摘 要：通过分析Uboot的文件结构及其启动流程，详细给出了Uboot在基于ARM920T开发板上的移植方案，包括编译、调试全过程，最终能够在Uboot命令方式下加载映像文件，完成Linux内核与yaffs映像文件的调试，具有Bootloader移植的通用性。
关键词：Uboot;S3C2440; ARM920T;引导过程; 启动代码
1 Uboot移植环境准备
1.1 移植平台的硬件组成
硬件平台是ARM9的体系结构，ARM920T的CPU， SOC芯片是三星的S3C2440，支持Nand Flash与Nor Flash的可选启动方式，其主要硬件资源如表1所示[1]。
支持Nand Flash与Nor Flash启动，可以通过跳线来选择启动方式。Nand Flash启动时，最开始4 KB数据被硬拷贝到内部Boot Internal SRAM,且被映射到nGCS0的片选空间0x0000,0000—0x0800,0000；Nor Flash方式启动时，它直接被映射到nGCS0的片选空间。所以，在Uboot移植时，要考虑将Uboot烧写到Nor flash上还是Nand Flash上。
1.2 Uboot工作原理
Uboot的整体结构如图1所示。
从图1可以看出，这种分层结构的Uboot分模块化了，给移植带来了很大的方便。由于协议层与应用层是与目标硬件无关的，因此移植工作主要集中在物理层和驱动层上面的修改。而Uboot支持串口下载、网络下载，并提供了很多交互式命令。整个Uboot编译、连接过程如下：
(1)创建编译环境
在MAKEFILE中会调用根目录下的mkconfig文件，如下：
MKCONFIG:= $(SRCTREE)/mkconfig
qq2440v3_config:unconfig
@$(MKCONFIG)$(@:_config=)arm ARM920T qq2440v3 NULL s3c24x0
Mkconfig文件引用传入的参数$1=qq2440v3、$2=arm、$3=arm920t、$4=qq2440v3、$5=NULL、$6=s3c24x0，流程如图2所示。
(2)编译流程
编译流程如图3所示。
最终生成内存映像图文件U-boot.map和可执行二进制映像elf文件U-boot[2]，可以直接将生成的U-boot下载到SDRAM来单步调试。
2 Uboot的移植操作
2.1存储器映射与存储器重映射
存储器映射，实现了统一编址，方便了程序在32 bit寻址(4 GB寻址空间)的范围内能够寻址到任意的物理存储区。
S3C2440芯片不带片内Flash，带片内4 KB的SRAM，被映射到了0x4000_0000~0x4000_1000的地址空间,外部的SDRAM被映射到bank6,网卡被映射到bank3，Flash被映射到bank0。
由于Uboot是上电后就运行，因此需要将代码定位在Flash从0x0000_0000的上电入口处。为了提高系统加载速度并且实现在线编程功能,需要将整个Uboot从Flash中搬到RAM运行，即代码从定位，将整个代码定位到SDRAM的0x3300_0000之后,来作为其实际的运行地址，具体如图4所示。
2.2 配置主机运行环境
Uboot与Linux系统密切相关，笔者在RH Linux的虚拟机中搭建了整个运行环境，采用的是2.2.4的Linux内核，arm-linux-gcc-3.4.1的交叉编译工具[3]，需要在/root/.bashrc文件中做一下交叉编译工具路径的声明，即加上如下一句：
export PATH=$PATH:/usr/local/arm/3.4.1/bin
保存并退出，在终端下输入“arm-linux-gcc-version”并回车，如果能看到输出版本信息为3.4.1，则代表路径设置正确，交叉编译工具链已经成功安装。
2.3 修改CPU相关代码
在调试Uboot时，如果每次都将二进制映像烧录到Flash中，不仅需要等待，而且操作麻烦，本文是在调试阶段将二进制映像直接烧录到外部存储器SDRAM中，然后直接从该处运行，这样直接在内存中运行，可以很方便地完成Uboot调试。
Uboot启动的第一阶段，从.\cpu\arm920t\start.s开始执行，依次完成关闭看门狗、关闭中断、设置CPU分频比、初始化SDRAM、代码重定位、设置堆栈，最后跳转到C函数的入口点。当在SDRAM中调试时，内存的初始化已经预先完成了,因此不需要初始化SDRAM和代码重定位的功能。
在.\include\configs\qq2430.h添加宏定义define CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT，就会跳过cpu_init_crit处的初始化SDRAM函数，代码如下所示：
