Bootload U-Boot分析

Bootloader是在操作系统运行之前执行的一段小程序。通过这段小程序可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射表，从而建立适当的系统软硬件环境，为最终调用操作系统内核做好准备。

对于嵌入式系统，Bootloader是基于特定硬件平台来实现的。因此，几乎不可能为所有的嵌入式系统建立一个通用的Bootloader，不同的处理器架构都有不同的Bootloader。Bootloader不但依赖于CPU的体系结构，而且依赖于嵌入式系统板级设备的配置。对于2块不同的嵌入式板而言，即使它们使用同一种处理器，要想让运行在一块板子上的Bootloader程序也能运行在另一块板子上，一般也都需要修改Bootloader的源程序。

反过来，大部分Bootloader仍然具有很多共性，某些Bootloader也能够支持多种体系结构的嵌入式系统。例如，U-Boot就同时支持PowerPC、ARM、MIPS和X86等体系结构，支持的板子有上百种。通常，它们都能够自动从存储介质上启动，都能够引导操作系统，并且大部分都可以支持串口和以太网接口。

1 Bootloader的引导方式

Linux系统是通过Bootloader引导启动的。加电后，就要执行Bootloader来初始化系统。

系统加电或复位后，所有CPU都会从某个地址开始执行，这是由处理器设计决定的。例如，X86的复位向量在高地址端，ARM处理器在复位时从地址0x00000000取第一条指令。嵌入式系统的开发板都要把板上ROM或Flash映射到这个地址。因此，必须把Bootloader程序存储在相应的Flash位置。系统加电后，CPU将首先执行它。

主机和目标机之间一般有串口可以连接，Bootloader软件通常会通过串口来输入输出。例如，输出出错或者执行结果信息到串口终端，从串口终端读取用户控制命令等。Bootloader启动过程通常是多阶段的，这样既能提供复杂的功能，又有很好的可移植性。例如，从Flash启动的Bootloader多数是两阶段的启动过程。从后面U-Boot的内容可以详细分析这个特性。

大多数Bootloader都包含2种不同的操作模式：本地加载模式和远程下载模式。这两种操作模式的区别仅对于开发人员才有意义，也就是不同启动方式的使用。从最终用户的角度看，Bootloader的作用就是用来加载操作系统，并不存在所谓的本地加载模式与远程下载模式的区别。

因为Bootloader的主要功能是引导操作系统启动，所以我们详细讨论一下各种启动方式的特点。

（1）网络启动方式

这种方式开发板不需要配置较大的存储介质，与无盘工作站有点类似。但是使用这种启动方式之前，需要把Bootloader安装到板上的EPROM或者Flash中。Bootloader通过以太网接口远程下载Linux内核映像或者文件系统。

使用这种方式也有前提条件，就是目标板需有串口、以太网接口或者其他连接方式。串口一般可以作为控制台，同时可以用来下载内核映像和RAMDISK文件系统。串口通信传输速率过低，不适合用来挂接NFS文件系统。所以以太网接口成为通用的互联设备，一般的开发板都可以配置10M以太网接口。

对于PDA等手持设备来说，以太网的RJ-45接口显得大了些，而USB接口，特别是USB的迷你接口，尺寸非常小。对于开发的嵌入式系统，可以把USB接口虚拟成以太网接口来通信。这种方式在开发主机和开发板两端都需要驱动程序。

另外，还要在服务器上配置启动相关网络服务。Bootloader下载文件一般都使用TFTP网络协议，还可以通过DHCP的方式动态配置IP地址。DHCP/BOOTP服务为Bootloader分配IP地址，配置网络参数，然后才能够支持网络传输功能。如果Bootloader可以直接设置网络参数，就可以不使用DHCP。TFTP服务为Bootloader客户端提供文件下载功能，把内核映像和其他文件放在/tftpboot目录下。这样Bootloader可以通过简单的TFTP协议远程下载内核映像到内存。大部分引导程序都能够支持网络启动方式。例如，BIOS的PXE（Preboot Execution Environment）功能就是网络启动方式；U-Boot也支持网络启动功能。

（2）磁盘启动方式

传统的Linux系统运行在台式机或者服务器上，这些计算机一般都使用BIOS引导，并且使用磁盘作为存储介质。如果进入BIOS设置菜单，可以探测处理器、内存、硬盘等设备，可以设置BIOS从软盘、光盘或者某块硬盘启动。也就是说，BIOS并不直接引导操作系统。那么在硬盘的主引导区，还需要一个Bootloader。这个Bootloader可以从磁盘文件系统中把操作系统引导起来。Linux传统上是通过LILO（LInux LOader）引导的，后来又出现了GNU的软件GRUB（GRand Unified Bootloader）。这2种Bootloader广泛应用在x86的Linux系统上。你的开发主机可能就使用了其中一种，熟悉它们有助于配置多种系统引导功能。

LILO软件工程是由Werner Almesberger创建，专门为引导Linux开发的。现在LILO的维护者是John Coffman（最新版本下载站点：http://lilo.go.dyndns.org）。LILO有详细的文档，如LILO套件中附带使用手册和参考手册。此外，还可以在LDP的“LILO mini-HOWTO”中找到LILO的使用指南。GRUB是GNU计划的主要Bootloader。GRUB最初是由Erich Boleyn为GNU Mach操作系统撰写的引导程序。后来由Gordon Matzigkeit和Okuji Yoshinori接替了Erich的工作，继续维护和开发GRUB。GRUB的网站（http://www.gnu.org/software/grub/）上有对套件使用的说明文件，叫做《GRUB manual》。GRUB能够使用TFTP和BOOTP或者DHCP通过网络启动，这种功能对于系统开发过程很有用。除了传统的Linux系统上的引导程序以外，还有其他一些引导程序，也可以支持磁盘引导启动。例如，LoadLin可以从DOS下启动Linux；还有ROLO、LinuxBIOS、U-Boot也支持这种功能。

