u-boot 分析 - [嵌入式Linux系统开发技术详解-基于ARM]
2008-08-01 17:04
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导读：
6.1 Bootloader
对于计算机系统来说，从开机上电到操作系统启动需要一个引导过程。嵌入式Linux系统同样离不开引导程序，这个引导程序就叫作Bootloader。
6.1.1 Bootloader介绍
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，我们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启动，并且大部分都可以支持串口和以太网接口。
本章将对各种Bootloader总结分类，分析它们的共同特点。以U-Boot为例，详细讨论Bootloader的设计与实现。
6.1.2 Bootloader的启动
Linux系统是通过Bootloader引导启动的。一上电，就要执行Bootloader来初始化系统。可以通过第4章的Linux启动过程框图回顾一下。
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。比如，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2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，而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，跟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。第4章介绍的交叉开发环境就是以网络启动方式建立的。这种方式对于嵌入式系统开发来说非常重要。
使用这种方式也有前提条件，就是目标板有串口、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影像和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连设备，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讯。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。如图6.1所示。
图6.1 网络启动示意图
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，例如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。后来有Gordon Matzigkeit和Okuji Yoshinori接替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，叫作《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。图6.2是Bootloader和内核映像以及文件系统的分区表。
图6.2 Flash存储示意图
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。要使Bootloader的入口位于处理器上电执行第一条指令的位置。
接下来分配参数区，这里可以作为Bootloader的参数保存区域。
再下来内核映像区。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。
然后是文件系统区。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。这两种文件系统将在第12章详细讲解。
最后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，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，从而实现自举启动，这跟从磁盘上启动有些相似。
6.1.3 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。
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有更有好的显示界面，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，例如：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，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，源码下载网站是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》。
6.2.1 U-Boot工程简介
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的源码包可以从sourceforge网站下载，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。
U-Boot软件包下载网站：http://sourceforge.net/project/u-boot。
U-Boot邮件列表网站：http://lists.sourceforge.net/lists/listinfo/u-boot-users/。
DENX相关的网站：http://www.denx.de/re/DPLG.html。
6.2.2 U-Boot源码结构
从网站上下载得到U-Boot源码包，例如：U-Boot-1.1.2.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其规则，可以分为3类。
第1类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关；
第2类目录是一些通用的函数或者驱动程序；
第3类目录是U-Boot的应用程序、工具或者文档。
表6.2列出了U-Boot顶层目录下各级目录存放原则。
表6.2 U-Boot的源码顶层目录说明
目 录 特 性 解 释 说 明
board 平台依赖 存放电路板相关的目录文件，例如： RPXlite(mpc8xx) 、 smdk2410(arm920t) 、 sc520_cdp(x86) 等目录
cpu 平台依赖 存放 CPU 相关的目录文件，例如： mpc8xx 、 ppc4xx 、 arm720t 、 arm920t 、 xscale 、 i386 等目录
lib_ppc 平台依赖 存放对 PowerPC 体系结构通用的文件，主要用于实现 PowerPC 平台通用的函数
目 录 特 性 解 释 说 明
lib_arm 平台依赖 存放对 ARM 体系结构通用的文件，主要用于实现 ARM 平台通用的函数
lib_i386 平台依赖 存放对 X86 体系结构通用的文件，主要用于实现 X86 平台通用的函数
include 通用 头文件和开发板配置文件，所有开发板的配置文件都在 configs 目录下
common 通用 通用的多功能函数实现
lib_generic 通用 通用库函数的实现
Net 通用 存放网络的程序
Fs 通用 存放文件系统的程序
Post 通用 存放上电自检程序
drivers 通用 通用的设备驱动程序，主要有以太网接口的驱动
Disk 通用 硬盘接口程序
Rtc 通用 RTC 的驱动程序
Dtt 通用 数字温度测量器或者传感器的驱动
examples 应用例程 一些独立运行的应用程序的例子，例如 helloworld
tools 工具 存放*** S-Record 或者 U-Boot 格式的映像等工具，例如 mkimage
Doc 文档 开发使用文档
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S3C2410 arm920t处理器为例，具体分析S3C2410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。
6.2.3 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smdk2410开发板的定义如下。
smdk2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0
执行配置U-Boot的命令make smdk2410_config，通过./mkconfig脚本生成include/config.
