引言

嵌入式系统启动的第一步就是运行一段引导程序，其作用是进行初始化，如改变系统时钟、关闭WatchDog、初始化存储控制器、将更多的代码复制到内存中等。如果它能将操作系统内核复制到内存中运行，就称这段程序为Bootloader。其一般固化在ROM、Flash等非易失性存储器上。Bootloader的设计依赖于CPU的体系结构和具体的嵌入式板级配置，即使CPU相同，外设也可能不同，所以这种强硬件依赖性决定了开发通用的Bootloader相当困难。而Bootloader的开发又是整个嵌入式系统开发的第一步，非常关键。本文从可利用资源和实际的产品开发周期角度考虑，移植已有的Bootloader源码符合大多数项目的开发要求。目前，支持ARM架构的有UBoot、Vivi、RedBoot等。

本文首先分析了UBoot的主要功能及结构特点。然后基于工控级的AT91RM9200芯片，详细地介绍了UBoot1.1.6版本的移植过程，并在此基础上设计了菜单式的UBoot，为后续的开发提供了很大的便利。最后，通过改进的UBoot成功地在目标板上启动了Linux 2.6.22内核。

1UBoot简介

UBoot（Universal Bootloader，通用Bootloader）是一款开放源代码、功能强大的Bootloader，遵循GPL条款的开放源代码项目。 “通用”有两层含义：可以引导多种操作系统和支持多种架构的CPU。 它支持Linux、 NetBSD、VxWorks、QNX、RTEMS、ARTOS、LynxOS等操作系统，以及PowerPC、MIPS、x86、ARM、Nios、XScale等架构的CPU。UBoot的源码目录、编译形式与Linux内核相似，具有较高的可靠性和稳定性，功能设置灵活，调试方便，有丰富的设备驱动源码和开发调试文档。

2UBoot启动流程和源码结构

2.1UBoot启动流程

UBoot的启动分为两个阶段： 第一阶段使用汇编语言来实现，它完成一些依赖于CPU体系结构的初始化，并调用第二阶段的代码；第二阶段则通常使用C语言来实现，这样可以实现更复杂的功能，而且代码会有更好的可读性和可移植性。

UBoot第一阶段的功能：

◆ 初始化硬件设备，包括关闭WatchDog、关中断、设置CPU的速度和时钟频率、初始化RAM等；

◆ 为加载UBoot第二阶段代码准备RAM空间；

◆ 复制UBoot第二阶段代码到RAM空间；

◆ 设置好堆栈；

◆ 跳转到第二阶段代码的C入口点。

UBoot第二阶段的功能：

◆ 初始化本阶段要使用到的硬件设备；

◆ 检测系统内存映射；

◆ 将内核映像和根文件系统映像从Flash上读到RAM空间中；

◆ 为内核设置启动参数；

◆ 调用内核。

为了方便开发，至少要初始化一个串口以便程序员与UBoot进行交互。对于检测内存映射，由于UBoot是根据各类开发板编写的，所以可以根据目标板的情况直接设置。UBoot将压缩的内核映像和文件系统复制到RAM中，解压后直接跳到内核的入口点即可调用内核。

2.2UBoot源码结构

UBoot根目录下共有26个子目录，可分为4类：平台相关的或开发板相关的，通用函数，通用的设备驱动程序以及UBoot工具、示例程序、文档。其底层目录的层次结构如图1所示。

图1Boot底层目录的层次结构

从图中可以看出，board、cpu、lib_xxx等目录最接近底层硬件，所以移植过程中修改的重点也是这几个目录中的文件。

3UBoot在AT91RM9200上的移植

3.1AT91RM9200的启动方式

AT91RM9200分为片内引导和片外引导。片内引导通常采用串口下载并引导UBoot，并将程序烧写到Flash上，然后就可以通过跳线的方式从片外引导执行已经烧写到片外Flash上的UBoot。

裸板只能用片内引导方式。载入一个12 KB以内的小程序loader.bin到内部SRAM运行，当这个小程序初始化SDRAM后，再把uboot.bin下载到SDRAM的高端运行（UBoot大于12 KB，所以不能直接下载）。PC机跳到SDRAM的UBoot位置运行，UBoot启动后再用UBoot命令把boot.bin及uboot.gz下载到SDRAM的低端，再用Flash烧写命令烧写进Flash，就可以片外启动了。AT91RM9200片外启动的起始地址就是0x0，通常此地址存放的是boot.bin，由其将uboot.gz解压到高端RAM中，再运行真正的uboot.bin，就真正启动UBoot了。loader.bin和boot.bin是较简单的开放源码，可以下载直接使用，无需改动。

3.2与目标板相关的源码文件

与目标板相关的源码文件包括如下内容:

① 在cpu/at91rm9200/目录下分别为cpu.c、interrupts.c和serial.c等文件。这些文件都是与CPU相关的，与目标板本身的配置无关。移植时选择相同CPU下的文件即可，无需修改。

② 在board/at91rm9200dk/目录下分别为flash.c、at91rm9200dk.c、config.mk、Makefile和uboot.lds。其中flash.c是UBoot读、写和删除Flash设备的源代码文件，是移植的重点，必须根据目标板使用的Flash类型来修改。at91rm9200dk.c是板级初始化、地址初始化等与目标板相关设置的文件，也需要修改。

