引言

随着电子行业日新月异的发展，ARM处理器凭借自身高性能、低成本、低功耗等特点，广泛应用于消费电子、数字家电、工业生产等领域中[1]。CortexA8为Cortex系列中的“A”系列，采用ARM v7架构，主要面向搭载操作系统、高性能的应用领域。Bootloader是系统上电后执行的第一段代码，其功能类似于电脑的BIOS[2]。简单来说，Bootloader的工作主要有两点：其一是初始化底层硬件资源，为操作系统启动提供必要的环境；其二是从存储设备中读取操作系统镜像并启动[34]。但为了方便后期开发，往往要为Bootloader添加其他的功能，如支持串口打印调试信息、NFS网络下载、根文件系统烧写等[5]。本文以uboot2013.01为源码包，设计了一个基于S5PV210平台，功能齐全且高效稳定的Bootloader。

1 硬件平台

1.1 S5PV210简介

S5PV210是三星公司推出的一款基于CortexA8架构的高性能应用处理器。该处理器支持ARM v7指令集，具有32位内部总线结构，主频最高可达1 GHz，另外还支持挂接LPDDR1、LPDDR2和DDR2类型的RAM，Flash方面可选择NAND Flash或NOR Flash等。不仅如此，该处理器还提供了包括串口、LCD、I2C、SPI、USB、HDMI等丰富的外部接口资源。目前S5PV210已经广泛应用于智能手机和平板电脑之中。

1.2 S5PV210的启动方式

S5PV210支持多种启动方式，启动流程如图1所示。

图1 S5PV210的启动流程

S5PV210的启动过程由BL0、BL1和BL2（BL为Bootloader的简称）3部分代码实现，其中BL0在出厂时已经被固化到64 KB的iROM中。S5PV210上电后首先执行BL0，该段代码主要负责一些简单的初始化工作，如关看门狗、初始化ICache等；然后BL0会根据硬件设置判断使用何种方式启动，并将BL1从启动设备（OneNand、Nand Flash、USB、UART、SD card等）拷贝到Internal SRAM的BL1区中；最后BL0会比较一个校验值，如果相等则跳转到BL1中继续执行，否则转入其他启动方式。该校验值存在于BL1的头部，大小为16字节。

开发人员一般会单独编写一个工具为BL1编译出的二进制文件添加头部。其校验值(checksum)的计算方法如下：

a = Buf + SPL_HEADER_SIZE;

for(i = 0, checksum = 0; i < IMG_SIZE - SPL_HEADER_SIZE; i++) {

checksum += (0x000000FF) & *a++;

}

由于BL1的大小被限制为16 KB，所以一般情况下BL1负责的工作也不多。BL1被执行后首先初始化系统时钟、内存、串口等，然后将BL2代码拷贝到Internal SRAM的BL2区中并跳转执行。实际上SRAM的BL2区的大小只有80 KB，但很多情况下BL2代码的大小远远超过80 KB，所以将BL2代码拷贝到SRAM中意义不大。更好的做法是直接将BL2拷贝到容量更大的内存中，不过在拷贝之前一定要先初始化好系统时钟和内存。

BL2是整个Bootloader的主体部分，因此它需要完成更多的初始化工作，例如初始化网卡、Flash等，之后BL2读取操作系统镜像到内存中运行。一般把操作系统镜像放到Flash上，也可以放到SD卡上，根据具体的开发平台而定。

2 软件平台

2.1 UBoot介绍

UBoot（全称Universal Bootloader)是Bootloader的一种，其他常见的Bootloader还有RedBoot、vivi等。与它们相比，UBoot具有代码开源、可靠性和扩展性较高等优点。另外，对于类似于Nand Flash、Nor Flash、网卡、LCD等硬件资源，UBoot已经抽象出与硬件平台无关的代码作为设备驱动源码提供给开发者。对于与硬件平台相关的代码，UBoot将其定义成宏并保留在配置文件中，开发者往往只需要修改这些宏的值就能成功使用这些硬件资源，让移植工作变得十分简单。

2.2 UBoot中几个比较重要的源文件

UBoot的源码包含有上千个源文件，但经过分析之后，可以找出如下几个比较重要的源文件(括号中为该源文件所在源码包的位置)：

（1） start.S(arch\\arm\\cpu\\armv7\\start.S)