mk的配置文件。文件内容正是根据Makefile对开发板的配置生成的。
ARCH = arm
CPU = arm920t
BOARD = smdk2410
SOC = s3c24x0
上面的include/config.mk文件定义了ARCH、CPU、BOARD、SOC这些变量。这样硬件平台依赖的目录文件可以根据这些定义来确定。SMDK2410平台相关目录如下。
board/smdk2410/
cpu/arm920t/
cpu/arm920t/s3c24x0/
lib_arm/
include/asm-arm/
include/configs/smdk2410.h
再回到顶层目录的Makefile文件开始的部分，其中下列几行包含了这些变量的定义。
# load ARCH, BOARD, and CPU configuration
include include/config.mk
export ARCH CPU BOARD VENDOR SOC
Makefile的编译选项和规则在顶层目录的config.mk文件中定义。各种体系结构通用的规则直接在这个文件中定义。通过ARCH、CPU、BOARD、SOC等变量为不同硬件平台定义不同选项。不同体系结构的规则分别包含在ppc_config.mk、arm_config.mk、mips_config.mk等文件中。
顶层目录的Makefile中还要定义交叉编译器，以及编译U-Boot所依赖的目标文件。
ifeq ($(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缺省的编译目标为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/ 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：
#define CONFIG_ARM920T 1
#define CONFIG_DRIVER_CS8900 1
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_FLASH_BASE 0x00000000
#define CFG_PROMPT "=>"
3．编译结果
根据对Makefile的分析，编译分为2步。
第1步配置，例如：make smdk2410_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
System.map U-Boot 映像的符号表
u-boot.bin U-Boot 映像原始的二进制格式
u-boot U-Boot 映像的 ELF 格式
u-boot.srec U-Boot 映像的 S-Record 格式
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。
表6.4 U-Boot的工具
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。
6.2.4 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S3C2410处理器的开发板为例，U-Boot-1.1.2版本已经支持SMDK2410开发板。我们可以基于SMDK2410移植，那么先把SMDK2410编译通过。
我们以S3C2410开发板fs2410为例说明。移植的过程参考SMDK2410开发板，SMDK2410在U-Boot-1.1.2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。
smdk2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0
参考上面2行，添加下面2行。
fs2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t fs2410 NULL s3c24x0
（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/fs2410/config.mk
board/fs2410/flash.c
board/fs2410/fs2410.c
board/fs2410/Makefile
board/fs2410/memsetup.S
board/fs2410/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/smdk2410.h include/configs/fs2410.h
如果是为一颗新的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 fs2410_config
（5）编译U-Boot
执行make命令，编译成功可以得到U-Boot映像。有些错误是跟配置选项是有关系的，通常打开某些功能选项会带来一些错误，一开始可以尽量跟参考板配置相同。
（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FS2410开发板的以太网驱动和smdk2410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、型号不都相同。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这个文件，需要根据具体的Flash类型修改。例如：
board/fs2410/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，并且有些问题可能困扰很长时间。
6.2.5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命令有一个结构体来描述。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cache
if (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cache
break;
case 1: icache_enable (); //关闭指令cache
break;
}
/* 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: //其他缺省情况下，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：SMDK2410平台在include/configs/smdk2410.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)
按照这3步，就可以添加新的U-Boot命令。
6.3 U-Boot的调试
新移植的U-Boot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源码。
6.3.1硬件调试器
硬件电路板***完成以后，这时上面还没有任何程序，就叫作裸板。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，这种硬件工具叫作仿真器。
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，或者进行Flash编程。如果板上的Flash是可以拔插的，就可以通过专用的Flash烧写器来完成。在第4章介绍过目标板跟主机之间的连接，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。
对于U-Boot的调试，可以采用BDI2000。BDI2000完全可以反汇编地跟踪Flash中的程序，也可以进行源码级的调试。
使用BDI2000调试U-boot的方法如下。
（1）配置BDI2000和目标板初始化程序，连接目标板。
（2）添加U-Boot的调试编译选项，重新编译。
U-Boot的程序代码是位置相关的，调试的时候尽量在内存中调试，可以修改连接定位地址TEXT_BASE。TEXT_BASE在board//config.mk中定义。
另外，如果有复位向量也需要先从链接脚本中去掉。链接脚本是board//u-boot.lds。
添加调试选项，在config.mk文件中查找，DBGFLAGS，加上-g选项。然后重新编译U-Boot。
（3）下载U-Boot到目标板内存。
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。
（4）启动GDB调试。
启动GDB调试，这里是交叉调试的GDB。GDB与BDI2000建立链接，然后就可以设置断点执行了。
$ arm-linux-gdb u-boot
(gdb)target remote 192.168.1.100:2001
(gdb)stepi
(gdb)b start_armboot
(gdb)c
6.3.2软件跟踪
假如U-Boot没有任何串口打印信息，手头又没有硬件调试工具，那样怎么知道U-Boot执行到什么地方了呢？可以通过开发板上的LED指示灯判断。
开发板上最好设计安装八段数码管等LED，可以用来显示数字或者数字位。
U-Boot可以定义函数show_boot_progress (int status)，用来指示当前启动进度。在include/common.h头文件中声明这个函数。
#ifdef CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS
void show_boot_progress (int status);
#endif
CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS是需要定义的。这个在板子配置的头文件中定义。CSB226开发板对这项功能有完整实现，可以参考。在头文件include/configs/csb226.h中，有下列一行。
#define CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS 1
函数show_boot_progress (int status)的实现跟开发板关系密切，所以一般在board目录下的文件中实现。看一下CSB226在board/csb226/csb226.c中的实现函数。
/** 设置CSB226板的0、1、2三个指示灯的开关状态
* csb226_set_led: - switch LEDs on or off
* @param led: LED to switch (0,1,2)
* @param state: switch on (1) or off (0)
*/
void csb226_set_led(int led, int state)
{
switch(led) {
case 0: if (state==1) {
GPCR0 |= CSB226_USER_LED0;
} else if (state==0) {
GPSR0 |= CSB226_USER_LED0;
}
break;
case 1: if (state==1) {
GPCR0 |= CSB226_USER_LED1;
} else if (state==0) {
GPSR0 |= CSB226_USER_LED1;
}
break;
case 2: if (state==1) {
GPCR0 |= CSB226_USER_LED2;
} else if (state==0) {
GPSR0 |= CSB226_USER_LED2;
}
break;
}
return;
}
/** 显示启动进度函数，在比较重要的阶段，设置三个灯为亮的状态（1, 5, 15）*/
void show_boot_progress (int status)
{
switch(status) {
case 1: csb226_set_led(0,1); break;
case 5: csb226_set_led(1,1); break;
case 15: csb226_set_led(2,1); break;
}
return;
}
这样，在U-Boot启动过程中就可以通过show_boot_progresss指示执行进度。比如hang()函数是系统出错时调用的函数，这里需要根据特定的开发板给定显示的参数值。
void hang (void)
{
puts ("### ERROR ### Please RESET the board ###/n");
#ifdef CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS
show_boot_progress(-30);
#endif
for (;;);
6.3.3 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。
开发板上电后，执行U-Boot的第一条指令，然后顺序执行U-Boot启动函数。函数调用顺序如图6.3所示。
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。
图6.3 U-Boot启动代码流程图
_start: b reset //复位向量
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr 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,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0xd3
msr cpsr,r0
/* 关闭看门狗*/
/* 这些初始化代码在系统重起的时候执行，运行时热复位从RAM中启动不执行*/
#ifdef CONFIG_INIT_CRITICAL
bl 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RAM */
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_start
ldr r3, _bss_start
sub 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 KiB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_IRQ
sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif
sub 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, #4
cmp r0, r1
bne 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, lr
bl memsetup//memsetup子程序在board/smdk2410/memsetup.S中实现
mov lr, ip
mov 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, /* 串口通讯设置-- 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,
};
6.3.4 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]);
//将一个地址转换为ulong (*)(int, char *[]))类型的函数指针
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，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;
bd_t *bd = gd->bd;
#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
char *commandline = getenv ("bootargs");
#endif
theKernel = (void (*)(int, int, uint))ntohl(hdr->ih_ep);
/* Check if there is an initrd image */
if(argc >= 3) {
SHOW_BOOT_PROGRESS (9);
addr = simple_strtoul (argv[2], NULL, 16);
printf ("## Loading Ramdisk Image at %08lx .../n", addr);
/* Copy header so we can blank CRC field for re-calculation */
memcpy (&header, (char *) addr, sizeof (image_header_t));
if (ntohl (hdr->ih_magic) != IH_MAGIC) {
printf ("Bad Magic Number/n");
SHOW_BOOT_PROGRESS (-10);
do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);
}
data = (ulong) &header;
len = sizeof (image_header_t);
checksum = ntohl (hdr->ih_hcrc);
hdr->ih_hcrc = 0;
if(crc32 (0, (char *) data, len) != checksum) {
printf ("Bad Header Checksum/n");
SHOW_BOOT_PROGRESS (-11);
do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);
}
SHOW_BOOT_PROGRESS (10);
print_image_hdr (hdr);
data = addr + sizeof (image_header_t);
len = ntohl (hdr->ih_size);
if(verify) {
ulong csum = 0;
printf (" Verifying Checksum ... ");
csum = crc32 (0, (char *) data, len);
if (csum != ntohl (hdr->ih_dcrc)) {
printf ("Bad Data CRC/n");
SHOW_BOOT_PROGRESS (-12);
do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);
}
printf ("OK/n");
}
SHOW_BOOT_PROGRESS (11);
if ((hdr->ih_os != IH_OS_LINUX) ||
(hdr->ih_arch != IH_CPU_ARM) ||
(hdr->ih_type != IH_TYPE_RAMDISK)) {
printf ("No Linux ARM Ramdisk Image/n");
SHOW_BOOT_PROGRESS (-13);
do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);
}
/* Now check if we have a multifile image */
} else if ((hdr->ih_type == IH_TYPE_MULTI) &&(len_ptr[1])) {
ulong tail = ntohl (len_ptr[0]) % 4;
int i;
SHOW_BOOT_PROGRESS (13);
/* skip kernel length and terminator */
data = (ulong) (&len_ptr[2]);
/* skip any additional image length fields */
for (i = 1; len_ptr[i]; ++i)
data += 4;
/* add kernel length, and align */
data += ntohl (len_ptr[0]);
if (tail) {
data += 4 - tail;
}
len = ntohl (len_ptr[1]);
} else {
/* no initrd image */
SHOW_BOOT_PROGRESS (14);
len = data = 0;
}
if (data) {
initrd_start = data;
initrd_end = initrd_start + len;
} else {
initrd_start = 0;
initrd_end = 0;
}
SHOW_BOOT_PROGRESS (15);
debug ("## Transferring control to Linux (at address %08lx) .../n",
(ulong) theKernel);
#if defined (CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || /
defined (CONFIG_CMDLINE_TAG) || /
defined (CONFIG_INITRD_TAG) || /
defined (CONFIG_SERIAL_TAG) || /
defined (CONFIG_REVISION_TAG) || /
defined (CONFIG_LCD) || /
defined (CONFIG_VFD)
setup_start_tag (bd);
#ifdef CONFIG_SERIAL_TAG
setup_serial_tag (¶ms);
#endif
#ifdef CONFIG_REVISION_TAG
setup_revision_tag (¶ms);
#endif
#ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS
setup_memory_tags (bd);
#endif
#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
setup_commandline_tag (bd, commandline);
#endif
#ifdef CONFIG_INITRD_TAG
if (initrd_start &&initrd_end)
setup_initrd_tag (bd, initrd_start, initrd_end);
#endif
setup_end_tag (bd);
#endif
/* we assume that the kernel is in place */
printf ("/nStarting kernel .../n/n");
cleanup_before_linux ();
theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params);
}
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。
6.4 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。
6.4.1烧写U-Boot到Flash
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。关于这些工具的选择，将在第6.4.1节详细介绍。
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。开发板上电或者复位的时候，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。
6.4.2 U-Boot的常用命令
U-Boot上电启动后，敲任意键可以退出自动启动状态，进入命令行。
U-Boot 1.1.2 (Apr 26 2005 - 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
bootp - boot image via network using BootP/TFTP protocol
cmp - memory compare
coninfo - print console devices and information
cp - memory copy
crc32 - checksum calculation
dhcp - invoke DHCP client to obtain IP/boot params
echo - echo args to console
erase - erase FLASH memory
flinfo - print FLASH memory information
go - start application at address 'addr'
help - print online help
iminfo - print header information for application image
imls - list all images found in flash
itest - return true/false on integer compare
loadb - load binary file over serial line (kermit mode)
loads - load S-Record file over serial line
loop - infinite loop on address range
md - memory display
mm - memory modify (auto-incrementing)
mtest - simple RAM test
mw - memory write (fill)
nfs - boot image via network using NFS protocol
nm - memory modify (constant address)
printenv - print environment variables
protect - enable or disable FLASH write protection
rarpboot - boot image via network using RARP/TFTP protocol
reset - Perform RESET of the CPU
run - run commands in an environment variable
saveenv - save environment variables to persistent storage
setenv - set environment variables
sleep - delay execution for some time
tftpboot - boot image via network using TFTP protocol
version - print monitor version
=>
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 memory
passing 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（缺省情况下传递bootargs环境变量给内核）。
=> help bootp
bootp [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 cmp
cmp [.b, .w, .l] addr1 addr2 count
- compare memory
cmp命令可以比较2块内存中的内容。.b以字节为单位；.w以字为单位；.l以长字为单位。注意：cmp.b中间不能保留空格，需要连续敲入命令。
第1个参数addr1是第一块内存的起始地址。
第2个参数addr2是第二块内存的起始地址。
第3个参数count是要比较的数目，单位按照字节、字或者长字。
=> help cp
cp [.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区域擦干净。
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 crc32
crc32 address count [addr]
- compute CRC32 checksum [save at addr]
crc32命令可以计算存储数据的校验和。
第1个参数address是需要校验的数据起始地址。
第2个参数count是要校验的数据字节数。
第3个参数addr用来指定保存结果的地址。
=> help echo
echo [args..]
