基于S3C2440的U-Boot开机logo的设计与实现

袁 帅，杨 著，刘青山

（西南科技大学 计算科学与技术学院，四川 绵阳 621010）

随着科技进步以及多媒体应用的推动下，LCD被广泛应用到嵌入式相关产品中，从而提高用户视觉体验效果。本设计基于S3C2440处理器为硬件平台，通过在U-Boot中的添加LCD驱动并实现开机logo功能，通过验证表明，该设计可为开发者提供友好的调试信息，并为用户提供友好的开机界面。

1 系统总体结构

系统采用S3C2440为主控处理器，该处理器是基于ARM920T的32位嵌入式微处理器，具有低功耗，高性能等特点，被广泛应用于嵌入式设备中[1]。文中结合S3C2440处理器的特点，同时对U-Boot的体系结构、启动流程进行深入分析，并根据LCD图形显示原理完成基于U-Boot的相关硬件设备驱动程序，最终实现基于S3C2440的U-Boot开机logo的设计与实现。

2 U-Boot分析

Bootloader是在操作系统启动前运行的一段用于对硬件设备进行初始化的程序，该程序为内存空间建立映射图，并为操作系统的启动配置相关环境等工作。

2.1 U-Boot简介

U-Boot（Universal Boot Loader）是由 DENX 小组开发的遵循GPL条款的开源程序，其主要工作包括对硬件设备初始化、操作系统代码搬运等。同时，U-Boot还支持多种嵌入式操作系统以及多种类型的处理器，并具有较高的可靠性和稳定性，而且丰富的设备驱动程序以及开发文档，强大的网络技术支持等，为嵌入式软件开发提高效率[2]。

2.2 U-Boot启动分析

U-Boot通过两个阶段分别实现硬件设备初始化和操作系统的引导启用功能。而系统启动的入口点是通过在文件uboot.lds中指定，并在编译过程中将入口点通知编译器，通过文件中的ENTRY（_start）指出程序从_start开始运行，其具体指向的是start.o（即start.s生成的目标文件）文件。在系统加电后，根据指定地址取出第一条指令并运行，通过这种方式实现U-Boot的引导启动。

第一阶段的启动代码主要包含在start.s文件中，该阶段首先对中断向量表进行设置，将CPU模式置为管理模式（svc），关闭看门狗，设置时钟频率（对 FCLK，HCLK，PCLK三者之间的比例进行设置），设置寄存器等工作，如图1所示；其次，为使系统获得更快的执行速度，U-Boot会将自己从非易失性存储器搬移到 RAM中执行启动，如图2所示；最后，分配堆栈空间，设置堆栈指针，清零BSS，并通过指令ldr pc，_start_armboot实现跳转，从而完成U-Boot第一阶段启动工作。完成对处理器相关的初始化工作后，系统通过调用lib_arm/board.c中的start_armboot函数进入第二阶段。该阶段为U-Boot的主体部分，但为了提高程序的可读性和可移植性，该阶段的代码通过C语言来完成对设备的进一步初始化工作，主要包括对Flash设备的初始化，内存分配，并对硬件设备进行初始化等任务。完成一系列初始化工作后，程序引导进入while主循环，等待用户选择系统启动模式，如果用户选择进入下载模式，将接受从终端输入的命令并执行，否则直接调用预先设置的环境参数bootcmd，根据设置的参数引导操作系统的启动，流程如图3所示。

图1 U-Boot第一阶段启动流程Fig.1 The first stage of boot process for U-Boot

图2 U-Boot内存分布图Fig.2 U-Boot memory map

图3 U-Boot第二阶段启动流程Fig.3 The second stage of boot process for U-Boot

3 U-Boot开机Logo实现

3.1 系统开发环境

系统采用32位的嵌入式RISC微处理器S3C2440，其主频最高可达533 MHz，并拥有丰富的片上资源：4通道DMA，4通道脉宽调制定时器，8通道10位的A/D控制器及触摸屏接口等。其中，处理器上的LCD控制器可用于传输视频数据并产生必要的控制信号（如VFRAME、VLINE、VCLK、VM等），而视频数据输出是通过端口[1]VD[23:0]。

3.2 LCD控制原理

LCD能够正常显示图像或文字信息，需要LCD驱动器和控制器两者的支持。其中，LCD驱动器是以COF/COG的形式与LCD玻璃基板制作在一起；而LCD控制器[4]则是由外部电路来实现，通过LCD控制器就可以产生LCD驱动器所需要的控制信号，并利用这些控制信号来控制STN/TFT屏的显示。