（3）Flash启动方式

大多数嵌入式系统上都使用Flash存储介质。Flash有很多类型，包括NOR Flash、NAND Flash和其他半导体盘。其中，NOR Flash（也就是线性Flash）使用最为普遍。

NOR Flash可以支持随机访问，所以代码是可以直接在Flash上执行的。Bootloader一般是存储在Flash芯片上的。另外，Linux内核映像和RAMDISK也可以存储在Flash上。通常需要把Flash分区使用，每个区的大小应该是Flash擦除块大小的整数倍。Bootloader一般放在Flash的底端或者顶端，这要根据处理器的复位向量设置。首先，要使Bootloader的入口位于处理器加电执行第一条指令的位置。其次，分配参数区，这里可以作为Bootloader的参数保存区域。再次，内核映像区，Bootloader引导Linux内核，就是要从这个地方把内核映像解压到RAM中去，然后跳转到内核映像入口执行。最后，文件系统区，如果使用Ramdisk文件系统，则需要Bootloader把它解压到RAM中。如果使用JFFS2文件系统，将直接挂接为根文件系统。还可以分出一些数据区，这要根据实际需要和Flash大小来考虑了。这些分区是开发者定义的，Bootloader一般直接读写对应的偏移地址。到了Linux内核空间，可以配置成MTD设备来访问Flash分区。但是，有的Bootloader也支持分区的功能，例如，Redboot可以创建Flash分区表，并且内核MTD驱动可以解析出redboot的分区表。除了NOR Flash外，还有NAND Flash、Compact Flash、DiskOnChip等。这些Flash具有芯片价格低，存储容量大的特点。但是这些芯片一般通过专用控制器的I/O方式来访问，不能随机访问，因此引导方式跟NOR Flash也不同。在这些芯片上，需要配置专用的引导程序。通常，这种引导程序起始的一段代码就把整个引导程序复制到RAM中运行，从而实现自行启动，这与从磁盘上启动有些相似。

2 Bootloader的种类

嵌入式系统世界已经有各种各样的Bootloader，种类划分也有多种方式。除了按照处理器体系结构不同划分以外，还有功能复杂程度的不同。

首先区分一下“Bootloader”和“Monitor”的概念。严格来说，“Bootloader”只是引导设备并且执行主程序的固件；而“Monitor”还提供了更多的命令行接口，可以进行调试、读写内存、烧写Flash、配置环境变量等。“Monitor”在嵌入式系统开发过程中可以提供很好的调试功能，开发完成以后，就完全设置成了一个“Bootloader”。所以，习惯上大家把它们统称为Bootloader。

下列出了Linux的开放源码引导程序及其支持的体系结构。表中给出了x86 ARM PowerPC体系结构的常用引导程序，并且注明了每一种引导程序是不是“Monitor”。

Linux的开放源码引导程序及其支持的体系结构

对于每种体系结构，都有一系列开放源码Bootloader可以选用。 

（1）x86

x86的工作站和服务器上一般使用LILO和GRUB。LILO是Linux发行版主流的Bootloader。不过Redhat Linux发行版已经使用了GRUB，GRUB比LILO有更友好的显示界面，使用配置也更加灵活方便。

在某些x86嵌入式单板机或者特殊设备上，会采用其他Bootloader，如ROLO。这些Bootloader可以取代BIOS的功能，能够从Flash中直接引导Linux启动。现在ROLO支持的开发板已经并入U-Boot，所以U-Boot也可以支持x86平台。

（2）ARM

ARM处理器的芯片商很多，所以每种芯片的开发板都有自己的Bootloader。结果ARM bootloader也变得多种多样。最早有为ARM720处理器的开发板的固件，又有了armboot和StrongARM平台的BLOB，还有S3C2410处理器开发板上的vivi等。现在armboot已经并入了U-Boot，所以U-Boot也支持ARM/XSCALE平台。U-Boot已经成为ARM平台事实上的标准Bootloader。

（3）PowerPC

PowerPC平台的处理器有标准的Bootloader，就是ppcboot。ppcboot在合并armboot等之后，创建了U-Boot，成为各种体系结构开发板的通用引导程序。U-Boot仍然是PowerPC平台的主要Bootloader。

（4）MIPS

MIPS公司开发的YAMON是标准的Bootloader，也有许多MIPS芯片商为自己的开发板写了Bootloader。现在，U-Boot也已经支持MIPS平台。

（5）SH

SH平台的标准Bootloader是sh-boot。Redboot在这种平台上也很好用。

（6）M68K

M68K平台没有标准的Bootloader。Redboot能够支持M68K系列的系统。

值得说明的是Redboot，它几乎能够支持所有的体系结构，包括MIPS、SH、M68K等体系结构。Redboot是以eCos为基础，采用GPL许可的开源软件工程。现在由core eCos的开发人员维护（源码下载网站：http://www.ecoscentric.com/snapshots）。Redboot的文档也相当完善，有详细的使用手册《RedBoot User’s Guide》。

3 U-Boot源码结构

最早，DENX软件工程中心的Wolfgang Denk基于8xxrom的源码创建了ppcboot工程，并且不断添加处理器的支持。后来，Sysgo Gmbh把ppcboot移植到ARM平台上，创建了armboot工程。然后以ppcboot工程和armboot工程为基础，创建了U-Boot工程。

现在U-Boot已经能够支持PowerPC、ARM、x86、MIPS体系结构的上百种开发板，已经成为功能最多、灵活性最强并且开发最积极的开放源码Bootloader。目前仍然由DENX的Wolfgang Denk维护（U-Boot软件包下载网站：http://sourceforge.net/project/u-boot。还可以订阅该网站活跃的U-Boot Users邮件论坛，这个邮件论坛对于U-Boot的开发和使用都很有帮助）。

从网站上下载得到U-Boot源码包，如U-Boot-1.1.6.tar.bz2。解压就可以得到全部U-Boot源程序。在顶层目录下有18个子目录，分别存放和管理不同的源程序。这些目录中所要存放的文件有一定规则，可以分为3类。