- echo args to console; /c suppresses newline
echo命令回显参数。
=> help erase
erase start end
- erase FLASH from addr 'start' to addr 'end'
erase N:SF[-SL]
- erase sectors SF-SL in FLASH bank # N
erase bank N
- erase FLASH bank # N
erase all
- erase all FLASH banks
erase命令可以擦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。举例说明：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 flinfo
flinfo
- print information for all FLASH memory banks
flinfo N
- print information for FLASH memory bank # N
flinfo命令打印全部Flash组的信息，也可以只打印其中某个组。一般嵌入式系统的Flash只有一个组。
=> help go
go 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 iminfo
iminfo addr [addr ...]
- print header information for application image starting at
address 'addr' in memory; this includes verification of the
image 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。
可选的参数是指定更多的映像地址。
=> help loadb
loadb [ 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 loads
loads [ off ]
- load S-Record file over serial line with offset 'off'
loads命令可以通过串口线下载S-Record格式文件。
=> help mw
mw [.b, .w, .l] address value [count]
- write memory
mw命令可以按照字节、字、长字写内存，.b .w .l的用法与cp命令相同。
第1个参数address是要写的内存地址。
第2个参数value是要写的值。
第3个可选参数count是要写单位值的数目。
=> help nfs
nfs [loadAddress] [host ip addr:bootfilename]
nfs命令可以使用NFS网络协议通过网络启动映像。
=> help nm
nm [.b, .w, .l] address
- memory modify, read and keep address
nm命令可以修改内存，可以按照字节、字、长字操作。
参数address是要读出并且修改的内存地址。
=> help printenv
printenv
- print values of all environment variables
printenv 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 protect
protect on start end
- protect Flash from addr 'start' to addr 'end'
protect on N:SF[-SL]
- protect sectors SF-SL in Flash bank # N
protect on bank N
- protect Flash bank # N
protect on all
- protect all Flash banks
protect off start end
- make Flash from addr 'start' to addr 'end' writable
protect off N:SF[-SL]
- make sectors SF-SL writable in Flash bank # N
protect off bank N
- make Flash bank # N writable
protect off all
- make all Flash banks writable
protect命令是对Flash写保护的操作，可以使能和解除写保护。
第1个参数on代表使能写保护；off代表解除写保护。
第2、3参数是指定Flash写保护操作范围，跟擦除的方式相同。
=> help rarpboot
rarpboot [loadAddress] [bootfilename]
rarboot命令可以使用TFTP协议通过网络启动映像。也就是把指定的文件下载到指定地址，然后执行。
第1个参数是映像文件下载到的内存地址。
第2个参数是要下载执行的映像文件。
=> help run
run 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 setenv
setenv 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 sleep
sleep 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 tftpboot
tftpboot [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。例如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。比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。
在建立交叉开发环境和调试Linux内核等章节时，在ARM平台上移植了U-Boot，并且提供了具体U-Boot的操作步骤。
6.4.3 U-Boot的环境变量
有点类似Shell，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>
表6.5是常用环境变量的含义解释。通过printenv命令可以打印出这些变量的值。
表6.5 U-Boot环境变量的解释说明
环境变量 解 释 说 明
bootdelay 定义执行自动启动的等候秒数
baudrate 定义串口控制台的波特率
netmask 定义以太网接口的掩码
ethaddr 定义以太网接口的 MAC 地址
bootfile 定义缺省的下载文件
bootargs 定义传递给 Linux 内核的命令行参数
bootcmd 定义自动启动时执行的几条命令
serverip 定义 tftp 服务器端的 IP 地址
ipaddr 定义本地的 IP 地址
stdin 定义标准输入设备，一般是串口
stdout 定义标准输出设备，一般是串口
stderr 定义标准出错信息输出设备，一般是串口
U-Boot的环境变量都可以有缺省值，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6.2.2节有命令的解释。
举例说明环境变量的使用。
=>setenv serverip 192.168.1.1
=>setenv ipaddr 192.168.1.100
=>setenv rootpath "/usr/local/arm/3.3.2/rootfs"
=>setenv bootargs "root=/dev/nfs rw nfsroot=/$(serverip):/$(rootpath) ip=
/$(ipaddr)"
=>setenv kernel_addr 30000000
=>setenv nfscmd "tftp /$(kernel_addr) uImage; bootm /$(kernel_addr) "
=>run nfscmd
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。
本文转自
http://szricky.blog.hexun.com/7474976_d.html
6.1 Bootloader
对于计算机系统来说，从开机上电到操作系统启动需要一个引导过程。嵌入式Linux系统同样离不开引导程序，这个引导程序就叫作Bootloader。
6.1.1 Bootloader介绍
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，我们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启动，并且大部分都可以支持串口和以太网接口。
本章将对各种Bootloader总结分类，分析它们的共同特点。以U-Boot为例，详细讨论Bootloader的设计与实现。
6.1.2 Bootloader的启动
Linux系统是通过Bootloader引导启动的。一上电，就要执行Bootloader来初始化系统。可以通过第4章的Linux启动过程框图回顾一下。
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。比如，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2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，而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，跟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。第4章介绍的交叉开发环境就是以网络启动方式建立的。这种方式对于嵌入式系统开发来说非常重要。
使用这种方式也有前提条件，就是目标板有串口、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影像和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连设备，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讯。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。如图6.1所示。
图6.1 网络启动示意图
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，例如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。后来有Gordon Matzigkeit和Okuji Yoshinori接替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，叫作《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。图6.2是Bootloader和内核映像以及文件系统的分区表。
图6.2 Flash存储示意图
