1 引言

Boot Loader(內(nèi)核引導(dǎo)程序)是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段自舉程序，用于初始化硬件設(shè)備、改變處理器運(yùn)行模式、重組中斷向量和建立內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件帶到一個(gè)合適的狀態(tài)或者用戶定制的特定狀態(tài)，以便為最終加載操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境[1]。

嵌入式Linux系統(tǒng)常用的Boot Loader有arm-boot、redboot、U-Boot等。U-Boot (全稱Universal Boot Loader)是當(dāng)前比較流行的遵循GPL條件的開(kāi)放源碼項(xiàng)目。U-Boot具有源碼公開(kāi)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)人員可根據(jù)自身需要進(jìn)行裁減;支持多種處理器和嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核;具有多種設(shè)備驅(qū)動(dòng)源碼：支持種引導(dǎo)方式;具有功能強(qiáng)大且成熟、穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，故在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中廣泛采用。U-Boot嚴(yán)重依賴于底層硬件，不同的CPU或嵌入式板極設(shè)備需要不同的U-Boot，因此，在嵌入式系統(tǒng)中建立通用的U-Boot是非常困難的，故U-Boot需針對(duì)開(kāi)發(fā)板量身定做。

2 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

2.1 BF533簡(jiǎn)介

Blackfin系列DSP是ADI公司與Intel聯(lián)合開(kāi)發(fā)推出的第一款高性能、低功耗第四代定點(diǎn)DSP產(chǎn)品，融合了Analog Devices/Intel公司的微信號(hào)結(jié)構(gòu)(MSA)。它將一個(gè)32位RISC型指令集和雙16位乘法累加(MAC)信號(hào)處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。這種組合使Blackfin處理器能夠在信號(hào)處理和控制處理應(yīng)用中發(fā)揮最佳的性能。且Blackfin處理器通過(guò)將工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口與高性能的信號(hào)處理內(nèi)核相結(jié)合在一起,用戶可以快速設(shè)計(jì)出節(jié)省成本的解決方案，而且無(wú)需昂貴的外部組件。

本開(kāi)發(fā)系統(tǒng)采用BF533，BF533是主頻高達(dá)600 MHz、峰值處理能力為1.2 GMI/s的高性能Blackfin處理器。BF533內(nèi)核包含2個(gè)16位MAC、2個(gè)40位ALU、4個(gè)8位視頻ALU 以及1個(gè)40位移位器。另外，BF533還包括1個(gè)UART口、1個(gè)SPI口、2個(gè)串行口(SPORT)、4個(gè)通用定時(shí)器(其中3個(gè)具有PWM功能)、1 個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門(mén)狗定時(shí)器以及1個(gè)并行外設(shè)接口。外部存儲(chǔ)器控制器可與SDRAM、SRAM、Flash和ROM實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接[2]。

2.2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)板硬件系統(tǒng)如圖1所示。

目標(biāo)板以Blackfin嵌入式處理器為核心，數(shù)據(jù)地址線復(fù)用到SDRAM、Flash、USB、Ethernet，并通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)邏輯控制。此外，將UART端口轉(zhuǎn)換為RS232端口引出。其中SDRAM的地址為0x00000000～0x02000000，F(xiàn)lash的地址為 0x20000000～0x20300000。

宿主機(jī)采用Window和Suse10.0雙操作系統(tǒng)，采用串行接口和以太網(wǎng)連接宿主機(jī)和目標(biāo)板，程序先在宿主機(jī)上編譯，然后下載至目標(biāo)板上運(yùn)行，目標(biāo)板的終端被重定向到串行接口，由宿主機(jī)輸出。

2.3 開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立

2.3.1 在宿主機(jī)上設(shè)置終端

大部分嵌入式系統(tǒng)在宿主機(jī)大多都采用kermit或minaicom實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)板的通信，本系統(tǒng)采用inicom。minicom是Linux下一個(gè)類似于Windows超級(jí)終端的友好串口通信程序。在終端輸入bash#minicom-s進(jìn)入minicom設(shè)置畫(huà)面，設(shè)置串口波特率、有效數(shù)據(jù)位、停止位以及奇偶校驗(yàn)位分別為57 600、8 bit、1位停止位以及無(wú)奇偶校驗(yàn)位等。

2.3.2安裝交叉編譯器

交叉編譯是在一個(gè)架構(gòu)下編譯另外一個(gè)架構(gòu)的目標(biāo)文件。要從http：//blackfin.uclinux.org網(wǎng)站上下載Blackfin ToolChain，然后安裝并修改環(huán)境變量PATH，使其包含ToolChain的安裝目錄。

