u-boot分析与使用—u-boot编译体验

• 硬件平台：韦东山嵌入式Linxu开发板（S3C2440.v3）
• 软件平台：运行于VMware Workstation 12 Player下UbuntuLTS16.04_x64 系统
• 参考资料：《嵌入式Linux应用开发手册》、《嵌入式Linux应用开发手册第2版》
• 开发环境：Linux 2.6.22.6 内核、arm-linux-gcc-3.4.5-glibc-2.3.6工具链
  

  目录

  • u-boot分析与使用—u-boot编译体验
  • 一、前言
  • 二、编写bootloader
  • 1、编写`start.S`文件
  • 1.1 关看门狗
  • 1.2 设置时钟
  • 1.3 初始化SDRAM
  • 1.4 重定位 : 把bootloader本身的代码从flash复制到它的链接地址去
  • 1.5 执行`main()`
  • 1.6 完整的程序
  • 2、编写链接脚本`boot.lds`
  • 3、编写`boot.c`主函数文件
  • 3.1 帮内核设置串口
  • 3.2 从NAND FLASH里把内核读入内存
  • 3.3 设置参数
  • 3.4 跳转执行
  • 3.5 完整的文件
  • 4、编写相关初始化`init.c`文件
  • 5、编写`Makefile`文件
  • 三、编译与测试
  • 1、编译
  • 2、测试

---

一、前言

在嵌入式Linux开发板中，u-boot的目的是为了启动内核，大致流程如下图：

1. 开发板一上电，启动bootloader
2. bootloader首先从Nand Flash上把内核加载到内存中，
3. bootloader随后初始化内存、时钟等
4. bootloader之后进行参数的设置，如启动参数、内存参数、命令参数、结束参数
5. bootloader最后跳转启动内核

下面就来从0开始编写bootloader，实现上述功能。

二、编写bootloader

• 在【5.1 u-boot分析与使用—u-boot编译体验】有提到过，bootloader可以类比成一个复杂的裸机程序。对于一个裸机程序，根据第一期的学习经验，可以知道程序首先执行的是.S文件中的指令，所以第一个需要编写的文件是start.S
• 整个程序的流程：先执行start.S中的程序，下面的第五步，进入到main()内进行串口的初始化、传递给内核的参数的一些设置、把内核读到内存、以及跳转去执行内核部分。

1、编写start.S文件

实现的功能如下：

1. 关看门狗
2. 设置时钟
3. 初始化SDRAM
4. 重定位 : 把bootloader本身的代码从flash复制到它的链接地址去
5. 执行main()

1.1 关看门狗

查s3c2440可以往0x53000000地址写0可以关闭看门狗

	ldr r0, =0x53000000mov r1, #0str r1, [r0]

1.2 设置时钟

• 这里的时钟设置为：FCLK:HCLK:PCLK=1:4:8，主要是一个优化措施：提高时钟频率
• 对于CPU总线模式设置为asynchronous bus mode，这里是手册上规定的
• 启动ICACHE：主要是一个优化措施：提高从Flash上读出内核的速度

	ldr r0, =0x4c000014//	mov r1, #0x03;			// FCLK:HCLK:PCLK=1:2:4, HDIVN=1,PDIVN=1mov r1, #0x05;			  	// FCLK:HCLK:PCLK=1:4:8str r1, [r0]/* 如果HDIVN非0，CPU的总线模式应该从“fast bus mode”变为“asynchronous bus mode” */mrc	p15, 0, r1, c1, c0, 0		//读出控制寄存器orr	r1, r1, #0xc0000000			//设置为“asynchronous bus modemcr	p15, 0, r1, c1, c0, 0		//写入控制寄存器/* MPLLCON = S3C2440_MPLL_200MHZ */ldr r0, =0x4c000004ldr r1, =S3C2440_MPLL_400MHZstr r1, [r0]/* 启动ICACHE */mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0	@ read control regorr r0, r0, #(1<<12)mcr	p15, 0, r0, c1, c0, 0   @ write it back