③ 在include/目录下的flash.h文件。根据flash.c文件也要做相应的修改。

④ 在include/configs/目录下的at91rm9200dk.h文件。该头文件包括目标板各项参数的宏定义以及UBoot与内核传递参数的定义，需要修改。

3.3移植的具体过程

移植的具体过程如下：

① 在board 目录下选择相近的板型。本文是基于工控级的AT91RM9200芯片，所以直接选择at91rm9200dk板型进行修改。

首先修改该文件夹下的flash.c文件。目标板使用的Flash芯片是Intel公司的28F128J3，源代码的Flash型号是AT49BV16，所以要自己设计flash.c代码。参考Intel公司相近型号的Flash文件以及芯片手册，代码中首先宏定义设置Flash的实际大小以及块大小。

#define FLASH_BANK_SIZE 0x1000000

#define MAIN_SECT_SIZE 0x20000

然后实现flash_init（）、flash_print_info（）、flash_erase（）、write_word（）、write_buff（）等函数，完成Flash的初始化、信息输出、Flash擦除、Flash读写，以及从RAM到Flash的复制等功能。其中注意将Flash的位宽定义成16位。

#define FLASH_PORT_WIDTH 16//定义位宽为16位

修改了flash.c后，就要在include/flash.h 文件中添加相应Flash的ID号：

#define MICRON_ID_28F128J3 0x00180018

接着修改at91rm9200dk.c文件，改动50行左右的机器类型码，将

gd>bd>bi_arch_number=MACH_TYPE_AT91RM9200

改为：

gd>bd>bi_arch_number=MACH_TYPE_AT91RM9200DK

因为内核使用的版本是Linux 2.6.22，要使用262的机器类型码。否则引导内核时会出现unrecognized/unsupported machine ID的错误而不能启动。

② 进入include/configs 目录，修改at91rm9200dk.h头文件。主要是修改关于Flash的一些参数，如Flash的实际大小和起始地址。然后添加UBoot传递给内核的命令行参数：

#define COMMAND_LINE "initrd=0x21100000,0x4000000 root=/dev/ram0 init=/linuxrc console=ttyS0,115200 mem=32M rw"

#define CONFIG_BOOTARGS "initrd=0x21100000,0x4000000 root=/dev/ram0 init=/linuxrc console=ttyS0,115200 mem=32M rw"

由于采用的是较高版本的UBoot，会出现启动后显示downloaded successfully，然后进入死循环的情况。解决方法是在该文件中加入宏定义：

#define CONFIG_SKIP_ LOWLEVEL_INIT

因为目标板会自动进行初始化，所以要使用此宏定义跳过LOWLEVEL等级的初始化，否则会成为死循环。

③ 修改完相关文件后，使用命令编译镜像文件。

#make at91rm9200dk_config

#make

如果编译使用的交叉编译器不支持软件浮点，则会出现错误： uses hardware FP，where as uboot uses software FP。解决方式是：修改cpu/[CPUTYPES]/config.mk，删除msoftfloat，先执行make distclean，然后配置，执行make。

编译完成后，生成镜像文件uboot.bin，然后制成压缩包uboot.bin.gz，就可以烧写到目标板Flash中完成移植过程了。

4设计菜单式UBoot

为了方便后续的开发工作，设计了菜单式的UBoot，将大量的命令行代码设计成一键选择的菜单式，大大节省了开发时间。下面详细介绍设计过程。

（1） 添加UBoot的命令格式

要设计菜单式UBoot，就要添加新的UBoot命令，其命令格式定义为：

U_BOOT_CMD（name,maxargs,rep,cmd,usage,help）;

其中，name为命令名，非字符串，用#符号转换为字符串；maxargs为命令的最大参数个数；rep为是否自动重复；cmd为该命令对应的响应函数；usage为简短的使用说明；help为较详细的使用说明。

（2） 定义菜单命令

首先在common 目录下新建cmd_menu.c 文件，其中定义菜单命令的代码如下：

U_BOOT_CMD（

menu,3,0,do_menu,

"menudisplay a menun",

"display a menu,to select it to do somethingn"

）;

（3） 定义菜单命令响应函数

定义do_menu（）函数，该函数调用定义的子函数display_menu（）、putkey（）、menu_shell（）。它们的功能分别是：显示menu主菜单各选项，等待用户输入选择，以及对用户的输入执行相应的命令行。

（4） 编译菜单命令

编写完cmd_menu.c文件后，在common/Makefile 文件中加入目标代码cmd_menu.o。在include/configs/at91rm9200dk.h 文件中加入：

#define CONFIG_BOOT_MENU 1

然后重新编译、下载UBoot镜像文件，就可以使用菜单命令了。菜单式UBoot如图2所示，可方便地进行操作。

图2菜单式UBoot

结语

本文根据工控级目标板的硬件配置，以UBoot中配置相似的标准板型为参考，修改与硬件相关的源代码以适应具体应用需要。通过移植UBoot，避免了在嵌入式系统开发过程中有新的应用需求而完全重写Bootloader的局面，缩短了整个系统的开发周期。同时为了方便后续的开发，笔者在原版本UBoot的基础上加入了菜单功能，一键选择的功能为开发者和使用者都提供了便利。文中还提到了移植遇到的问题及解决方法，为相关开发人员遇到同类问题提供参考。

目前，移植的UBoot在目标板上稳定运行，菜单功能使用良好，引导Linux2.6内核启动正常，希望本文对相关工作的开发人员有所帮助。