（1）第1类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关。

（2）第2类目录是一些通用的函数或者驱动程序。

（3）第3类目录是U-Boot的应用程序、工具或者文档。

U-Boot的源码顶层目录下各级目录存放原则

 U-Boot的源代码包含对几十种处理器、数百种开发板的支持。可是对于特定的开发板，配置编译过程只需要其中部分程序。这里具体以S3C2440 ARM920t处理器为例，具体分析S3C2440处理器和开发板所依赖的程序，以及U-Boot的通用函数和工具。

4 U-Boot的编译

U-Boot的源码是通过GCC和Makefile组织编译的。顶层目录下的Makefile首先可以设置开发板的定义，然后递归地调用各级子目录下的Makefile，最后把编译过的程序链接成U-Boot映像。

（1）顶层目录下的Makefile

它负责U-Boot整体配置编译。按照配置的顺序阅读其中关键的几行。

每一种开发板在Makefile都需要有板子配置的定义。例如，SMDK2440开发板的定义如下：

smdk2440_config   :      unconfig@$(MKCONFIG)$(@:_config=)arm s3c24xx smdk2440 samsung  s3c2440

执行配置U-Boot的命令make smdk2440_config，通过./mkconfig脚本生成include/config. mk的配置文件。文件内容正是根据Makefile对开发板的配置生成的。

          ARCH  =armCPU  =s3c24xxBOARD =smdk2440VENDOR= sumsangSOC  =s3c2440

上面的include/config.mk文件定义了ARCH、CPU、BOARD、SOC这些变量。这样硬件平台依赖的目录文件可以根据这些定义来确定。SMDK2440平台相关目录如下。

          board/samsung/smdk2440/cpu/arm920t/cpu/arm920t/s3c24x0/lib_arm/include/asm-arm/include/configs/smdk2440.h

再回到顶层目录的Makefile文件开始的部分，其中下列几行包含了这些变量的定义。

          # load ARCH, BOARD, and CPU configurationinclude include/config.mkexport    ARCH CPU BOARD VENDOR SOC

Makefile的编译选项和规则在顶层目录的config.mk文件中定义。各种体系结构通用的规则直接在这个文件中定义。通过ARCH、CPU、BOARD、SOC等变量为不同硬件平台定义不同选项。不同体系结构的规则分别包含在ppc_config.mk、arm_config.mk、mips_config.mk等文件中。

顶层目录的Makefile中还要定义交叉编译器，以及编译U-Boot所依赖的目标文件。

ifeq ($(ARCH),arm)
CROSS_COMPILE=arm-linux-         //交叉编译器的前缀
#endif
export  CROSS_COMPILE
…
# U-Boot objects....order is important (i.e. start must be first)
OBJS    =cpu/$(CPU)/start.o                //处理器相关的目标文件
…
LIBS  =lib_generic/libgeneric.a          //定义依赖的目录，每个目录下先把目标文件连接成*.a文件。
LIBS += board/$(BOARDDIR)/lib$(BOARD).a
LIBS += cpu/$(CPU)/lib$(CPU).a
ifdef SOC
LIBS += cpu/$(CPU)/$(SOC)/lib$(SOC).a
endif
LIBS += lib_$(ARCH)/lib$(ARCH).a
…

然后还有U-Boot映像编译的依赖关系。

ALL = u-boot.srec u-boot.bin System.map
all:       $(ALL)
u-boot.srec:    u-boot$(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O srec $< $@
u-boot.bin: u-boot$(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O binary $< $@
…
u-boot:        depend$(SUBDIRS)$(OBJS)$(LIBS)$(LDSCRIPT)UNDEF_SYM='$(OBJDUMP) -x $(LIBS) /|sed -n –e 's/.*/(__u_boot_cmd_.*/)/-u/1/p'|sort|
uniq`;/$(LD) $(LDFLAGS) $$UNDEF_SYM $(OBJS) /--start-group $(LIBS) $(PLATFORM_LIBS) --end-group /-Map u-boot.map -o u-boot

Makefile默认的编译目标为all，包括u-boot.srec、u-boot.bin、System.map。u-boot.srec和u-boot.bin又依赖于U-Boot。U-Boot就是通过ld命令按照u-boot.map地址表把目标文件组装成U-Boot。

其他Makefile内容就不再详细分析了，上述代码分析应该可以为阅读代码提供了一个线索。

（2）开发板配置头文件

除了编译过程Makefile以外，还要在程序中为开发板定义配置选项或者参数。这个头文件是include/configs/<board_name>.h。<board_name>用相应的BOARD定义代替。

这个头文件中主要定义了两类变量。

一类是选项，前缀是CONFIG_，用来选择处理器、设备接口、命令、属性等。例如：

ifndef __CONFIG_H
#define __CONFIG_H
/*
*  *High Level Configuration Options
*   *(easy to change)
*    */
#define CONFIG_ARM920T     1      /*This is an ARM920EJS Core    */
#define CONFIG_S3C2440     1      /*in a SAMSUNG S3C24A0 SoC     */
#define CONFIG_S3C24XX     1      /*in a SAMSUNG S3C24XX Family  */
#define CONFIG_SMDK2440    1      /*on a SAMSUNG SMDK2440 Board         */
/* input clock of PLL */
#ifdef KINGFISH
#define CONFIG_SYS_CLK_FREQ 12000000
#else
#define CONFIG_SYS_CLK_FREQ 16934400
#endif
另一类是参数，前缀是CFG_，用来定义总线频率、串口波特率、Flash地址等参数。例如：
#define CFG_LONGHELP       /*undef to save memory    */
#define CFG_PROMPT   "SMDK2440#"   /*Monitor Command Prompt    */
#define CFG_CBSIZE     256    /*Console I/O Buffer Size  */
#define CFG_PBSIZE (CFG_CBSIZE+sizeof(CFG_PROMPT)+16) /* Print Buffer Size */
#define CFG_MAXARGS    16     /*max number of command args   */
#define CFG_BARGSIZE       CFG_CBSIZE   /*Boot Argument Buffer Size    */
#define CFG_MEMTEST_START   0x10000000  /*memtest works on*/
#define CFG_MEMTEST_END    0x13e00000  /*63 MB in DRAM    */#endif