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。要使Bootloader的入口位于处理器上电执行第一条指令的位置。
接下来分配参数区，这里可以作为Bootloader的参数保存区域。
再下来内核映像区。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。
然后是文件系统区。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。这两种文件系统将在第12章详细讲解。
最后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，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，从而实现自举启动，这跟从磁盘上启动有些相似。
6.1.3 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。
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有更有好的显示界面，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，例如：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，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，源码下载网站是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》。
6.2.1 U-Boot工程简介
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的源码包可以从sourceforge网站下载，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。
U-Boot软件包下载网站：http://sourceforge.net/project/u-boot。
U-Boot邮件列表网站：http://lists.sourceforge.net/lists/listinfo/u-boot-users/。
DENX相关的网站：http://www.denx.de/re/DPLG.html。
6.2.2 U-Boot源码结构
从网站上下载得到U-Boot源码包，例如：U-Boot-1.1.2.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其规则，可以分为3类。
第1类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关；
第2类目录是一些通用的函数或者驱动程序；
第3类目录是U-Boot的应用程序、工具或者文档。
表6.2列出了U-Boot顶层目录下各级目录存放原则。
表6.2 U-Boot的源码顶层目录说明
目 录 特 性 解 释 说 明
board 平台依赖 存放电路板相关的目录文件，例如： RPXlite(mpc8xx) 、 smdk2410(arm920t) 、 sc520_cdp(x86) 等目录
cpu 平台依赖 存放 CPU 相关的目录文件，例如： mpc8xx 、 ppc4xx 、 arm720t 、 arm920t 、 xscale 、 i386 等目录
lib_ppc 平台依赖 存放对 PowerPC 体系结构通用的文件，主要用于实现 PowerPC 平台通用的函数
目 录 特 性 解 释 说 明
lib_arm 平台依赖 存放对 ARM 体系结构通用的文件，主要用于实现 ARM 平台通用的函数
lib_i386 平台依赖 存放对 X86 体系结构通用的文件，主要用于实现 X86 平台通用的函数
include 通用 头文件和开发板配置文件，所有开发板的配置文件都在 configs 目录下
common 通用 通用的多功能函数实现
lib_generic 通用 通用库函数的实现
Net 通用 存放网络的程序
Fs 通用 存放文件系统的程序
Post 通用 存放上电自检程序
drivers 通用 通用的设备驱动程序，主要有以太网接口的驱动
Disk 通用 硬盘接口程序
Rtc 通用 RTC 的驱动程序
Dtt 通用 数字温度测量器或者传感器的驱动
examples 应用例程 一些独立运行的应用程序的例子，例如 helloworld
tools 工具 存放*** S-Record 或者 U-Boot 格式的映像等工具，例如 mkimage
Doc 文档 开发使用文档
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S3C2410 arm920t处理器为例，具体分析S3C2410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。
6.2.3 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smdk2410开发板的定义如下。
smdk2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0
执行配置U-Boot的命令make smdk2410_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 = arm
CPU = arm920t
BOARD = smdk2410
SOC = s3c24x0
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。SMDK2410平台相关目录如下。
board/smdk2410/
cpu/arm920t/
cpu/arm920t/s3c24x0/
lib_arm/
include/asm-arm/
include/configs/smdk2410.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 configuration
include include/config.mk
export 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缺省的编译目标为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/ 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：
#define CONFIG_ARM920T 1
#define CONFIG_DRIVER_CS8900 1
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_FLASH_BASE 0x00000000
#define CFG_PROMPT "=>"
3．编译结果
根据对Makefile的分析，编译分为2步。
第1步配置，例如：make smdk2410_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
System.map U-Boot 映像的符号表
u-boot.bin U-Boot 映像原始的二进制格式
u-boot U-Boot 映像的 ELF 格式
u-boot.srec U-Boot 映像的 S-Record 格式
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。
表6.4 U-Boot的工具
| 工具名称 | 说 明 |
| bmp_logo | ***标记的位图结构体 img2srec 转换 SREC 格式映像 |
| envcrc | 校验 u-boot 内部嵌入的环境变量 |
| mkimage | 转换 U-Boot 格式映像 |
| gen_eth_addr | 生成以太网接口 MAC 地址 |
| updater U-Boot | 自动更新升级工具 |
| img2srec | 转换SREC格式映像 |
6.2.4 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S3C2410处理器的开发板为例，U-Boot-1.1.2版本已经支持SMDK2410开发板。我们可以基于SMDK2410移植，那么先把SMDK2410编译通过。
我们以S3C2410开发板fs2410为例说明。移植的过程参考SMDK2410开发板，SMDK2410在U-Boot-1.1.2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。
smdk2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0
参考上面2行，添加下面2行。
fs2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t fs2410 NULL s3c24x0
（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/fs2410/config.mk
board/fs2410/flash.c
board/fs2410/fs2410.c
board/fs2410/Makefile
board/fs2410/memsetup.S
board/fs2410/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/smdk2410.h include/configs/fs2410.h
如果是为一颗新的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 fs2410_config
（5）编译U-Boot
执行make命令，编译成功可以得到U-Boot映像。有些错误是跟配置选项是有关系的，通常打开某些功能选项会带来一些错误，一开始可以尽量跟参考板配置相同。
（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FS2410开发板的以太网驱动和smdk2410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、型号不都相同。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这个文件，需要根据具体的Flash类型修改。例如：
board/fs2410/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，并且有些问题可能困扰很长时间。
6.2.5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命令有一个结构体来描述。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cache
if (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cache
break;
case 1: icache_enable (); //关闭指令cache
break;
