linux系统bootloader移植

bootloader基本概念

• Bootloader是硬件启动的引导程序,是运行操作系统的前提;
• 在操作系统内核或用户应用程序运行之前运行的一小段代码。对软硬件进行相应的初始化和设定,为最终运行操作系统准备好环境;
• 在嵌入式系统中,整个系统的启动加载任务通常由Bootloader来完成。
• X86架构中叫BOIS程序，ARM架构中叫bootloader。

bootloader特点

• Bootloader不属于操作系统,一般采用汇编语言和C语言开发。需要针对特定的硬件平台编写。
• 在移植系统时,首先为开发板移植Bootloader。
• Bootloader不但依赖于CPU的体系结构,而且依赖于嵌入式系统板级设备的配置。

bootloader的操作模式

• 自启动模式:在这种模式下, Bootloader从目标机上的某个固态存储设备
  上将操作系统加载到RAM中运行,整个过程并没有用户的介入。
• 交互模式:在这种模式下, 目标机上的Bootloader将通过串口或网络等通信手段从开发主机(Host)上下载内核映像和根文件系统映像等到RAM中。可以被Bootloader写到目标机上的固态存储媒质中,或者直接进行系统的引导。也可以通过串口接收用户的命令。
• 现在大多数ARM、X86、PowerPC架构都是用的U-boot通用引导程序。

1.在上电进入倒数的时候，按任意按键进入交互模式，按pri可以显示环境变量，也是是bootloader的配置信息，否则进入自启动模式。

2.U-boot属于bootloader里面的其中一种

u-boot介绍

• u-boot (Universal Boot Loader)是德国DENX小组开发的用于多种嵌入式CPU的
  bootloader程序。遵循GPL条款。
• 从FADSROM, 8xxROM、PPCBOOT, Armboot逐步发展演化而来;
• 当前版本号:参考Makefile.
• http://www. denx. de/wiki/U-Boot/WebHome
• U-boot的特点:
  -代码结构清晰、易于移植(见目录结构)
  -支持多种处理器体系结构(见arch目录)
  -支持众多开发板(目前官方包中有200多种,见board目录)
  -命令丰富、有监控功能
  -支持网络协议、USB,SD等多种协议和设备
  -支持文件系统
  -更新较活跃,使用者多,有助于解决问题

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U-boot命令

• 命令分类：环境设置、数据传输、存储器访问、加载运行

# 1.显示所有环境变量
printenv 

# 2.setenv 设置新的环境变量，临时保存在内存
setenv myboard FS4412  # 设置变量
setenv myboard 		   # 清除变量

# 3.永久保存设置在内存的环境变量
setenvsave

# 4.tftp通过网络下载程序
setenv ethaddr 11:22:33:44:55:66
setenv ipaddr 192. 168. 1. 100
setenv serverip 192. 168. 1. 10
tftp 41000000 application. bin  # 0x41000000下载到内存中的地址，.bin文件名
tftp 41000000 zImage

# 5.protect 对Nor Flash写保护
protect on 0 10000 # 对区间[0x0, 0x10000]进行写保护
protect off 0 10000 # 对上述区间取消写保护
# 6.erase擦除Nor FLASH
erase all   # 擦除FLASH所有的扇区
erase 0 10000   # 把FLASH区间[0xo, 0x10000]擦除

# 6.Nand flash相关命令
nand read addr off size
nand write addr off size
nand erase [clean] [off size]

# 7.emmc相关命令，movi命令
movi init   # 初始化eMMC并显示相关信息
movi read u-boot/kernel addr
movi write u-boot/kernel addr
movi read rootfs addr size
movi write rootfs addr size

# 8.自启动命令
bootcmd [要执行的命令:分隔]
setenv bootcmd tftp 41000000 ulmage\:tftp 42000000 exynos4412-fs4412. dtb\:bootm 41000000-42000000  

# 9.引导内核为内核传参，其中内核和ramdisk通常为mkimage处理过的二进制文件
bootm kernel-addr ramdisk-addr dtb-addr

# 10.跳转到指定地址
go addr

nor flash: 按字节读写，按块擦1->0，字节读程序可以直接执行不用读入内存，eeprom：按字节读写、擦除，nand falsh：按块擦除、读写

U-boot的编译

• 整个工程通过Makefile来组织编译。顶层目录下的Makefile中包含了开发板的配置信息。从顶层目录开始递归地调用各级子目录下的Makefile,最后链接成u-boot映像。

• 顶层目录下的Makefile：

它负责u-boot整体配置和编译。
在Makefile中指定使用的交叉工具链。
配置u-boot: make origen _config
编译: make

make -j2: 双核编译，u-boot可以使用脚本编译更方便

E4412这款芯片：三星芯片厂商把初始化时钟、中断等相关代码剥离出去了不开放源码，需要在u-boot.bin之前添加这部分代码。脚本图示：

• u-boot编译后的文件

u-boot.map U-boot映像的符号表(方便源码跟踪)
u-boot U-Boot映像的ELF格式
u-boot.bin U-Boot映像原始的二进制格式(烧录用)，注意exynos4412需加入BLI
u-boot.srec U-Boot映像的S-Record格式

u-boot.lds U-Boot映像的链接文件，代码重定位

• 制作SD卡启动盘

cp u-boot.bin  ..../sdfuse_q
sudo ./mkuboot.sh /dev/sdb

• u-boot镜像下载

烧录编译产生的镜像u-boot.bin
1.初次或开发板代码损坏不能正常启动时,可采用JTAG工具烧录
2.专用的烧录工具如h-jtag或DNW等
3.在u-boot已经能工作,升级或修正U-boot时,可用U-boot中的命令来烧录
4.其它方式如SD卡 , Fastboot命令
镜像固化位置
1..ROM, NOR FLASH, NAND FLASH EMMC等

u-boot目录结构

• 平台相关：arch, board, include..

arch : cpu所在目录，按cpu架构区分。

board：单板（底板）外设目录，配置芯片、芯片管脚等。

• 平台无关：common, net, fs, drivers…

common：共同的部分，例如：各种命令pri、setenv

net：网络相关，例如：TCP/IP协议

fs： 文件系统

drivers： 驱动

• 工具和文档：tools, doc

U-BOOT启动流程

第一条指令如何执行？性能提升？

• 初始化哪些硬件,先后顺序如何（汇编）

1.设置为SVC模式获取最高权限、关闭看门狗、中断、MMU、Cache，保证稳定性。

2.时钟、串口、flash、内存，基本硬件初始化。

3.自搬移u-boot到内存。

4.设置栈，跳转第二阶段C代码。

• 如何加载内核（uImage）（C语言）

1.从flash或SD卡本地可以永久保存的地方读取。

2.将内核拷贝到内存运行。

3.内核接管启动。

u-boot启动过程中3个2：2种语言（汇编、C语言），2次搬移（u-boot、内核），2次初始化（基本芯片内部硬件、外设board板载硬件）

U-BOOT移植方法

1.善用对比软件Beyond
2.选择官方源码版本下载,配置编译
a,指定交叉编译工具链
b.指定cpu和board(参考最类似配置如origen)
c.编译
3.实现串口信息输出
a.跟踪运行路径(led点灯法)
b.串口输出(检查uart初始化相关部分代码见1owlevel init.s)

4.网卡移植(实现能用tftp nfs方便开发调试)
a.寄存器地址
b.参数设置
5.FLASH移植(实现能下载软件到FLASH,产品能离线运行)

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• 本文作者： 龙兄嵌入式
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