（3）编译结果

根据对Makefile的分析，编译分为两步。第1步配置，如make smdk2440_config；第2步编译，执行make就可以了。

编译完成后，可以得到U-Boot各种格式的映像文件和符号表

 U-Boot的3种映像格式都可以烧写到Flash中，但需要看加载器能否识别这些格式。一般u-boot.bin最为常用，直接按照二进制格式下载，并且按照绝对地址烧写到Flash中就可以了。u-boot和u-boot.srec格式映像都自带定位信息。

（4）U-Boot工具

在tools目录下还有些U-Boot的工具，这些工具有的也经常用到，表6.4说明了几种工具的用途。

 这些工具都有源代码，可以参考改写其他工具。其中mkimage是很常用的一个工具，Linux内核映像和ramdisk文件系统映像都可以转换成U-Boot的格式。

5 U-Boot的移植

U-Boot能够支持多种体系结构的处理器，支持的开发板也越来越多。因为Bootloader是完全依赖硬件平台的，所以在新电路板上需要移植U-Boot程序。开始移植U-Boot之前，先要熟悉硬件电路板和处理器。确认U-Boot是否已经支持新开发板的处理器和I/O设备。假如U-Boot已经支持一块非常相似的电路板，那么移植的过程将非常简单。移植U-Boot工作就是添加开发板硬件相关的文件、配置选项，然后配置编译。

开始移植之前，需要先分析一下U-Boot已经支持的开发板，比较出硬件配置最接近的开发板。选择的原则是：首先处理器相同，其次处理器体系结构相同，然后是以太网接口等外围接口。还要验证一下这个参考开发板的U-Boot，至少能够配置编译通过。

以S3C2440处理器的开发板为例，U-Boot-1.1.6版本已经支持SMDK2440开发板。我们可以基于SMDK2440移植，那么先把SMDK2440编译通过。以S3C2440开发板etc2410为例说明。移植的过程参考SMDK2440开发板，SMDK2440在U-Boot-1.1.6中已经支持。

移植U-Boot的基本步骤如下。

（1）在顶层Makefile中为开发板添加新的配置选项，使用已有的配置项目为例。

smdk2440_config  :    unconfig@$(MKCONFIG)$(@:_config=)arm s3c24xx smdk2440 samsung  s3c2440

参考上面两行，添加下面两行。

etc2440_config  :    unconfig@$(MKCONFIG)$(@:_config=)arm s3c24xx smdk2440 samsung  s3c2440

（2）创建一个新目录存放开发板相关的代码，并且添加文件。

board/etc2440/config.mk
board/etc2440/flash.c
board/etc2440/fs2410.c
board/etc2440/Makefile
board/etc2440/memsetup.S
board/etc2440/u-boot.lds

（3）为开发板添加新的配置文件

可以先复制参考开发板的配置文件再修改。例如：

$cp include/configs/smdk2440.h include/configs/etc2440.h

如果是为一个新的CPU移植，还要创建一个新的目录存放CPU相关的代码。

（4）配置开发板

$ make etc2410_config

（5）编译U-Boot

执行make命令，编译成功可以得到U-Boot映像。有些错误是与配置选项有关系的，通常打开某些功能选项会带来一些错误，一开始可以尽量参考板配置相同。

（6）添加驱动或者功能选项

在能够编译通过的基础上，还要实现U-Boot的以太网接口、Flash擦写等功能。

对于etc2410开发板的以太网驱动和smdk2440完全相同，所以可以直接使用。CS8900驱动程序文件如下。

drivers/cs8900.c
drivers/cs8900.h

对于Flash的选择就麻烦多了，Flash芯片价格或者采购方面的因素都有影响。多数开发板大小、型号都不相同。所以还需要移植Flash的驱动。每种开发板目录下一般都有flash.c文件，需要根据具体的Flash类型修改。例如：

board/etc2440/flash.c

（7）调试U-Boot源代码，直到U-Boot在开发板上能够正常启动。

调试的过程可能是很艰难的，需要借助工具，并且有些问题可能会困扰很长时间。

6 添加U-Boot命令

U-Boot的命令为用户提供了交互功能，并且已经实现了几十个常用的命令。如果开发板需要很特殊的操作，可以添加新的U-Boot命令。

U-Boot的每一个命令都是通过U_Boot_CMD宏定义的。这个宏在include/command.h头文件中定义，每一个命令定义一个cmd_tbl_t结构体。

#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) /
cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage, help}

这样每一个U-Boot命令用一个结构体来描述。结构体包含的成员变量：命令名称、最大参数个数、重复数、命令执行函数、用法、帮助。从控制台输入的命令是由common/command.c中的程序解释执行的。find_cmd()负责匹配输入的命令，从列表中找出对应的命令结构体。

基于U-Boot命令的基本框架，来分析一下简单的icache操作命令，就可以知道添加新命令的方法。

（1）定义CACHE命令。

在include/cmd_confdefs.h中定义了所有U-Boot命令的标志位。

#define CFG_CMD_CACHE    0x00000010ULL  /*icache,dcache    */

如果有更多的命令，也要在这里添加定义。

（2）实现CACHE命令的操作函数。

下面是common/cmd_cache.c文件中icache命令部分的代码。

#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_CACHE)
static int on_off (const char *s)
{      //这个函数解析参数，判断是打开cache，还是关闭cacheif(strcmp(s,"on")==0){  //参数为“on”return (1);}else if(strcmp(s,"off")==0){  //参数为“off”return (0);}return (-1);
}
int do_icache ( cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])
{    //对指令cache的操作函数switch(argc){case 2:             /* 参数个数为1，则执行打开或者关闭指令cache操作 */switch(on_off(argv[1])){case 0:     icache_disable();       //打开指令cachebreak;case 1:     icache_enable();        //关闭指令cachebreak;}/*FALL TROUGH*/case 1:          /* 参数个数为0，则获取指令cache状态*/printf("Instruction Cache is %s/n",icache_status() ？ "ON":"OFF");return 0;default:  //其他默认情况下，打印命令使用说明printf("Usage:/n%s/n",cmdtp->usage);return 1;}return 0;
}
……
U_Boot_CMD( //通过宏定义命令icache,   2,   1,    do_icache,  //命令为icache，命令执行函数为do_icache()"icache  -enable or disable instruction cache/n",   //帮助信息"[on, off]/n""    -enable or disable instruction cache/n"
);
…
#endif