}
/* 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: //其他缺省情况下，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：SMDK2410平台在include/configs/smdk2410.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)
按照这3步，就可以添加新的U-Boot命令。
6.3 U-Boot的调试
新移植的U-Boot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源码。
6.3.1硬件调试器
硬件电路板***完成以后，这时上面还没有任何程序，就叫作裸板。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，这种硬件工具叫作仿真器。
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，或者进行Flash编程。如果板上的Flash是可以拔插的，就可以通过专用的Flash烧写器来完成。在第4章介绍过目标板跟主机之间的连接，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。
对于U-Boot的调试，可以采用BDI2000。BDI2000完全可以反汇编地跟踪Flash中的程序，也可以进行源码级的调试。
使用BDI2000调试U-boot的方法如下。
（1）配置BDI2000和目标板初始化程序，连接目标板。
（2）添加U-Boot的调试编译选项，重新编译。
U-Boot的程序代码是位置相关的，调试的时候尽量在内存中调试，可以修改连接定位地址TEXT_BASE。TEXT_BASE在board//config.mk中定义。
另外，如果有复位向量也需要先从链接脚本中去掉。链接脚本是board//u-boot.lds。
添加调试选项，在config.mk文件中查找，DBGFLAGS，加上-g选项。然后重新编译U-Boot。
（3）下载U-Boot到目标板内存。
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。
（4）启动GDB调试。
启动GDB调试，这里是交叉调试的GDB。GDB与BDI2000建立链接，然后就可以设置断点执行了。
$ arm-linux-gdb u-boot
(gdb)target remote 192.168.1.100:2001
(gdb)stepi
(gdb)b start_armboot
(gdb)c
6.3.2软件跟踪
假如U-Boot没有任何串口打印信息，手头又没有硬件调试工具，那样怎么知道U-Boot执行到什么地方了呢？可以通过开发板上的LED指示灯判断。
开发板上最好设计安装八段数码管等LED，可以用来显示数字或者数字位。
U-Boot可以定义函数show_boot_progress (int status)，用来指示当前启动进度。在include/common.h头文件中声明这个函数。
#ifdef CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS
void show_boot_progress (int status);
#endif
CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS是需要定义的。这个在板子配置的头文件中定义。CSB226开发板对这项功能有完整实现，可以参考。在头文件include/configs/csb226.h中，有下列一行。
#define CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS 1
函数show_boot_progress (int status)的实现跟开发板关系密切，所以一般在board目录下的文件中实现。看一下CSB226在board/csb226/csb226.c中的实现函数。
/** 设置CSB226板的0、1、2三个指示灯的开关状态
* csb226_set_led: - switch LEDs on or off
* @param led: LED to switch (0,1,2)
* @param state: switch on (1) or off (0)
*/
void csb226_set_led(int led, int state)
{
switch(led) {
case 0: if (state==1) {
GPCR0 |= CSB226_USER_LED0;
} else if (state==0) {
GPSR0 |= CSB226_USER_LED0;
}
break;
case 1: if (state==1) {
GPCR0 |= CSB226_USER_LED1;
} else if (state==0) {
GPSR0 |= CSB226_USER_LED1;
}
break;
case 2: if (state==1) {
GPCR0 |= CSB226_USER_LED2;
} else if (state==0) {
GPSR0 |= CSB226_USER_LED2;
}
break;
}
return;
}
/** 显示启动进度函数，在比较重要的阶段，设置三个灯为亮的状态（1, 5, 15）*/
void show_boot_progress (int status)
{
switch(status) {
case 1: csb226_set_led(0,1); break;
case 5: csb226_set_led(1,1); break;
case 15: csb226_set_led(2,1); break;
}
return;
}
这样，在U-Boot启动过程中就可以通过show_boot_progresss指示执行进度。比如hang()函数是系统出错时调用的函数，这里需要根据特定的开发板给定显示的参数值。
void hang (void)
{
puts ("### ERROR ### Please RESET the board ###/n");
#ifdef CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS
show_boot_progress(-30);
#endif
for (;;);
6.3.3 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。
开发板上电后，执行U-Boot的第一条指令，然后顺序执行U-Boot启动函数。函数调用顺序如图6.3所示。
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。
图6.3 U-Boot启动代码流程图
_start: b reset //复位向量
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr 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,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0xd3
msr cpsr,r0
/* 关闭看门狗*/
/* 这些初始化代码在系统重起的时候执行，运行时热复位从RAM中启动不执行*/
#ifdef CONFIG_INIT_CRITICAL
bl 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RAM */
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_start
ldr r3, _bss_start
sub 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 KiB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_IRQ
sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif
sub 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, #4
cmp r0, r1
bne 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, lr
bl memsetup//memsetup子程序在board/smdk2410/memsetup.S中实现
mov lr, ip
mov 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, /* 串口通讯设置-- 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,
};
6.3.4 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]);
//将一个地址转换为ulong (*)(int, char *[]))类型的函数指针
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，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;
bd_t *bd = gd->bd;
#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
char *commandline = getenv ("bootargs");
#endif
theKernel = (void (*)(int, int, uint))ntohl(hdr->ih_ep);
/* Check if there is an initrd image */
if(argc >= 3) {
SHOW_BOOT_PROGRESS (9);
addr = simple_strtoul (argv[2], NULL, 16);
printf ("## Loading Ramdisk Image at %08lx .../n", addr);
/* Copy header so we can blank CRC field for re-calculation */
memcpy (&header, (char *) addr, sizeof (image_header_t));
if (ntohl (hdr->ih_magic) != IH_MAGIC) {
printf ("Bad Magic Number/n");
SHOW_BOOT_PROGRESS (-10);
do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);
}
data = (ulong) &header;
len = sizeof (image_header_t);
checksum = ntohl (hdr->ih_hcrc);
hdr->ih_hcrc = 0;
if(crc32 (0, (char *) data, len) != checksum) {