3 U-Boot啟動(dòng)兩階段

U-Boot代碼一般分為stage1和stage2兩大部分。stage1依賴于cpu體系結(jié)構(gòu)如設(shè)備初始化代碼，常用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)以達(dá)到短小精悍,提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的目的。它主要包括cpu/bf533目錄下的start.s。stage2一般采用C語(yǔ)言編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能，這樣代碼則具有更好的可讀性和可移植性，主要包括lib blackfin/board.c文件和common/main.c文件中main_loop函數(shù)。

stagel從cpu入口函數(shù)cpu/bf533/start.s開(kāi)始,通常包含以下步驟：

(1)基本硬件的初始化，為隨后執(zhí)行kernel準(zhǔn)備好基本的硬件環(huán)境。包括：屏蔽所有中斷，引導(dǎo)裝載程序的執(zhí)行過(guò)程中不必執(zhí)行任何中斷，中斷屏蔽可通過(guò)寫(xiě)cpu的中斷屏蔽寄存器或狀態(tài)寄存器實(shí)現(xiàn);設(shè)置cpu的速度和時(shí)鐘頻率，初始化pll;RAM初始化，初始化內(nèi)存控制器的各個(gè)寄存器;初始化 UART，向串口打印U-Boot的字符信息;關(guān)閉cpu內(nèi)部指令，數(shù)據(jù)cache。

(2) 為加載U-Boot的stage2準(zhǔn)備RAM空間，通常將stage2置于整個(gè)RAM空間的最頂層1 MB空間。

(3)拷貝U-Boot的stage2到RAM。判斷是否是Flash運(yùn)行,如果是就將stage2的代碼拷貝到TEXT BASE處。將stage2安排到RAM空間的最頂層1 MB是較推薦的方法。

(4)設(shè)置堆棧指針sp為C語(yǔ)言代碼執(zhí)行做好準(zhǔn)備。

(5)跳轉(zhuǎn)到stage2的C語(yǔ)言代碼入口點(diǎn)。

stage2主要包括lib-blackfin/board.c中board_init_f、board_init_r函數(shù)以及common/main.C中main_loop函數(shù)。通常包含以下步驟：

(1)初始化此階段需用的硬件設(shè)備，由board_init_f和board_init_r函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

(2)內(nèi)存映射檢測(cè)。

(3)加載內(nèi)核并為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)。

(4)調(diào)用內(nèi)核。

4 U-BOOt的移植

4.1 U-Boot方法與要點(diǎn)

移植U-Boot簡(jiǎn)便的方法是從U-Boot支持的開(kāi)發(fā)板中選擇一個(gè)與其目標(biāo)板接近的開(kāi)發(fā)板進(jìn)行修改。需修改的是與硬件相關(guān)的部分,涉及到兩個(gè)層面：針對(duì)CPU的移植，由于U-Boot_1.1.3支持BF533，故只需做第二層面的移植：針對(duì)目標(biāo)板硬件的移植。在移植前，需仔細(xì)閱讀U-Boot/readme文件，該文件對(duì)目錄結(jié)構(gòu)和如何移植作了簡(jiǎn)要介紹。從移植U-Boot的最小要求、U- Boot能夠正常啟動(dòng)的角度出發(fā),選擇BF533的STAMP板為模板,相關(guān)源代碼在/board/stamp目錄下，結(jié)合U-Boot的啟動(dòng)流程，主要修改文件如下：[!--empirenews.page--]

(1)與目標(biāo)板相關(guān)的代碼部分：在board下創(chuàng)建mybf533目錄，無(wú)需從頭開(kāi)始，參考與目標(biāo)板相似的STAMP板在mybf533目錄下創(chuàng)建 mybf533.c、mybf533.h、flash.c、config.mk、Makefie等文件。需要修改/board/mybf533 /config.mk：

TFEXT_BASE用于設(shè)置程序編譯鏈接的起始地址即將U-Boot的stage2拷貝到SDRAM的TEXT_BASE處，即SDRAM最頂層一段存儲(chǔ)區(qū)。修改board/mybf533/Makefile：

(2)與CPU相關(guān)的代碼部分：U-Boot_1.1.3/epu文件中含有BF533的目錄，其中包含start.s、cpu.c、cpu.h、interrupt.c、init_sdram.s等。故不需要建立與cpu相關(guān)的文件目錄。

(3)與頭文件相關(guān)的代碼：在include/configs創(chuàng)建mybf533.h，參考include/configs/stamp.h，如下：

Flash的修改與具體型號(hào)和容量有關(guān)，修改過(guò)程中參考Flash擦除數(shù)據(jù)命令、特定寄存器的寫(xiě)入地址以及扇區(qū)的大小和位置。