U-Boot的命令都是通过结构体__U_Boot_cmd_##name来描述的。根据U_Boot_CMD在include/command.h中的两行定义可以明白。

#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) /
cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage, help}

还有，不要忘了在common/Makefile中添加编译的目标文件。

（3）打开CONFIG_COMMANDS选项的命令标志位。

这个程序文件开头有#if语句需要预处理是否包含这个命令函数。CONFIG_COMMANDS选项在开发板的配置文件中定义。例如，SMDK2440平台在include/configs/smdk2440.h中有如下定义。

          /************************************************************ Command definition***********************************************************/#define CONFIG_COMMANDS /(CONFIG_CMD_DFL  |/CFG_CMD_CACHE    |/CFG_CMD_REGINFO   |/CFG_CMD_DATE     |/CFG_CMD_ELF)

按照上面3个步骤，就可以添加新的U-Boot命令。

7 U-Boot的调试

新移植的U-Boot如果不能正常工作，这时就需要调试了。调试U-Boot离不开工具，只有理解U-Boot启动过程，才能正确地调试U-Boot源代码。

1．硬件调试器

硬件电路板制作完成以后，这时上面还没有任何程序，称为裸板。首要的工作是把程序或者固件加载到裸板上，这就要通过硬件工具来完成。习惯上把这种硬件工具称为仿真器。

仿真器可以通过处理器的JTAG等接口控制板子，直接把程序下载到目标板内存中，或者进行Flash编程。如果板上的Flash是可以插拔的，就可以通过专用的Flash烧写器来完成。其中JTAG等接口就是专门用来连接仿真器的。

仿真器还有一个重要的功能就是在线调试程序，这对于调试Bootloader和硬件测试程序很有用。从最简单的JTAG电缆，到ICE仿真器，再到可以调试Linux内核的仿真器。复杂的仿真器可以支持与计算机间的以太网或者USB接口通信，下载U-Boot到目标板内存中。通过BDI2000的下载命令LOAD，把程序加载到目标板内存中；然后跳转到U-Boot入口。

2．U-Boot启动过程

尽管有了调试跟踪手段，甚至也可以通过串口打印信息了，但是不一定能够准确判断出错原因。如果能够充分理解代码的启动流程，那么对准确地解决和分析问题很有帮助。

开发板加电后，执行U-Boot的第一条指令，然后按顺序执行U-Boot启动函数。看一下board/smsk2410/u-boot.lds这个链接脚本，可以知道目标程序的各部分链接顺序。第一个要链接的是cpu/arm920t/start.o，那么U-Boot的入口指令一定位于这个程序中。下面详细分析一下程序跳转和函数的调用关系，以及函数实现。

（1）cpu/arm920t/start.S

这个汇编程序是U-Boot的入口程序，开头就是复位向量的代码。

_start:b      reset       //复位向量ldr   pc,_undefined_instructionldr   pc,_software_interruptldr   pc,_prefetch_abortldr   pc,_data_abortldr   pc,_not_usedldr   pc,_irq      //中断向量ldr   pc,_fiq      //中断向量
…
/*the actual reset code  */
reset:         //复位启动子程序/* 设置CPU为SVC32模式 */mrs   r0,cpsrbic   r0,r0,#0x1forr   r0,r0,#0xd3msr     cpsr,r0
/* 关闭看门狗 */
/* 这些初始化代码在系统重新启动时执行，运行时热复位从RAM中启动不执行 */
#ifdef CONFIG_INIT_CRITICALbl    cpu_init_crit
#endif
relocate:                     /* 把U-Boot重新定位到RAM*/adr   r0,_start         /*r0是代码的当前位置 */ldr   r1,_TEXT_BASE     /* 测试判断是从Flash启动，还是从RAM启动*/cmp    r0,r1            /* 比较r0和r1，调试的时候不要执行重定位 */beq    stack_setup   /* 如果r0等于r1，跳过重定位代码 *//* 准备重新定位代码 */ldr   r2,_armboot_startldr   r3,_bss_startsub   r2,r3,r2          /*r2 得到armboot的大小   */add   r2,r0,r2          /*r2 得到要复制代码的末尾地址 */
copy_loop:/* 重新定位代码 */ldmia r0!,{r3-r10}   /*从源地址[r0]复制 */stmia r1!,{r3-r10}   /* 复制到目的地址[r1]*/cmp     r0,r2         /* 复制数据块直到源数据末尾地址[r2]*/ble   copy_loop/* 初始化堆栈等     */
stack_setup:ldr   r0,_TEXT_BASE            /* 上面是128 KB重定位的u-boot*/sub   r0,r0,#CFG_MALLOC_LEN    /* 向下是内存分配空间 */sub   r0,r0,#CFG_GBL_DATA_SIZE/* 然后是bdinfo结构体地址空间  */
#ifdef CONFIG_USE_IRQsub   r0,r0,#(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endifsub   sp,r0,#12    /* 为abort-stack预留3个字 */
clear_bss:ldr   r0,_bss_start     /* 找到bss段起始地址 */ldr   r1,_bss_end       /*     bss段末尾地址   */mov     r2,#0x00000000    /* 清零 */
clbss_l:str r2,[r0]       /*bss段地址空间清零循环...  */add   r0,r0,#4cmp     r0,r1bne   clbss_l/* 跳转到start_armboot函数入口，_start_armboot字保存函数入口指针 */ldr   pc,_start_armboot
_start_armboot:.word start_armboot    //start_armboot函数在lib_arm/board.c中实现
/* 关键的初始化子程序 */
cpu_init_crit:
……  //初始化CACHE，关闭MMU等操作指令/* 初始化RAM时钟。* 因为内存时钟是依赖开发板硬件的，所以在board的相应目录下可以找到
memsetup.S文件。*/mov     ip,lrbl      memsetup   //memsetup子程序在board/smdk2410/memsetup.S中实现mov     lr,ipmov     pc,lr