1.3 初始化SDRAM

	ldr r0, =MEM_CTL_BASEadr r1, sdram_config    //sdram_config的当前地址add r3, r0, #(13*4)		//r3等于r0 + 52，即sdram_config的末地址
1:ldr r2, [r1], #4		//r2从r1的地址读到一个值，后r1+4str r2, [r0], #4		//把r2的值存到r0所指向的地方，后r0+4cmp r0, r3				//比较r0与r3，不等则跳回1bne 1bsdram_config:.long 0x22011110	 //BWSCON.long 0x00000700	 //BANKCON0.long 0x00000700	 //BANKCON1.long 0x00000700	 //BANKCON2.long 0x00000700	 //BANKCON3  .long 0x00000700	 //BANKCON4.long 0x00000700	 //BANKCON5.long 0x00018005	 //BANKCON6.long 0x00018005	 //BANKCON7.long 0x008C04F4	 //REFRESH.long 0x000000B1	 //BANKSIZE.long 0x00000030	 //MRSRB6.long 0x00000030	 //MRSRB7

1.4 重定位 : 把bootloader本身的代码从flash复制到它的链接地址去

对于copy_code_to_sdram()与clean bss()是通过C语言实现的。
为什么需要重定位呢？（具体可以看这篇博客【009 数据段重定位】）
问题：

• 首先：CPU能直接访问的地方有：NOR FLASH、SDRAM、SRAM和各种控制器（包括NAND flash控制器）。所以当我们的程序烧写到SDRAM或者NOR FALSH的时候，程序能直接运行。
• 如果烧写到NAND FLASH，芯片会把程序的头4K先拷贝到SRAM中执行，如果NAND flash中的程序小于4K的话，程序还能正常运行，如果大于4K，那大于4K的这部分就运行不了。

解决：

• 所以我们就引入了重定位，NAND FLASH的代码中的前4K的代码中需要把整个代码拷贝到SDRAM去执行。

• 另外，对于NOR FLASH来说，我们无法简单的去写NOR FLASH，所以一旦程序中有需要写的变量，比如全局变量和静态变量，我们在无法在NOR FLASH上直接修改它们的值。因此，我们还是需要将NOR FLASH代码重定位到SDRAM中去执行。

	ldr sp, =0x34000000		//设置栈bl nand_init			//因为无论是何种方式启动，内核都是在nand flash上，需要读出来mov r0, #0ldr r1, =_start			//链接地址 ldr r2, =__bss_start	//链接脚本的地址sub r2, r2, r1			//得到程序的大小 bl copy_code_to_sdram	//执行重定位代码bl clear_bss			//清楚bss段

1.5 执行main()