通过分析UBoot的链接文件可以发现，start.S是UBoot上电后执行的第一个源文件。该源文件包括定义了异常向量入口、相关的全局变量、禁用L2缓存、关闭MMU等，之后跳转到lowlevel_init()函数中继续执行。

（2） lowlevel_init.S(board\\samsung\\smdkv210\\lowlevel_init.S)

该源文件用汇编代码编写，其中只定义了一个函数lowlevel_init()。该函数实现对平台硬件资源的一系列初始化过程，包括关看门狗、初始化系统时钟、内存和串口。

（3） mem_setup.S(board\\samsung\\smdkv210)

该源文件包含对内存进行初始化的汇编源码。

（4） board.c(arch\\arm\\lib\\board.c)

该源文件是用C语言编写的，主要实现了UBoot第二阶段启动过程，包括初始化环境变量、串口控制台、Flash和打印调试信息等，最后调用main_loop()函数。

（5） smdkv210.h(include\\configs\\Smdkv210.h)

S5PV210平台的配置文件，该源文件定义了一些与CPU或者外设相关的参数，这些参数都是用宏来定义的。

2.3 UBoot启动的一般流程

2.3.1 第一阶段初始化

UBoot的启动过程分为两个阶段：第一阶段主要由汇编代码实现，负责对CPU及底层硬件资源的初始化；第二阶段用C语言实现，负责使能Flash、网卡和引导操作系统等。第一阶段启动流程如图2所示。

图2 UBoot第一阶段启动流程

上电后,UBoot首先会设置CPU为管理模式、禁用L1缓存、关闭MMU和清除Caches，之后调用底层初始化函数lowlevel_init()。该函数实现略——编者注。

.globl lowlevel_init

lowlevel_init:

push{lr}

#if defined(CONFIG_SPL_BUILD)

/*初始化时钟 */

blsystem_clock_init

/*初始化内存 */

blmem_ctrl_asm_init

/*初始化串口 */

bluart_asm_init

#endif

pop{pc}

上述代码中system_clock_init(), mem_ctrl_asm_init(),uart_asm_init()这三个函数需要开发者结合具体硬件环境进行修改和实现。

初始化完成之后，UBoot首先调用一个拷贝函数将BL2拷贝到内存地址为0x 3FF0 0000处，然后跳转到该位置执行BL2。在UBoot中，BL1和BL2是基于相同的一些源文件编译生成的。开发者在编写代码时需要使用预编译宏CONFIG_SPL_BUILD来实现BL1和BL2不同的功能。其拷贝函数实现略——编者注。

void copy_code_2_sdram_and_run(void)

{

unsigned long ch;

void (*u_boot)(void);

ch = *(volatile unsigned int *)(0xD0037488);/*根据该地址的值判断传输通道 */

/* copy_bl2()函数不需要开发者去实现，S5PV210在出厂时已经固化在了0xD0037F98地址处 */

copy_sd_mmc_to_mem copy_bl2 = (copy_sd_mmc_to_mem) (*(unsigned int *) (0xD0037F98));

unsigned int ret;

if (ch == 0xEB000000) { /* CONFIG_SYS_TEXT_BASE = 0x3FF00000 */

ret = copy_bl2(0, 49, 1024,(unsigned int *)CONFIG_SYS_TEXT_BASE, 0);

} else if (ch == 0xEB200000) {

ret = copy_bl2(2, 49, 1024,(unsigned int *)CONFIG_SYS_TEXT_BASE, 0);

} else {

return;

}

u_boot = (void *)CONFIG_SYS_TEXT_BASE;

(*u_boot)(); /*跳转到该地址执行 */

}

值得注意的是以上代码中，copy_bl2()函数不需要开发者去实现，S5PV210在出厂时已经将该函数固化在了0xD0037F98地址处。其函数原型如下：

u32 (*copy_sd_mmc_to_mem)(u32 channel, u32 start_block, u16 block_size, u32 *trg, u32 init);/*