（2）lib_arm/board.c

start_armboot是U-Boot执行的第一个C语言函数，完成系统初始化工作，进入主循环，处理用户输入的命令。

void start_armboot (void)
{DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;ulong size;init_fnc_t **init_fnc_ptr;char *s;/* Pointer is writable since we allocated a register for it */gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));/* compiler optimization barrier needed for GCC >= 3.4 */__asm__ __volatile__("": : :"memory");memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t));gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;/* 顺序执行init_sequence数组中的初始化函数 */for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {hang ();}}/*配置可用的Flash */size = flash_init ();display_flash_config (size);/*_armboot_start在u-boot.lds链接脚本中定义 */mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);/* 配置环境变量，重新定位 */env_relocate ();/* 从环境变量中获取IP地址 */gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");/* 以太网接口MAC地址 */……devices_init();     /* 获取列表中的设备 */jumptable_init ();console_init_r();   /* 完整地初始化控制台设备 */enable_interrupts();/* 使能例外处理 *//* 通过环境变量初始化 */if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);}/*main_loop()总是试图自动启动，循环不断执行 */for (;;) {main_loop();   /* 主循环函数处理执行用户命令 --common/main.c*/}/* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */
}

（3）init_sequence[]

init_sequence[]数组保存着基本的初始化函数指针。这些函数名称和实现的程序文件在下列注释中。

init_fnc_t *init_sequence[] = {cpu_init,   /* 基本的处理器相关配置 --cpu/arm920t/cpu.c*/board_init,   /* 基本的板级相关配置--board/smdk2410/smdk2410.c*/interrupt_init,       /* 初始化例外处理--cpu/arm920t/s3c24x0/interrupt.c */env_init,           /* 初始化环境变量 --common/cmd_flash.c*/init_baudrate,        /* 初始化波特率设置 --lib_arm/board.c*/serial_init,  /* 串口通信设置 --cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c*/console_init_f,   /* 控制台初始化阶段1--common/console.c*/display_banner,      /* 打印u-boot信息 --lib_arm/board.c*/dram_init,    /* 配置可用的RAM--board/smdk2410/smdk2410.c*/display_dram_config,/* 显示RAM的配置大小 --lib_arm/board.c*/NULL;
};

8 U-Boot与内核的关系

U-Boot作为Bootloader，具备多种引导内核启动的方式。常用的go和bootm命令可以直接引导内核映像启动。U-Boot与内核的关系主要是内核启动过程中参数的传递。

（1）go命令的实现

/*common/cmd_boot.c  */
int do_go (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])
{ulong addr, rc;int    rcode=0;if (argc < 2) {printf("Usage:/n%s/n",cmdtp->usage);return 1;}addr = simple_strtoul(argv[1], NULL, 16);printf ("## Starting application at 0x%08lX .../n", addr);/** pass address parameter as argv[0] (aka command name),* and all remaining args*/rc = ((ulong (*)(int, char *[]))addr) (--argc, &argv[1]);if (rc != 0) rcode = 1;printf ("## Application terminated, rc = 0x%lX/n", rc);return rcode;
};

go命令调用do_go()函数，跳转到某个地址执行的。如果在这个地址准备好了自引导的内核映像，就可以启动了。尽管go命令可以带变参，但实际使用时一般不用来传递参数。

（2）bootm命令的实现

	/* common/cmd_bootm.c */
int do_bootm (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])
{ulong iflag;ulong addr;ulong data, len, checksum;ulong  *len_ptr;uint  unc_len=0x400000;int   i,verify;char  *name,*s;int   (*appl)(int,char*[]);image_header_t *hdr = &header;s = getenv ("verify");verify=(s&&(*s=='n')) ？ 0:1;if (argc < 2) {addr=load_addr;} else {addr=simple_strtoul(argv[1],NULL,16);}SHOW_BOOT_PROGRESS (1);printf ("## Booting image at %08lx .../n", addr);/* Copy header so we can blank CRC field for re-calculation */memmove (&header, (char *)addr, sizeof(image_header_t));if (ntohl(hdr->ih_magic) != IH_MAGIC){puts("Bad Magic Number/n");SHOW_BOOT_PROGRESS(-1);return 1;}SHOW_BOOT_PROGRESS (2);data = (ulong)&header;len  =sizeof(image_header_t);checksum = ntohl(hdr->ih_hcrc);hdr->ih_hcrc = 0;if(crc32 (0, (char *)data, len) != checksum) {puts("Bad Header Checksum/n");SHOW_BOOT_PROGRESS(-2);return 1;}SHOW_BOOT_PROGRESS (3);/* for multi-file images we need the data part, too */print_image_hdr ((image_header_t *)addr);data = addr + sizeof(image_header_t);len  =ntohl(hdr->ih_size);if(verify) {puts("   Verifying Checksum...");if(crc32(0,(char*)data,len)!=ntohl(hdr->ih_dcrc)){printf ("Bad Data CRC/n");SHOW_BOOT_PROGRESS (-3);return 1;}puts("OK/n");}SHOW_BOOT_PROGRESS (4);len_ptr = (ulong *)data;…switch (hdr->ih_os) {default:              /*handled by(original)Linux case*/case IH_OS_LINUX:do_bootm_linux  (cmdtp,flag,argc,argv,addr, len_ptr, verify);break;…
}

bootm命令调用do_bootm函数，这个函数专门用来引导各种操作系统映像，可以支持引导Linux、vxWorks、QNX等操作系统。引导Linux的时候，调用do_bootm_linux()函数。