对于main()是通过C语言实现

	ldr lr, =halt			//返回地址死循环ldr pc, =main
halt:b halt

1.6 完整的程序

#define S3C2440_MPLL_200MHZ     ((0x5c<<12)|(0x01<<4)|(0x02))
#define S3C2440_MPLL_400MHZ     ((0x5c<<12)|(0x01<<4)|(0x01))
#define MEM_CTL_BASE    0x48000000.text
.global _start
_start:/* 1. 关看门狗 */ldr r0, =0x53000000mov r1, #0str r1, [r0]/* 2. 设置时钟 */ldr r0, =0x4c000014//	mov r1, #0x03;			// FCLK:HCLK:PCLK=1:2:4, HDIVN=1,PDIVN=1mov r1, #0x05;			  	// FCLK:HCLK:PCLK=1:4:8str r1, [r0]/* 如果HDIVN非0，CPU的总线模式应该从“fast bus mode”变为“asynchronous bus mode” */mrc	p15, 0, r1, c1, c0, 0		//读出控制寄存器orr	r1, r1, #0xc0000000			//设置为“asynchronous bus modemcr	p15, 0, r1, c1, c0, 0		//写入控制寄存器/* MPLLCON = S3C2440_MPLL_200MHZ */ldr r0, =0x4c000004ldr r1, =S3C2440_MPLL_400MHZstr r1, [r0]/* 启动ICACHE */mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0	@ read control regorr r0, r0, #(1<<12)mcr	p15, 0, r0, c1, c0, 0   @ write it back/* 3. 初始化SDRAM */ldr r0, =MEM_CTL_BASEadr r1, sdram_config    //sdram_config的当前地址add r3, r0, #(13*4)		//r3等于r0 + 52，即sdram_config的末地址
1:ldr r2, [r1], #4		//r2从r1的地址读到一个值，后r1+4str r2, [r0], #4		//把r2的值存到r0所指向的地方，后r0+4cmp r0, r3				//比较r0与r3，不等则跳回1bne 1b/* 4. 重定位 : 把bootloader本身的代码从flash复制到它的链接地址去 */ldr sp, =0x34000000		//设置栈bl nand_init			//因为无论是何种方式启动，内核都是在nand flash上，需要读出来mov r0, #0ldr r1, =_start			//链接地址 ldr r2, =__bss_start	//链接脚本的地址sub r2, r2, r1			//得到程序的大小 bl copy_code_to_sdram	//执行重定位代码bl clear_bss			//清楚bss段/* 5. 执行main */ldr lr, =halt			//返回地址死循环ldr pc, =main
halt:b haltsdram_config:.long 0x22011110	 //BWSCON.long 0x00000700	 //BANKCON0.long 0x00000700	 //BANKCON1.long 0x00000700	 //BANKCON2.long 0x00000700	 //BANKCON3  .long 0x00000700	 //BANKCON4.long 0x00000700	 //BANKCON5.long 0x00018005	 //BANKCON6.long 0x00018005	 //BANKCON7.long 0x008C04F4	 //REFRESH.long 0x000000B1	 //BANKSIZE.long 0x00000030	 //MRSRB6.long 0x00000030	 //MRSRB7

2、编写链接脚本boot.lds

SECTIONS {. = 0x33f80000;.text : { *(.text) }. = ALIGN(4);.rodata : {*(.rodata*)} . = ALIGN(4);.data : { *(.data) }. = ALIGN(4);__bss_start = .;.bss : { *(.bss)  *(COMMON) }__bss_end = .;
}

3、编写boot.c主函数文件

实现的功能如下：

1. 帮内核设置串口: 内核启动的开始部分会从串口打印一些信息
2. 从NAND FLASH里把内核读入内存
3. 设置参数
4. 跳转执行

3.1 帮内核设置串口

uart0_init()是在init.c文件中实现的，这里先把代码贴出来

/** 初始化UART0* 115200,8N1,无流控*/
void uart0_init(void)
{GPHCON  |= 0xa0;    // GPH2,GPH3用作TXD0,RXD0GPHUP   = 0x0c;     // GPH2,GPH3内部上拉ULCON0  = 0x03;     // 8N1(8个数据位，无较验，1个停止位)UCON0   = 0x05;     // 查询方式，UART时钟源为PCLKUFCON0  = 0x00;     // 不使用FIFOUMCON0  = 0x00;     // 不使用流控UBRDIV0 = UART_BRD; // 波特率为115200
}

3.2 从NAND FLASH里把内核读入内存

这里的nand_read()、puthex()、puts()也是在init.c文件中实现

	/* 1、从NAND FLASH里把内核读入内存 * uImage = 64 + zImage，通过uboot执行mtd可以找到zImage烧写地址*/puts("Copy kernel from nand\n\r");nand_read(0x60000+64, (unsigned char *)0x30008000, 0x200000);/* 调试代码 */puthex(0x1234ABCD);puts("\n\r");puthex(*p);  puts("\n\r");

3.3 设置参数

	/* 2、设置参数 */puts("Set boot params\n\r");setup_start_tag();		//启动参数setup_memory_tags();	//内存参数setup_commandline_tag("noinitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console=ttySAC0,115200");	//命令行参数setup_end_tag();		//结束参数