printf ("Bad Header Checksum/n");
SHOW_BOOT_PROGRESS (-11);
do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);
}
SHOW_BOOT_PROGRESS (10);
print_image_hdr (hdr);
data = addr + sizeof (image_header_t);
len = ntohl (hdr->ih_size);
if(verify) {
ulong csum = 0;
printf (" Verifying Checksum ... ");
csum = crc32 (0, (char *) data, len);
if (csum != ntohl (hdr->ih_dcrc)) {
printf ("Bad Data CRC/n");
SHOW_BOOT_PROGRESS (-12);
do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);
}
printf ("OK/n");
}
SHOW_BOOT_PROGRESS (11);
if ((hdr->ih_os != IH_OS_LINUX) ||
(hdr->ih_arch != IH_CPU_ARM) ||
(hdr->ih_type != IH_TYPE_RAMDISK)) {
printf ("No Linux ARM Ramdisk Image/n");
SHOW_BOOT_PROGRESS (-13);
do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);
}
/* Now check if we have a multifile image */
} else if ((hdr->ih_type == IH_TYPE_MULTI) &&(len_ptr[1])) {
ulong tail = ntohl (len_ptr[0]) % 4;
int i;
SHOW_BOOT_PROGRESS (13);
/* skip kernel length and terminator */
data = (ulong) (&len_ptr[2]);
/* skip any additional image length fields */
for (i = 1; len_ptr[i]; ++i)
data += 4;
/* add kernel length, and align */
data += ntohl (len_ptr[0]);
if (tail) {
data += 4 - tail;
}
len = ntohl (len_ptr[1]);
} else {
/* no initrd image */
SHOW_BOOT_PROGRESS (14);
len = data = 0;
}
if (data) {
initrd_start = data;
initrd_end = initrd_start + len;
} else {
initrd_start = 0;
initrd_end = 0;
}
SHOW_BOOT_PROGRESS (15);
debug ("## Transferring control to Linux (at address %08lx) .../n",
(ulong) theKernel);
#if defined (CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || /
defined (CONFIG_CMDLINE_TAG) || /
defined (CONFIG_INITRD_TAG) || /
defined (CONFIG_SERIAL_TAG) || /
defined (CONFIG_REVISION_TAG) || /
defined (CONFIG_LCD) || /
defined (CONFIG_VFD)
setup_start_tag (bd);
#ifdef CONFIG_SERIAL_TAG
setup_serial_tag (¶ms);
#endif
#ifdef CONFIG_REVISION_TAG
setup_revision_tag (¶ms);
#endif
#ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS
setup_memory_tags (bd);
#endif
#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
setup_commandline_tag (bd, commandline);
#endif
#ifdef CONFIG_INITRD_TAG
if (initrd_start &&initrd_end)
setup_initrd_tag (bd, initrd_start, initrd_end);
#endif
setup_end_tag (bd);
#endif
/* we assume that the kernel is in place */
printf ("/nStarting kernel .../n/n");
cleanup_before_linux ();
theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params);
}
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。
6.4 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。
6.4.1烧写U-Boot到Flash
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。关于这些工具的选择，将在第6.4.1节详细介绍。
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。开发板上电或者复位的时候，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。
6.4.2 U-Boot的常用命令
U-Boot上电启动后，敲任意键可以退出自动启动状态，进入命令行。
U-Boot 1.1.2 (Apr 26 2005 - 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
bootp - boot image via network using BootP/TFTP protocol
cmp - memory compare
coninfo - print console devices and information
cp - memory copy
crc32 - checksum calculation
dhcp - invoke DHCP client to obtain IP/boot params
echo - echo args to console
erase - erase FLASH memory
flinfo - print FLASH memory information
go - start application at address 'addr'
help - print online help
iminfo - print header information for application image
imls - list all images found in flash
itest - return true/false on integer compare
loadb - load binary file over serial line (kermit mode)
loads - load S-Record file over serial line
loop - infinite loop on address range
md - memory display
mm - memory modify (auto-incrementing)
mtest - simple RAM test
mw - memory write (fill)
nfs - boot image via network using NFS protocol
nm - memory modify (constant address)
printenv - print environment variables
protect - enable or disable FLASH write protection
rarpboot - boot image via network using RARP/TFTP protocol
reset - Perform RESET of the CPU
run - run commands in an environment variable
saveenv - save environment variables to persistent storage
setenv - set environment variables
sleep - delay execution for some time
tftpboot - boot image via network using TFTP protocol
version - print monitor version
=>
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 memory
passing 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（缺省情况下传递bootargs环境变量给内核）。
=> help bootp
bootp [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 cmp
cmp [.b, .w, .l] addr1 addr2 count
- compare memory
cmp命令可以比较2块内存中的内容。.b以字节为单位；.w以字为单位；.l以长字为单位。注意：cmp.b中间不能保留空格，需要连续敲入命令。
第1个参数addr1是第一块内存的起始地址。
第2个参数addr2是第二块内存的起始地址。
第3个参数count是要比较的数目，单位按照字节、字或者长字。
=> help cp
cp [.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区域擦干净。
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 crc32
crc32 address count [addr]
- compute CRC32 checksum [save at addr]
crc32命令可以计算存储数据的校验和。
第1个参数address是需要校验的数据起始地址。
第2个参数count是要校验的数据字节数。
第3个参数addr用来指定保存结果的地址。
=> help echo
echo [args..]