（3）do_bootm_linux()函数的实现

/* lib_arm/armlinux.c */
void do_bootm_linux (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[],ulong addr, ulong *len_ptr, int verify)
{DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;ulong len = 0, checksum;ulong initrd_start, initrd_end;ulong data;void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);image_header_t *hdr = &header;
…
}

do_bootm_linux()函数是专门引导Linux映像的函数，它还可以处理ramdisk文件系统的映像。这里引导的内核映像和ramdisk映像，必须是U-Boot格式的。U-Boot格式的映像可以通过mkimage工具来转换，其中包含了U-Boot可以识别的符号。

9 U-Boot的常用命令

U-Boot加电启动后，按任意键可以退出自动启动状态，进入命令行。

U-Boot 1.1.6 (Apr 262010-12:27:13)
U-Boot code:11080000->1109614C  BSS:->1109A91C
RAM Configuration:
Bank #0: 10000000 32 MB
Micron StrataFlash MT28F128J3 device initialized
Flash: 32 MB
In:    serial
Out:   serial
Err:   serial
Hit any key to stop autoboot:  0
U-Boot>

在命令行提示符下，可以输入U-Boot的命令并执行。U-Boot可以支持几十个常用命令，通过这些命令，可以对开发板进行调试，可以引导Linux内核，还可以擦写Flash完成系统部署等功能。掌握这些命令的使用，才能够顺利地进行嵌入式系统的开发。

输入help命令，可以得到当前U-Boot的所有命令列表。每一条命令后面是简单的命令说明。

=> help
？      -alias for'help'
autoscr - run script from memory
base    -print or set address offset
bdinfo  -print Board Info structure
boot    -boot default,i.e.,run'bootcmd'
bootd   -boot default,i.e.,run'bootcmd'
bootm   -boot application image from memory
…

U-Boot还提供了更加详细的命令帮助，通过help命令还可以查看每个命令的参数说明。由于开发过程的需要，有必要先把U-Boot命令的用法弄清楚。接下来，根据每一条命令的帮助信息，解释一下这些命令的功能和参数。

=> help bootm
bootm [addr [arg ...]]- boot application image stored in memorypassing arguments 'arg ...'; when booting a Linux kernel,'arg' can be the address of an initrd image

bootm命令可以引导启动存储在内存中的程序映像。这些内存包括RAM和可以永久保存的Flash。第1个参数addr是程序映像的地址，这个程序映像必须转换成U-Boot的格式。

第2个参数对于引导Linux内核有用，通常作为U-Boot格式的RAMDISK映像存储地址；也可以是传递给Linux内核的参数（默认情况下传递bootargs环境变量给内核）。

          => help bootpbootp [loadAddress] [bootfilename]

bootp命令通过bootp请求，要求DHCP服务器分配IP地址，然后通过TFTP协议下载指定的文件到内存。

第1个参数是下载文件存放的内存地址。

第2个参数是要下载的文件名称，这个文件应该在开发主机上准备好。

          => help cpcp [.b, .w, .l] source target count- copy memory

cp命令可以在内存中复制数据块，包括对Flash的读写操作。

第1个参数source是要复制的数据块起始地址。

第2个参数target是数据块要复制到的地址。这个地址如果在Flash中，那么会直接调用写Flash的函数操作，所以U-Boot写Flash就使用这个命令，当然需要先把对应Flash区域内容清除。

第3个参数count是要复制的数目，根据cp.b、cp.w、cp.l分别以字节、字、长字为单位。

          => help echoecho [args..]- echo args to console; /c suppresses newline

echo命令回显参数。

          => help eraseerase start end- erase FLASH from addr 'start' to addr 'end'erase N:SF[-SL]- erase sectors SF-SL in FLASH bank # Nerase bank N- erase FLASH bank # Nerase all- erase all FLASH banks

erase命令可以擦除Flash。

参数必须指定Flash擦除的范围，按照起始地址和结束地址，start必须是擦除块的起始地址；end必须是擦除末尾块的结束地址。这种方式最常用。例如，擦除0x20000 – 0x3ffff区域命令为erase 20000 3ffff。按照组和扇区，N表示Flash的组号，SF表示擦除起始扇区号，SL表示擦除结束扇区号。另外，还可以擦除整个组，擦除组号为N的整个Flash组。擦除全部Flash只要给出一个all的参数即可。

          => help gogo addr [arg ...]- start application at address 'addr'passing 'arg' as arguments

go命令可以执行应用程序。

第1个参数是要执行程序的入口地址。

第2个可选参数是传递给程序的参数，可以不用。

          => help iminfoiminfo addr [addr ...]- print header information for application image starting ataddress 'addr' in memory; this includes verification of theimage contents (magic number, header and payload checksums)

iminfo可以打印程序映像的开头信息，包含了映像内容的校验（序列号、头和校验和）。

第1个参数指定映像的起始地址。

第2个可选的参数是指定更多的映像地址。

          => help loadbloadb [ off ] [ baud ]- load binary file over serial line with offset 'off' and baudrate 'baud'

loadb命令可以通过串口线下载二进制格式文件。

          => help loadsloads [ off ]- load S-Record file over serial line with offset 'off'

nfs命令可以使用NFS网络协议通过网络启动映像。

          => help printenvprintenv- print values of all environment variablesprintenv name ...- print value of environment variable 'name'

printenv命令打印环境变量。

可以打印全部环境变量，也可以只打印参数中列出的环境变量。

          => help runrun var [...]- run the commands in the environment variable(s) 'var'

run命令可以执行环境变量中的命令，后面参数可以跟几个环境变量名。

          => help setenvsetenv name value ...- set environment variable 'name' to 'value ...'setenv name- delete environment variable 'name'

setenv命令可以设置环境变量。

第1个参数是环境变量的名称。

第2个参数是要设置的值，如果没有第2个参数，表示删除这个环境变量。

          => help sleepsleep N- delay execution for N seconds (N is _decimal_ !!!)