对于4个参数的设置，我画了下面的图以供理解：

1. 根据start_tag的参数tag:0x30000100，在地址为0x30000100的内存中进行入栈

2. 在每设置完一个参数后，params指针移动到下一个tag的位置，进行下一个参数的入栈
   

3.4 跳转执行

最后则会根据传入的参数，跳去执行theKernel()函数

	/* 3、跳转执行 */puts("Boot kernel\n\r");theKernel = (void (*)(int, int, unsigned int))0x30008000;/* *  mov r0, #0*  ldr r1, =362 —> 机器ID*  ldr r2, =0x30000100*  mov pc, #0x30008000 */theKernel(0, 362, 0x30000100);  /* 如果一切正常, 不会执行到这里 */puts("Error!\n\r");

3.5 完整的文件

#include "setup.h"extern void uart0_init(void);
extern void nand_read(unsigned int addr, unsigned char *buf, unsigned int len);
extern void puts(char *str);
extern void puthex(unsigned int val);static struct tag *params;/* 设置启动参数 */
void setup_start_tag(void)
{params = (struct tag *)0x30000100;params->hdr.tag = ATAG_CORE;params->hdr.size = tag_size (tag_core);/* 未用到 */params->u.core.flags = 0;params->u.core.pagesize = 0;params->u.core.rootdev = 0;/* 移动指针指向下一个tag */params = tag_next (params);
}/* 设置内存参数 */
void setup_memory_tags(void)
{params->hdr.tag = ATAG_MEM;/* ((sizeof(struct tag_header) + sizeof(struct type)) >> 2)* 		struct tag_header {       	 struct tag_mem32 {  *			__u32 size;					__u32	size;*			__u32 tag;					__u32	start;*		};							};*     字节: (8 + 8) >> 2 = 4*/params->hdr.size = tag_size (tag_mem32);	params->u.mem.start = 0x30000000;		//内存起始地址params->u.mem.size  = 64*1024*1024;		//内存大小64M	/* 移动指针指向下一个tag */params = tag_next (params);
}int strlen(char *str)
{int i = 0;while (str[i])i++;return i;
}void strcpy(char *dest, char *src)
{while ((*dest++ = *src++) != '\0');
}/* 设置命令行参数 */
void setup_commandline_tag(char *cmdline)
{int len = strlen(cmdline) + 1;params->hdr.tag  = ATAG_CMDLINE;params->hdr.size = (sizeof (struct tag_header) + len + 3) >> 2;	//向四取整  strcpy (params->u.cmdline.cmdline, cmdline);/* 移动指针指向下一个tag */params = tag_next (params);
}/* 设置结束函数 */
void setup_end_tag(void)
{params->hdr.tag = ATAG_NONE;params->hdr.size = 0;
}int main(void)
{void (*theKernel)(int zero, int arch, unsigned int params);volatile unsigned int *p = (volatile unsigned int *)0x30008000;/* 0、帮内核设置串口: 内核启动的开始部分会从串口打印一些信息,但是内核一开始没有初始化串口 */uart0_init();/* 1、从NAND FLASH里把内核读入内存 * uImage = 64 + zImage，通过uboot执行mtd可以找到zImage烧写地址*/puts("Copy kernel from nand\n\r");nand_read(0x60000+64, (unsigned char *)0x30008000, 0x200000);puthex(0x1234ABCD);puts("\n\r");puthex(*p);  puts("\n\r");/* 2、设置参数 */puts("Set boot params\n\r");setup_start_tag();		//启动参数setup_memory_tags();	//内存参数setup_commandline_tag("noinitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console=ttySAC0,115200");	//命令行参数setup_end_tag();		//结束参数/* 3、跳转执行 */puts("Boot kernel\n\r");theKernel = (void (*)(int, int, unsigned int))0x30008000;/* *  mov r0, #0*  ldr r1, =362 —> 机器ID*  ldr r2, =0x30000100*  mov pc, #0x30008000 */theKernel(0, 362, 0x30000100);  /* 如果一切正常, 不会执行到这里 */puts("Error!\n\r");return -1;
}