参数介绍：

channel：通道数2或0，该值通过读取0xD0037488地址上的值判断。

start_block：从第几个扇区开始拷贝，一个扇区为512byte。

block_size：拷贝多少个扇区，这里拷贝512K

trg：目的地址：0x3FF00000,即离内存顶部1M的位置

init：是否需要初始化SD卡，写0即可。*/

2.3.2 第二阶段初始化

进入第二阶段后，UBoot首先声明一个gd_t结构体类型的指针指向内存地址（0x 4000 0000～GD_SIZE）处。0x 4000 0000为内存结束地址，GD_SIZE为结构体gd_t的大小，这样相当于在内存最顶端分配了一段空间用于存放一个临时结构体gd_t。该结构体在global_data.h中被定义，UBoot用它来存储所有的全局变量。之后UBoot会调用board_init_f()和board_init_r()两个函数进一步对底板进行初始化。

(1) board_init_f()

进入board_init_f()之后，UBoot首先设置之前分配的临时结构体，然后开始划分内存空间，其内存分配状态如图3所示。

图3 UBoot内存分配状态

从图3中可以看到，gd指针指向的临时结构体存放在内存的最顶部。BL2代码存放在内存地址0x 3ff0 0000处，即距离内存顶部1 MB空间的位置，接下来依次分配malloc空间、bd_t结构体空间和gd_t结构体空间，并且重新设置栈，最后将临时结构体拷贝到ID指针所指向的位置。board_init_f()实现过程略——编者注。

unsigned int board_init_f(ulong bootflag) {

memset((void *)gd, 0, sizeof(gd_t));

...

设置gd结构体;

...

addr = CONFIG_SYS_TEXT_BASE;/* CONFIG_SYS_TEXT_BASE = 0x3ff00000000 */

addr_sp = addr - TOTAL_MALLOC_LEN;

addr_sp -= sizeof (bd_t);

bd = (bd_t *) addr_sp;

gd->bd = bd;

addr_sp -= sizeof (gd_t);

id = (gd_t *) addr_sp;

...

memcpy(id, (void *)gd, sizeof(gd_t));

base_sp = addr_sp;

return (unsigned int)id;

}

(2) board_init_r()

board_init_r()负责对其他硬件资源进行初始化，如网卡、Flash、MMC、中断等，最后调用main_loop()，等待用户输入命令。

3 设计实现

3.1 支持Nand Flash读写

Nand Flash是嵌入式系统中重要的存储设备，存储对象包括Bootloader、操作系统内核、环境变量、根文件系统等，所以使能Nand Flash读写是UBoot移植过程中必须完成的一个步骤。UBoot中Nand Flash初始化函数调用关系为：board_init_r()->nand_init()->nand_init_chip()->board_nand_init()。

board_nand_init()完成两件事：①对S5PV210关于Nand Flash控制器的相关寄存器进行设置。②对nand_chip结构体进行设置。需要设置的成员项有IO_ADDR_R和IO_ADDR_W，这两个成员都指向地址0x B0E0 0010，即Nand Flash控制器的数据寄存器的地址。此外还需要实现以下3个成员函数：

① void (*select_chip)(struct mtd_info *mtd, int chip);

该函数实现Nand Flash设备选中或取消选中。

② void (*cmd_ctrl)(struct mtd_info *mtd, int dat, unsigned int ctrl);

该函数实现对Nand Flash发送命令或者地址。

③ int (*dev_ready)(struct mtd_info *mtd);

该函数实现检测Nand Flash设备状态。最后将成员ecc.mode设置为NAND_ECC_SOFT，即ECC软件校验。

配置文件中相应的宏定义略——编者注。

3.2 支持网卡

支持NFS或TFTP网络下载会极大地方便从Linux服务器上下载文件或镜像到硬件平台上，所以使能网卡在UBoot移植过程中就显得非常重要。以网卡DM9000为例，UBoot已经抽象出一套完整的关于DM9000的驱动代码（其源码路径为drivers\\net\\dm9000x.c），用户只需要根据具体的硬件电路配置相应的宏即可。UBoot中DM9000网卡初始化函数的调用关系为：board_init_r()->eth_initialize()->board_eth_init()->dm9000_initialize()。