sleep命令可以延迟N秒钟执行，N为十进制数。

          => help tftpboottftpboot [loadAddress] [bootfilename]

tftpboot命令可以使用TFTP协议通过网络下载文件。按照二进制文件格式下载。另外使用这个命令，必须配置好相关的环境变量，如serverip和ipaddr。

第1个参数loadAddress是下载到的内存地址。

第2个参数是要下载的文件名称，必须放在TFTP服务器相应的目录下。

这些U-Boot命令为嵌入式系统提供了丰富的开发和调试功能。在Linux内核启动和调试过程中，都可以用到U-Boot的命令。但是一般情况下，不需要使用全部命令。例如，已经支持以太网接口，可以通过tftpboot命令来下载文件，那么还有必要使用串口下载的loadb吗？反过来，如果开发板需要特殊的调试功能，也可以添加新的命令。

10 U-Boot的环境变量

与Shell类似，U-Boot也使用环境变量。可以通过printenv命令查看环境变量的设置。

U-Boot> printenv
bootdelay=3
baudrate=115200
netmask=255.255.0.0
ethaddr=12:34:56:78:90:ab
bootfile=uImage
bootargs=console=ttyS0,115200 root=/dev/ram rw initrd=0x30800000,8M
bootcmd=tftp 0x30008000 zImage;go 0x30008000
serverip=192.168.1.1
ipaddr=192.168.1.100
stdin=serial
stdout=serial
stderr=serial
Environment size: 337/131068 bytes
U-Boot>

U-Boot环境变量的解释说明

 U-Boot的环境变量都可以有默认值，也可以修改并且保存在参数区。U-Boot的参数区一般有EEPROM和Flash两种设备。

环境变量的设置命令为setenv，在此以NFS和Nandflash两种启动的方式来说明一下。

（1）在启动内核之前需要设置启动参数，可以使用setenv bootargs命令完成。例如，下面的启动参数是使用nfs方式挂载文件系统的内核启动参数：

# setenv bootargs noinitrd root=/dev/nfs console=ttySAC0 init=/linuxrc
nfsroot=192.168.1.10:/nfsboot
ip=192.168.1.20:192.168.1.10:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0:on

这是以nfs作为根文件系统的启动参数，其中192.168.1.20是板子IP；192.168.1.10是服务器IP，192.168.1.1是网关IP，255.255.255.0是掩码。可以根据自己网络的实际情况更换合适的IP和nfs目录。使用nfs作为根文件系统对于程序的调试是非常有意义的，这样板子的根文件系统可以放在开发主机上（Red Hat或Ubuntu），不必每次文件系统更新后都要重新烧写Flash。

（2）如果程序调试已经结束，需要把文件系统烧写到板子的Nandflash中，并让内核到Nandflash中挂载文件系统，那么需要使用下面的启动参数：

#setenv bootargs noinitrd root=/dev/mtdblock2 console=ttySAC0 init=/linuxrc

这是以nand中的mtdblock2分区作为根文件系统的启动参数，这里默认情况下使用的是Yaffs2格式的文件系统。

上面定义的环境变量有serverip ipaddr rootpath bootargs kernel_addr。环境变量bootargs中还使用了环境变量，bootargs定义命令行参数，通过bootm命令传递给内核。环境变量nfscmd中也使用了环境变量，功能是把uImage下载到指定的地址并且引导起来。可以通过run命令执行nfscmd脚本。

（3）U-Boot自支运行命令

U-Boot在板子复位后，如果用户没有在命令界面中按下任意键，那么U-Boot会自动运行某些命令。比如下图中，如果用户在倒计时结束之前没有按下按键那么U-Boot自动从Nandflash中复制数据到内存，并跳转到内存中启动内核。

对于这个复位后自动运行的动作实际上是可以自定义的。比如说，要实现这样的动作：让U-Boot在复位后自动通过TFTP从主机下载内核文件zImage到内存中并启动内核的，那么可以这样设置：

# setenv bootcmd "tftp c0008000 zImage;bootm c0008000"

个人比较喜欢这样设置，因为这样设置在内核改动后不需要重新烧写到Nandflash中，直接放到Red Hat或Ubuntu的tftp共享目录下，由uboot下载到内存中直接启动，不需要经过nand烧写。设置完毕后输入saveenv保存一下，重新启动板子后设置生效。

当内核调试完毕，内核需要烧写到Nandflash中，这时U-Boot的自动运行动作就变成了从Nandflash中读取内核到内存，并跳转到内存启动内核。这样就需要如下设置：

# setenv bootcmd "nand read c000800040000 3c0000;bootm c0008000"

11 使用U-Boot

U-Boot是“Monitor”。除了Bootloader的系统引导功能，它还有用户命令接口，提供了一些复杂的调试、读写内存、烧写Flash、配置环境变量等功能。掌握U-Boot的使用，将极大地方便嵌入式系统的开发。

新开发的电路板没有任何程序可以执行，也就不能启动，需要先将U-Boot烧写到Flash中。

如果主板上的EPROM或者Flash能够取下来，就可以通过编程器烧写。例如，计算机BIOS就存储在一块256KB的Flash上，通过插座与主板连接。但是多数嵌入式单板使用贴片的Flash，不能取下来烧写。这种情况可以通过处理器的调试接口，直接对板上的Flash编程。

处理器调试接口是为处理器芯片设计的标准调试接口，包含BDM、JTAG和EJTAG 3种接口标准。JTAG接口在第4章已经介绍过；BDM（Background Debug Mode）主要应用在PowerPC8xx系列处理器上；EJTAG主要应用在MIPS处理器上。这3种硬件接口标准定义有所不同，但是功能基本相同，下面都统称为JTAG接口。

JTAG接口需要专用的硬件工具来连接，无论从功能、性能角度，还是从价格角度，这些工具都有很大差异。最简单方式就是通过JTAG电缆，转接到计算机并口连接。这需要在主机端开发烧写程序，还需要有并口设备驱动程序。开发板加电或者复位的时候，烧写程序探测到处理器并且开始通信，然后把Bootloader下载并烧写到Flash中。这种方式速率很慢，可是价格非常便宜。一般来说，平均每秒钟可以烧写100～200个字节。烧写完成后，复位实验板，串口终端应该显示U-Boot的启动信息。