4、编写相关初始化init.c文件

/* NAND FLASH控制器 */
#define NFCONF 			(*((volatile unsigned long *)0x4E000000))
#define NFCONT 			(*((volatile unsigned long *)0x4E000004))
#define NFCMMD 			(*((volatile unsigned char *)0x4E000008))
#define NFADDR 			(*((volatile unsigned char *)0x4E00000C))
#define NFDATA 			(*((volatile unsigned char *)0x4E000010))
#define NFSTAT 			(*((volatile unsigned char *)0x4E000020))/* GPIO */
#define GPHCON          (*(volatile unsigned long *)0x56000070)
#define GPHUP           (*(volatile unsigned long *)0x56000078)/* UART registers*/
#define ULCON0          (*(volatile unsigned long *)0x50000000)
#define UCON0           (*(volatile unsigned long *)0x50000004)
#define UFCON0          (*(volatile unsigned long *)0x50000008)
#define UMCON0          (*(volatile unsigned long *)0x5000000c)
#define UTRSTAT0        (*(volatile unsigned long *)0x50000010)
#define UTXH0           (*(volatile unsigned char *)0x50000020)
#define URXH0           (*(volatile unsigned char *)0x50000024)
#define UBRDIV0         (*(volatile unsigned long *)0x50000028)#define TXD0READY   	(1<<2)#define PCLK            50000000    // init.c中的clock_init函数设置PCLK为50MHz
#define UART_CLK        PCLK        //  UART0的时钟源设为PCLK
#define UART_BAUD_RATE  115200      // 波特率
#define UART_BRD        ((UART_CLK  / (UART_BAUD_RATE * 16)) - 1)/** 初始化UART0* 115200,8N1,无流控*/
void uart0_init(void)
{GPHCON  |= 0xa0;    // GPH2,GPH3用作TXD0,RXD0GPHUP   = 0x0c;     // GPH2,GPH3内部上拉ULCON0  = 0x03;     // 8N1(8个数据位，无较验，1个停止位)UCON0   = 0x05;     // 查询方式，UART时钟源为PCLKUFCON0  = 0x00;     // 不使用FIFOUMCON0  = 0x00;     // 不使用流控UBRDIV0 = UART_BRD; // 波特率为115200
}/* 发送一个字符 */
void putc(unsigned char c)
{/* 等待，直到发送缓冲区中的数据已经全部发送出去 */while (!(UTRSTAT0 & TXD0READY));/* 向UTXH0寄存器中写入数据，UART即自动将它发送出去 */UTXH0 = c;
}void puts(char *str)
{int i = 0;while (str[i]){putc(str[i]);i++;}
}void puthex(unsigned int val)
{/* 0x1234abcd */int i;int j;puts("0x");for (i = 0; i < 8; i++) {j = (val >> ((7-i)*4)) & 0xf;if ((j >= 0) && (j <= 9))putc('0' + j);elseputc('A' + j - 0xa);}
}/* nor flash启动，0地址是nor flash的0地址，可以像内存一样读，但是不能像内存一样写* nand flash启动，0地址是片内内存，内存可以写*/ 
int isBootFromNorFlash(void)
{volatile int *p = (volatile int *)0;	//旧值int val;val = *p;		//缓冲旧值*p = 0x12345;	//往0地址写入新值/* 判断新值是否写成功 */if (*p == 0x12345) {	/* 写成功，nand启动       */*p = val;	return 0;} else {/* 写失败，nor启动 */return 1;}
}void nand_init(void)
{
#define TACLS   0
#define TWRPH0  1
#define TWRPH1  0/* 设置时序 */NFCONF = (TACLS<<12)|(TWRPH0<<8)|(TWRPH1<<4);/* 使能NAND Flash控制器, 初始化ECC, 禁止片选 */NFCONT = (1<<4)|(1<<1)|(1<<0);	
}void nand_select(void)
{NFCONT &= ~(1<<1);	
}void nand_deselect(void)
{NFCONT |= (1<<1);	
}void nand_cmd(unsigned char cmd)
{volatile int i;NFCMMD = cmd;for (i = 0; i < 10; i++);
