌入式系统的安装部署工作。

    1 U-Boot 工作原理

    U-Boot的启动过程分为两阶段。第一阶段由汇编语言实现，与具体硬件平台相关;第二阶段由可读性和可移植性较好的C 语言实现，完成U-Boot 的主要功能。这样设计的优点在于可以把基于硬件的代码与系统的通用代码划分开，使得系统的移植工作主要针对第一阶段代码进行修改，而无需或只需少量修改第二阶段代码，简化了移植过程，提高了系统开发效率。

    U-Boot第一阶段代码实现的主要功能有：

    (1)硬件设备的初始化;

    (2)为加载bootloader 第二阶段准备RAM 空间(即初始化SDRAM);

    (3)复制bootloader 第二阶段代码到RAM 空间(U-Boot拷贝其全部代码到RAM);

    (4)设置堆栈;

    (5)跳转到第二阶段C代码入口处。

    当系统完成代码搬运并设置好C 语言使用的堆栈等环境后，就会跳转到内存中的第二阶段代码C语言入口处继续运行。第二阶段代码完成的主要功能有：

    (1)继续初始化相关硬件设备(如串口、系统时钟及定时器等);

    (2)检测系统内存映射;

    (3)加载内核映像及根文件系统映像;

    (4)设置内核启动参数;

    (5)调用内核。

    第二阶段的U-Boot在设置好相应的终端设备后会停止等待若干秒，如果在该时间段内串口有输入，则U-Boot进入交互下载模式，循环读取串口命令并执行;如果串口没有输入，则U-Boot执行启动加载模式代码，将操作系统内核加载到内存并启动系统。

    2 S3C6410 U-Boot SD卡启动模式分析与移植

    2.1 S3C6410 SD卡启动原理

    S3C6410 支持多种启动方式，包括NOR FLASH 启动、NAND FLASH 启动、MODEM 启动、iROM 启动等方式。其中iROM 启动方式即从internal ROM 中启动，这种模式可以提供对SD 卡的支持。S3C6410 SD 卡启动流程如图1所示。     

    当选择SD 卡启动模式时，处理器上电后，会运行iROM 中的固件程序，这个程序被称为BootLoader0(BL0)，它会在进行一些必要的初始化工作后，从SD卡中指定位置读取8 KB 的U-Boot 代码到内部StepPINgStone 中运行，这段代码被称为BootLoader1(BL1)。

    BL1即U-Boot的前8 KB代码，这段代码会随后从SD卡中加载BL2(即整个U-Boot程序)到内存中并跳到相应地址处运行。

    2.2 SD卡设备空间布局

    从SD卡启动时，系统上电后BL0程序会从SD卡特定位置加载BL1代码，因此BL1代码必须放置在预先约定好的位置上。

    SD卡引导分区的空间布局如图2所示。     

    由图中可以看出，我们要使用SD卡启动系统，必须将BL1的8K代码烧写到从SD卡末端起第18个块的起始地址处，同时建议将BL2紧邻BL1放在其前面的数据块中。

    2.3 增加U-Boot对SD卡启动方式支持由以上分析可知，系统移植的关键在于将BL2中代码从SD卡中拷贝到内存运行。由于U-Boot默认不支持SD 卡启动，因此需要修改arch/arm/cpu/arm1176/start.S文件中的bnand_boot 为b mmc_boot_copy 并定义mmc_boot_copy函数为：     

    该段代码使用S3C6410 提供的固件函数实现了将BL2中的整个U-Boot拷贝到内存，并跳转到内存相应入口处继续运行的功能。

    3 脱机一键安装系统功能实现

    本文所移植的U-Boot版本为U-Boot-2011.06,该版本U-Boot支持FAT文件系统文件加载命令，其命令格式为：

    fatload

    该命令可将使用interface接口的dev设备中的文件filename以二进制形式加载到内存地址addr处。使用该命令，可以将内核等镜像文件首先由SD 卡加载到内存中，再通过FLASH命令进行系统的烧写安装。

    但上述命令的使用都是基于交互终端进行的，要想实现命令的自动运行，则需要对U-Boot源码进行分析修改。阅读U-Boot源码可知，其第二阶段代码最终会进入common/main.c 文件中的main_loop 函数，在下载模式下，U - Boot 会循环读取用户输入的命令，并调用run_command函数执行，其函数原型为：

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

    其中cmd为命令字符串，flag标志该命令是否被重复执行，返回值表明了命令执行成功与否的状态。因此，以需要执行的安装命令字符串为参数调用run_command函数便可自动执行命令，实现系统的脱机安装。此外，为了使系统安装更加灵活方便，本实现中加入了一个配置文件用于对安装中的相关参数进行设置，配置文件的路径及名称固定为/images/chd_cfg.ini,其内容如下：     

    其中所有以“#”开头的行为注释行，OS变量说明了需要安装的操作系统类型，以下的OS-BootLoader、OS-Kernel,OS-RootFs变量分别注明了需要安装到Flash中的Bootloader、内核、文件系统在SD 卡中的路径。通过首先解析该配置文件，然后从SD 卡中加载安装相关镜像的方式可以方便地更换系统，只需修改文件中的配置参数即可，其实现流程如图3所示。     

    4 实验结果

    将修改好的U-Boot进行编译后烧写到SD卡中的相应位置，设置S3C6410为SD卡启动模式，上电后的串口输出信息如图4所示。

    图中(1)是读取配置文件chd_cfg.ini 的输出信息，可以看出该文件一共有314 个字符，(2)是对文件解析后的参数的输出显示，(3)和(4)分别显示的是U-Boot和内核的加载以及烧写过程，成功烧写后进入(5)，在此处程序进入死循环并提示重启系统。图5所示为随后使用NAND模式启动系统时的输出。     

    图中(1)为烧写到Nand Flash中的U-Boot启动之后的终端输出，(2)为加载引导内核时的打印信息。由此结果可以看出已成功进行了系统的脱机烧写。

    5 结语

    本文修改移植了U-Boot-2011.06使其支持S3C6410处理器SD卡启动模式，对其进行了原理分析，同时对U-Boot进行了扩展，增加了只使用SD 卡便可安装整个系统的功能，并进行了实验验证。结果表明该方法具有可行性，可简化嵌入式系统的安装工作，增强了U-Boot的功能，对U-Boot在其他平台上的移植和改进具有一定的参考价值。