- echo args to console; /c suppresses newline
echo命令回显参数。
=> help erase
erase start end
- erase FLASH from addr 'start' to addr 'end'
erase N:SF[-SL]
- erase sectors SF-SL in FLASH bank # N
erase bank N
- erase FLASH bank # N
erase all
- erase all FLASH banks
erase命令可以擦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。举例说明：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 flinfo
flinfo
- print information for all FLASH memory banks
flinfo N
- print information for FLASH memory bank # N
flinfo命令打印全部Flash组的信息，也可以只打印其中某个组。一般嵌入式系统的Flash只有一个组。
=> help go
go 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 iminfo
iminfo addr [addr ...]
- print header information for application image starting at
address 'addr' in memory; this includes verification of the
image 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。
可选的参数是指定更多的映像地址。
=> help loadb
loadb [ 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 loads
loads [ off ]
- load S-Record file over serial line with offset 'off'
loads命令可以通过串口线下载S-Record格式文件。
=> help mw
mw [.b, .w, .l] address value [count]
- write memory
mw命令可以按照字节、字、长字写内存，.b .w .l的用法与cp命令相同。
第1个参数address是要写的内存地址。
第2个参数value是要写的值。
第3个可选参数count是要写单位值的数目。
=> help nfs
nfs [loadAddress] [host ip addr:bootfilename]
nfs命令可以使用NFS网络协议通过网络启动映像。
=> help nm
nm [.b, .w, .l] address
- memory modify, read and keep address
nm命令可以修改内存，可以按照字节、字、长字操作。
参数address是要读出并且修改的内存地址。
=> help printenv
printenv
- print values of all environment variables
printenv 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 protect
protect on start end
- protect Flash from addr 'start' to addr 'end'
protect on N:SF[-SL]
- protect sectors SF-SL in Flash bank # N
protect on bank N
- protect Flash bank # N
protect on all
- protect all Flash banks
protect off start end
- make Flash from addr 'start' to addr 'end' writable
protect off N:SF[-SL]
- make sectors SF-SL writable in Flash bank # N
protect off bank N
- make Flash bank # N writable
protect off all
- make all Flash banks writable
protect命令是对Flash写保护的操作，可以使能和解除写保护。
第1个参数on代表使能写保护；off代表解除写保护。
第2、3参数是指定Flash写保护操作范围，跟擦除的方式相同。
=> help rarpboot
rarpboot [loadAddress] [bootfilename]
rarboot命令可以使用TFTP协议通过网络启动映像。也就是把指定的文件下载到指定地址，然后执行。
第1个参数是映像文件下载到的内存地址。
第2个参数是要下载执行的映像文件。
=> help run
run 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 setenv
setenv 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 sleep
sleep 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 tftpboot
tftpboot [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。例如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。比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。
在建立交叉开发环境和调试Linux内核等章节时，在ARM平台上移植了U-Boot，并且提供了具体U-Boot的操作步骤。
6.4.3 U-Boot的环境变量
有点类似Shell，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>
表6.5是常用环境变量的含义解释。通过printenv命令可以打印出这些变量的值。
表6.5 U-Boot环境变量的解释说明
环境变量 解 释 说 明
bootdelay 定义执行自动启动的等候秒数
baudrate 定义串口控制台的波特率
netmask 定义以太网接口的掩码
ethaddr 定义以太网接口的 MAC 地址
bootfile 定义缺省的下载文件
bootargs 定义传递给 Linux 内核的命令行参数
bootcmd 定义自动启动时执行的几条命令
serverip 定义 tftp 服务器端的 IP 地址
ipaddr 定义本地的 IP 地址
stdin 定义标准输入设备，一般是串口
stdout 定义标准输出设备，一般是串口
stderr 定义标准出错信息输出设备，一般是串口
U-Boot的环境变量都可以有缺省值，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6.2.2节有命令的解释。
举例说明环境变量的使用。
=>setenv serverip 192.168.1.1
=>setenv ipaddr 192.168.1.100
=>setenv rootpath "/usr/local/arm/3.3.2/rootfs"
=>setenv bootargs "root=/dev/nfs rw nfsroot=/$(serverip):/$(rootpath) ip=
/$(ipaddr)"
=>setenv kernel_addr 30000000
=>setenv nfscmd "tftp /$(kernel_addr) uImage; bootm /$(kernel_addr) "
=>run nfscmd
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。
本文转自
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