基于S3C6410的Uboot分析与移植

2013-10-17冯林琳耿恒山

计算机与现代化 2013年1期

冯林琳，耿恒山

(河北工业大学计算机科学与软件学院，天津 300401)

1 移植环境和BootLoader介绍

1.1 移植Uboot的软硬件环境

本文采用的S3C6410芯片是基于ARM11架构的16/32位RISC微处理器。它采用ARMv6指令集，支持从 SD Card、NOR Flash、NAND Flash 和 One-NAND Flash中引导系统，是一个低成本、低功耗、高性能的应用处理器解决方案。开发板主要硬件资源见表1。

表1 开发板主要硬件资源

本文使用 Kubuntu 12.04作为编译系统，采用arm-linux-gcc-4.7.0工具链作为编译器。开发板与目标机通过串口和网口链接，并使用Jlink V8仿真器进行调试和下载。

1.2 BootLoader介绍

BootLoader是嵌入式设备上电后执行的第一段程序，负责初始化硬件设备、建立内存空间映射图，引导嵌入式操作系统内核，其功能同X86体系结构中BIOS基本相同。BootLoader通常使用SD Card、NOR Flash和NAND Flash启动。目前，常用的BootLoader主要为vivi和Uboot，其中Uboot又占据了绝大部分份额。

2 Uboot结构与启动流程分析

2.1 Uboot结构分析

Uboot为德国DENX小组开发的嵌入式通用BootLoader。它支持 ARM、MIPS、XScale等多种体系结构，并支持引导Linux、VxWorks、NETBSD等多种操作系统。本文采用Uboot-2012-4版本。

Uboot共有18个目录，按层次和调用关系如图1所示。

图1 UBoot源代码层次和调用关系

Uboot新版本相对之前的旧版本，层次结构和调用关系更加清晰，对于移植新平台非常有利，降低了移植的难度和时间。

2.2 Uboot启动流程分析

Uboot的启动分为两个阶段。第一阶段主要为汇编代码，涉及 cpu/arm1176/start.s，board/开发板目录/lowlevel_init.S 和 arch/arm/lib/board.c 中的 borad_init_f函数。完成如下工作:

(1)设置CPU为SVC模式，关中断，关看门狗，关MMU;

(2)设置时钟，初始化各硬件控制器;

(3)设置堆栈;

(4)复制(重定位)Uboot到内存中;

(5)跳转到第二阶段代码入口。

第一阶段流程图如图2所示。

图2 第一阶段流程图

因为在第一阶段已经设置好堆栈，所以从第二阶段开始使用C语言实现。在arch/arm/lib/board.c的borad_init_r函数中uboot继续初始化各硬件资源，如串口、网卡、NAND Flash等。然后跳转至死循环common/main.c中的main_loop函数，启动Linux内核或等待用户输入命令。

3 Uboot移植

针对本文采用的开发板，使用与其硬件资源相近并且Uboot已经支持的SMDK6400开发板实现移植。本开发板没有配置NOR Flash，因此要实现从NAND Flash中启动UBoot。

3.1 创建工程目录

(1)在boardsamsung下，新建文件夹S3C6410。将SMDK6400目录下所有文件拷贝到S3C6410中，重命名 smdk6400.c和 smdk6400_nand_spl.c为s3c6410.c和 s3c6410_nand_spl.c，修改 Makefile 中COBJS-y:=smdk6400.o 为 COBJS-y:=s3c6410.o。

(2)在nand_sploardsamsung下，新建文件夹s3c6410，拷贝smdk6400目录下所有文件到s3c6410中。重命名smdk6400_nand_spl.c为s3c6410_nand_spl.c，修改 makefile中 smdk6400 字段为 s3c6410。

(3)在includeconfigs目录下，拷贝 smdk6400.h并重命名为s3c6410.h。

(4)修改根目录下的makefile，依据smdk6400添加s3c6410编译规则。

3.2 实现NAND Flash启动Uboot

ARM体系结构的微处理器上电后从地址0x0开始执行第一条代码。随着时代的发展，NAND Flash凭借容量大、速度快、价格低等优点逐渐取代NOR Flash。许多嵌入式平台上已经不再配备NOR Flash。

NOR Flash可以按地址读取，NAND Flash只能按页读取，因此不能直接从NAND Flash中启动Uboot。当S3C6410芯片配置成从NAND Flash启动模式时，系统上电后通过NAND Flash控制器自动读取NAND Flash中前4k内容到S3C6410芯片内部的stepping stone中，并将其映射到地址0x0开始执行。所以，如果S3C6410要从NAND Flash中启动，就必须在程序前4k代码中将完整的Uboot从NAND Flash中复制到内存，然后跳转到内存中相应继续执行，完成启动过程。

从NAND Flash启动的Uboot由两部分组成:前4k uboot_nand_spl文件和正常Uboot文件。它们顺序相接，中间没有空隙。宏 CONFIG_NAND_SPL是uboot_nand_spl的编译开关。当编译uboot_nand_spl时，第一阶段将由s3c6410_nand_spl.c中board_init_f函数替换board.c中的 board_init_f函数。此处的board_init_f不设置堆栈直接跳转回start.S，然后再从start.s跳转至 nand_spl and_boot.c 中的 nand_boot函数。nand_boot函数负责将NAND Flash中4k之后正常的Uboot复制到内存中，并跳转到内存中相应位置继续执行。

nand_boot函数用C语言实现，但第一阶段的board_init_f没有设置堆栈，所以这里使用的堆栈应该是s3c6410内部的IRAM(地址为0x0c00_0000～0x0fff_ffff，实际使用只有4k)。

将 start.s中的

此时sp指向S3C6410内部的IRAM。

3.3 添加DM9000A网卡

在uboot-2012-4版本中，已经实现对DM9000A网卡的支持，在此只需正确配置网卡信息，即可完成网卡驱动的移植。

开发板的所有硬件资源配置信息在include/configs/s3c6410.h中。本开发板使用的DM9000A网卡连接至S3c6410芯片的Bank0，地址为0x18000300，DM9000A。修改 s3c6410.h，添加以下 DM9000A网卡配置信息:

删除以下cs8900网卡配置信息:

本文使用的开发板为256MB内存，需修改内存配置信息:

3.4 编译并烧写到NAND Flash

在Uboot根目录下执行make s3c6410_config，生成编译配置文件，再执行make编译Uboot镜像。根目录生成的u-boot.bin镜像可在内存和NOR Flash中启动，u-boot-nand.bin镜像可在NAND Flash中启动。

NAND Flash无法直接使用Jlink烧写，本文通过Uboot自身功能实现NAND Flash的烧写。

使用Jlink把u-boot.bin和 u-boot-nand.bin下载到开发板内存中0x50000000和0x50100000处，运行u-boot.bin。此时 Uboot由内存中启动。执行 Uboot的nand erase 0x0 64000擦除NAND Flash最前面400kB空间，执行 nand write 0x50100000 0x0 64000将u-boot-nand.bin烧写到NAND Flash。复位开发板实现从NAND Flash中启动Uboot。