}void nand_addr(unsigned int addr)
{unsigned int col  = addr % 2048;unsigned int page = addr / 2048;volatile int i;NFADDR = col & 0xff;for (i = 0; i < 10; i++);NFADDR = (col >> 8) & 0xff;for (i = 0; i < 10; i++);NFADDR  = page & 0xff;for (i = 0; i < 10; i++);NFADDR  = (page >> 8) & 0xff;for (i = 0; i < 10; i++);NFADDR  = (page >> 16) & 0xff;for (i = 0; i < 10; i++);	
}void nand_page(unsigned int page)
{volatile int i;NFADDR  = page & 0xff;for (i = 0; i < 10; i++);NFADDR  = (page >> 8) & 0xff;for (i = 0; i < 10; i++);NFADDR  = (page >> 16) & 0xff;for (i = 0; i < 10; i++);	
}void nand_col(unsigned int col)
{volatile int i;NFADDR = col & 0xff;for (i = 0; i < 10; i++);NFADDR = (col >> 8) & 0xff;for (i = 0; i < 10; i++);
}void nand_wait_ready(void)
{while (!(NFSTAT & 1));
}unsigned char nand_data(void)
{return NFDATA;
}int nand_bad(unsigned int addr)
{unsigned int col  = 2048;unsigned int page = addr / 2048;unsigned char val;/* 1. 选中 */nand_select();/* 2. 发出读命令00h */nand_cmd(0x00);/* 3. 发出地址(分5步发出) */nand_col(col);nand_page(page);/* 4. 发出读命令30h */nand_cmd(0x30);/* 5. 判断状态 */nand_wait_ready();/* 6. 读数据 */val = nand_data();/* 7. 取消选中 */		nand_deselect();if (val != 0xff)return 1;  /* bad blcok */elsereturn 0;
}void nand_read(unsigned int addr, unsigned char *buf, unsigned int len)
{int col = addr % 2048;int i = 0;while (i < len) {/* 一个block只判断一次 */if (!(addr & 0x1FFFF) && nand_bad(addr)) {addr += (128*1024);  /* 跳过当前block */continue;}/* 1. 选中 */nand_select();	/* 2. 发出读命令00h */nand_cmd(0x00);/* 3. 发出地址(分5步发出) */nand_addr(addr);/* 4. 发出读命令30h */nand_cmd(0x30);/* 5. 判断状态 */nand_wait_ready();/* 6. 读数据 */for (; (col < 2048) && (i < len); col++) {buf[i] = nand_data();i++;addr++;}col = 0;/* 7. 取消选中 */		nand_deselect();	}
}void copy_code_to_sdram(unsigned char *src, unsigned char *dest,unsigned int length)
{int i = 0;/* 如果是NOR	启动 */if (isBootFromNorFlash()) {while (i < length) {dest[i] = src[i];i++;}} else {//nand_init();nand_read((unsigned int)src, dest, length);}
}void clear_bss(void)
{/* 引用链接脚本的变量方法：定义外部变量，取地址 */extern int __bss_start, __bss_end;int *p = &__bss_start;for (; p < &__bss_end; p++)*p = 0;
}

5、编写Makefile文件

CC      = arm-linux-gcc
LD      = arm-linux-ld
AR      = arm-linux-ar
OBJCOPY = arm-linux-objcopy
OBJDUMP = arm-linux-objdumpCFLAGS 		:= -Wall -O2
CPPFLAGS   	:= -nostdinc -nostdlib -fno-builtinobjs := start.o init.o boot.oboot.bin: $(objs)${LD} -Tboot.lds -o boot.elf $^${OBJCOPY} -O binary -S boot.elf $@${OBJDUMP} -D -m arm boot.elf > boot.dis%.o:%.c${CC} $(CPPFLAGS) $(CFLAGS) -c -o $@ $<%.o:%.S${CC} $(CPPFLAGS) $(CFLAGS) -c -o $@ $<clean:rm -f *.o *.bin *.elf *.dis

三、编译与测试

1、编译

执行make之后会生成boot.bin文件

2、测试

把boot.bin文件通过OpenJtag分别烧写到Nor Flash与Nand Flash中，可以看到开发板成功启动bootloader。