與SDRAM相關(guān)設(shè)置：

注意：最后一行要用Tab鍵開(kāi)頭表示命令。其中blackfin表示CPU的種類.bf533是cpu bf533對(duì)應(yīng)的代碼目錄，mybf533是目標(biāo)板對(duì)應(yīng)的目錄。這樣可使用make mybf533_config配置自身的開(kāi)發(fā)板。

其他修改視情況而定。如根據(jù)SDRAM大小修改cplb表，根據(jù)需要修改堆棧大小。如drivers/cfi_flash.c中flash_init()函數(shù),cpu/bf533/ints.c中init_IRQ()函數(shù)等。

修改完畢后就可以采用如以下命令編譯U-Boot：bash$>make clean，bash$>make mrproper，bash$>make mybf533_config，bash$>make。

編譯完后U-Boot_1.1.3生成U-Boot的二進(jìn)制文件U-Boot.bin(U-Boot.bin只能用于更新)。執(zhí)行 bash$>bfin-uclinux-objcopy-I binary-Oihex U-Boot.bin,生成可在Windows下首次燒寫(xiě)到Flash的十六進(jìn)制文件U-Boot.hex。

4.2 U-Boot的燒寫(xiě)

第一次下載U-Boot到目標(biāo)板或者當(dāng)U-Boot不能正常啟動(dòng)時(shí)。必須通過(guò)JTAG或者ADI ICE將U-Boot下載到目標(biāo)板。在此可將ADI公司的仿真器與Visual DSP++環(huán)境相連,通過(guò)Visual DSP++,在TOOLS-->Flash Programmer下執(zhí)行Flash驅(qū)動(dòng)程序M25P64.dxe，選擇"Erase all"-->Load Flie燒寫(xiě)U-Boot.hex文件到Flash中。

移植成功后，打開(kāi)終端minicom復(fù)位開(kāi)發(fā)板，若串口能輸出正確的啟動(dòng)信息.則表明移植基本成功。啟動(dòng)后，如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，串口沒(méi)有接收到按鍵。U-Boot將自動(dòng)加載操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)。若設(shè)定時(shí)間內(nèi)串口接收到按鍵，則U-Boot停止自動(dòng)加載,進(jìn)入命令行，可看到U-Boot的提示符"mybf533>"，查看Flash信息，調(diào)試或手動(dòng)加載內(nèi)核。

生成新的U-Boot.bin文件后?？赏ㄟ^(guò)Ethernet或者串口更新U-Boot。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的傳輸速度遠(yuǎn)比串口快，故一般選擇網(wǎng)絡(luò)傳輸。將新生成的U-Boot.bin拷貝到宿主機(jī)根目錄下的tftpboot目錄(前提是已經(jīng)創(chuàng)建tftp sever),在目標(biāo)板出現(xiàn)U-Boot提示符后。按任意鍵進(jìn)入下載模式：

mybf533>tftp 0x1000000 U-Boot.bin

0x1000000為SDRAM默認(rèn)的下載地址空間,用于U-Boot的升級(jí)、調(diào)試。當(dāng)需要升級(jí)或者修改U-Boot,可將新的U-Boot從 SDRAM燒寫(xiě)到。Flash,覆蓋原來(lái)的U-Boot，以減少燒寫(xiě)Flash的次數(shù)。在燒寫(xiě)以前最好測(cè)試一下所下載的U-Boot能否正常運(yùn)行：

如果不正確，應(yīng)重復(fù)執(zhí)行Erase all和Copy命令，直到正確為止。至此，U-Boot移植的步驟已基本完成。

5 結(jié)束語(yǔ)

U-Boot是一個(gè)功能強(qiáng)大的Boot loader。前期移植工作是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的首要環(huán)節(jié)。但其移植不可避免的存在一些難以預(yù)料的問(wèn)題。嵌入式開(kāi)發(fā)人員應(yīng)該在了解U-Boot的工作機(jī)理、移植條件后,根據(jù)目標(biāo)板和具體情況靈活裁減U-Boot以提高操作系統(tǒng)移植的穩(wěn)定性，縮短移植周期，降低產(chǎn)品成本。

本文結(jié)合U-Boot的運(yùn)行機(jī)理以及U-Boot移植的基本要求，研究了U-Boot在基于BF533的嵌入式系統(tǒng)上的移植。本文的移植是在不改變 U-Boot框架前提下，對(duì)嵌入式目標(biāo)板和CPU相關(guān)代碼進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)了成功移植且移植后的U-Boot能夠在目標(biāo)板上穩(wěn)定運(yùn)行，為后續(xù)開(kāi)發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。