配置文件中相应的宏定义略——编者注。

3.3 支持环境变量的保存和修改

为了方便用户配置，UBoot将一部分变量，如串口波特率、IP地址、内核参数、启动命令等存在Flash或SD卡上，这部分数据称为环境变量。每次上电启动时，UBoot会检查Flash或SD卡上是否存放有环境变量。如果有则将其读取出来并使用，如果没有就使用默认的环境变量。默认的环境变量定义在env_default.h中，用户也可以随时修改或保存环境变量到Flash或SD卡中。

环境变量的移植非常简单。以Nand Flash为例，开发人员在smdkv210.h源文件中只需要添加如下的宏定义：

#define CONFIG_ENV_IS_IN_NAND

/* 告诉Makefile环境变量保存在Nand Flash中 */

#define CONFIG_ENV_OFFSET 0x80000/* 环境变量保存的Nand Flash中的偏移地址 */

#define CONFIG_ENV_SIZE 0x20000/*环境变量的大小 */

#define CONFIG_ENV_OVERWRITE

/*规定环境变量和覆盖 */

4 测试结果

4.1 测试UBoot启动

测试平台的软硬件环境：硬件平台为友善之臂的smart210开发板；Linux服务器版本为ubuntu9.0；UBoot版本为201301；GCC交叉编译工具链版本为4.3.2。

首先将修改后的源码包放到装有交叉编译工具链的Linux服务器上，输入命令make即可以编译生成两个二进制文件。一个是smdkv210spl.bin，即BL1代码，存放在spl目录下；另一个是uboot.bin，即BL2代码，存放在顶层目录下。然后插入SD卡，执行write2sd.sh脚本就可以把BL1和BL2分别烧写到SD卡的第1扇区和第49扇区。write2sd.sh脚本实现如下：

#!/bin/sh

sudo dd iflag=dsync oflag=dsync if=spl/smdkv210-spl.bin of=/dev/sdc seek=1

sudo dd iflag=dsync oflag=dsync if=u-boot.bin of=/dev/sdc seek=49

烧写完成之后将SD卡插入到smart210开发板的SD卡槽中，连接好串口和网线，上电启动。通过串口工具（本次测试使用的是SecureCRT）看到输出信息，即表示该UBoot已经成功运行在开发板上，测试UBoot启动图略——编者注。

4.2 测试Nand Flash和网卡

在等待命令状态下输入“nfs 20000000 192.168.1.123:/work/nfs_root/uImage”,该命令表示从IP为192.168.1.123的Linux服务器上，通过NFS下载该服务器上“/work/nfs_root”目录下的uImage，并存放在内存地址为0x 2000 0000处，uImage为适配于S5PV210开发板的Linux内核镜像。等待一段时间后看到“Bytes transferred = 2127008 (2074a0 hex)”字样,表示下载成功。

下载成功之后输入命令“nand erase.part kernel”，该命令表示擦除Nand Flash上的kernel分区。接着输入命令“nand write 2000 0000 kernel”,该命令表示拷贝内存地址为0x 2000 0000的内容，烧写到Nand Flash的kernel分区中。内存地址0x 2000 0000存放的内容正是之前从Linux服务器上下载下来的uImage。kernel保存在环境变量mtdparts中，kernel规定了该分区的起始地址和大小。执行完这两条命令后看到“4194304 bytes written: OK”字样，表示系统内核已经成功烧写到Nand Flash中，证明了Nand Flash和网卡均可以正常使用。其实验结果略——编者注。

4.3 测试引导内核启动

烧写完内核之后执行boot命令就可以启动该内核。boot命令实际上是执行环境变量bootcmd中的一条语句，其内容为“nand read 2000 0000 kernel; bootm 20000000”，该语句表示从Nand Flash的kernel分区中读出内核并存放在内存地址为0x 2000 0000处，然后跳转在该地址执行内核镜像。启动过程中可以看到串口打印出的信息，证明了该UBoot已经成功支持引导Linux操作系统。测试引导内核启动图略——编者注。

结语

本文首先从硬件和软件两个方面分析了S5PV210的特性及启动方式，然后通过uboot2013.01源码包详细阐述了UBoot启动过程中的两个阶段，最后结合smart210开发板成功设计了一个基于SD卡启动、多功能的Bootloader。测试结果表明，该Bootloader支持Nand Flash读写、NFS网络下载、环境变量保存和修改等功能，为后期开发带来了极大的便利。