在S3C2440处理器内部已经集成有LCD控制器，其结构如图4所示。该处理器主要由 REGBANK、LCDCDMA、TIMEGEN、VIDPRCS寄存器组成。其中，REGBANK寄存器由17个可编程的寄存器组以及一块256×16的调色板内存组成，用于配置LCD控制器；LCDCDMA寄存器是一个专用的DMA，DMA通道主要实现视频在不需要CPU的干预下直接显示到LCD屏上；VIDPRCS寄存器用于接收从LCDCDMA中传递的视频数据，并将数据转换为合适的数据格式，最后通过数据输出端口VD[23:0]将视频数据传送到LCD显示屏；TIMEGEN寄存器由可编程的逻辑单元组成，用于生成LCD驱动器所需要的VSYNC、HSYNC、VCLK和 LEND等控制信号，而这些控制信号又与REGBANK寄存器组中的LCDCON1/2/3/4/5的配置密切相关，通过不同的配置，TIMEGEN就能产生不同的信号形态，从而实现对不同的LCD设备的支持[3-5]。

3.3 驱动开发

要实现基于U-Boot的开机logo，首先需要对不同的LCD显示屏开发相应的驱动程序。根据U-Boot中文件管理方式，与显示屏相关的驱动程序均放在目录drivers/video/下，在该文件夹中添加本设计需要的驱动文件s3c2440_fb.c。在文件中通过调用函数void*video_hw_init（void）检测系统显示屏型号，并对检测到的设备进行相关的初始化，包括通过环境变量获取图像显示模式（videomode）、设置显示模式、计算水平同步信号宽度 （HSYNCH）和垂直同步脉冲宽度（VSYNCH）、对图像硬件设备所依赖的结构体进行初始化，以及设置BPP（图像的每个像素值所需要的位数，bits_per_pixel）等，主要初始化过程及核心代码如下：

图4 S3C2440 LCD控制器结构Fig.4 S3C2440 LCD controller block diagram

1）计算 HSYNCH和VSYNCH：

2）硬件设备初始化

3）分辨率设置

3.4 模式设置

模式设置用于确定LCD分辨率及工作模式，根据对LCD屏的时序分析设置适当的时钟信号，从而实现在固定的场、行周期内显示完整画面，使显示分辨率达到最好效果；同时结合行、场同步信号时序，设置水平、垂直起始位置及显示区域等信息，从而使LCD能正确显示有效数据。因此，结合LCD数据手册在文件videomodes.c中添加显示模式选项：

其中 le、ri、up、lo、hs、vs分别根据硬件特性设置为 HBPD（horizontal back porch， 对 应 驱 动 中 的 left_margin）、HFPD（horizontal front porth， 对 应 驱 动 中 的 right_margin）、VBPD（vertical back porch， 对 应 驱 动 中 的 upper_margin）、VFBD（vertical front porch， 对 应 驱 动 中 的 lower_margin）、HSPW（horizontal sync pulse width，对应驱动中的 hsync_len）、VSPW（vertical sync pulse width，对应驱动中的 vsync_len）[6]。

3.5 功能测试

在U-Boot中实现硬件设备驱动以及相关的配置程序后，重新编译U-Boot，并将生成的二进制文件下载到实验平台，上电后在显示屏左上角可看到显示的denx.bmp图片，即实现基于U-Boot的开机logo功能。这里所使用的默认图片位于路径tools/logos/中，当需要采用其它图片作为开机logo时，只需要将denx.bmp文件替换为需要的图片并重新编译即可。

4 结束语

通过在U-Boot添加开机logo方便开发者了解系统启动过程，也为用户提供友好的开机界面。同时，在需要对开机logo进行修改时，只需要对相应的图片进行替换并编译，不再使用其他的转换工具对图片进行处理，或重新配置相关的程序源文件，因此，方便开机logo的修改。

[1]宣言，曾连荪.基于ARM的真彩LCD驱动程序设计[J].电脑知识与技术，2009，5（8）：2023-2025.XUAN Yan， ZENG Lian-sun.Based on ARM’s true color LCD driver design[J].Computer Knowledge and Technology，2009，5（8）：2023-2025.

[2]DENX.The DENX U-Boot and Linux Guide （DULG）for canyonlands[EB/OL]. （2010-10）[2010-10-1].http://www.denx.de/wiki/DULG/Manual.

[3]宫莉莉，赵勇.基于嵌入式Linux系统的LCD驱动实现[J].微计算机信息，2008，24（12-2）：1-3.GONG Li-li，ZHAO Yong.Implementation of LCD driver based on embedded Linux [J].Microcomputer Information，2008，24（12-2）：1-3.

[4]Samsung semiconductor. S3C2440A 32-Bit CMOS Microcontroller User’s Manual[EB/OL]. （2004）[2010-8-12].http://www.docin.com/p-24716747.htm l.

[5]黄勇亮.基于嵌入式S3C2440的船舶导航系统设计[J].微计算机信息，2008，24（4-2）：134-136，154.HUANG Yong-liang.Design of steamboat navigation system based on embest S3C2440 [J].Microcomputer Information，2008，24（4-2）：134-136，154.

[6]Innolux Display Corporation.LCD Module Specification[EB/OL]. （2007-05-11）[2010-9-5].http://www.elecfans.com/soft/softdown.asp?softid=13151.