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
cpu_init_crit:
…
当Uboot在SDRAM中运行时,代码的入口地址_start与代码在SDRAM中重定位的地址_TEXT_BASE相同，直接跳转到堆栈初始化处stack_setup，跳过了代码的Flash到RAM的搬运。代码如下所示：
adr r0, _start
ldr r1, _TEXT_BASE
cmp r0, r1
beq stack_setup
2.4 添加平台相关代码
从汇编跳转到C程序的入口点start_armboot时，即位于./Lib_arm/Board.c中的start_armboot函数，通过函数初始化数组来依次完成CPU(cpu_init)、板级(board_init)、中断(interrupt_init)、环境变量(env_init)、串口(serial_init)、波特率(init_buardrate)、显示(disp_banner)、Flash初始化(nand_init)，每个初始化后返回不为0的值，否则永远在死循环中挂起，需要重新启动开发板。
2.4.1 锁相环时钟的配置
在smdk2410开发板的基础上修改。在./board/qq2440v3下新建qq2440v3.c，并且将Uboot中的./board/smdk2410/smdk2410.c内容全部复制给qq2440v3.c。在include/configs下新建qq2440v3.h配置文件，同时将include/configs/smdk2410.h全部复制给qq2440v3.h。因为S3C2440与S3C2410的最高运行速率不一样，系统时钟设置也不一样，即锁相环配置有差异，因此内部总线的分频比系数是不同的。S3C2440可运行于400 MHz，而S3C2410则是200 MHz，需要更改系统时钟部分，使其增加对S3C2440的支持。
锁相环输出的MPLL(fclk时钟频率寄存器)与UPLL(USB控制时钟频率寄存器)计算式如下：
MPLL=(2*m*Fin)/(p*2^s) /*锁相环输出fclk频率
UPLL=(m*Fin)/(p*2^s) /*锁相环输出USB控制频率
m=M(the value for divider M)+8,p=P(the value for divider P)+2,s=S
其中m、p、s为锁相环的预置值，控制输出频率, Fin为晶振频率12 MHz。通过下面的宏定义分别给M、P、S赋值0x5c、0x01、0x01就能轻松完成时钟配置。
#define S3C2440_MPLL_400 MHz ((0x5c<<12)|(0x01<<4)|(0x01))
#define S3C2440_UPLL_48 MHz ((0x38<<12)|(0x02<<4)|(0x02))
#define S3C2440_CLKDIV 0x05 /* FCLK:HCLK:PCLK= 1:4:8, UCLK = UPLL
2.4.2 串口的配置
S3C2440带有3个UART,用异步通用串口uart0与上位机通信。串口时钟用pclk时钟，即1/2 hclk时钟，1/8 fclk时钟（mpll时钟），get_PCLK()函数返回pclk时钟频率。串口0工作于中断模式，通过FIFO缓存收发，没有校验位，1位停止位，通过设置ULCON0寄存器与UFCON0来配置。为了提高数据传送的可靠性，使用了错误接收中断机制，能够检测溢出错误、奇偶校验错误和帧错误，相关错误状态保存在错误状态寄存器UTRSTAT0的对应位中。
串口的波特率用115 200 b/s，通过给波特率除数寄存器UBRDIV0赋值，能够确定串行发送接收波特率。计算公式如下：
UBRDIVn=(int) (UART clock/(buad rate*16))-1；
其中UART clock为pclk时钟，buard rate为115 200。
2.5 编译并调试
为了在内存中运行,先要把链接脚本文件./Board/qq2440v3/U-boot.lds中的程序初始化运行地址.=0x0000,0000改为.=0x3300,0000，以方便直接在RAM中运行。在终端控制台中先进入Uboot的根目录，然后执行命令make qq2440v3_config，通过make all来编译和连接程序。编译没有错误的情况下，会在Uboot的根目录下生成u-boot、u-boot.srec和u-boot.bin三个文件，分别对应于ELF格式、S-Record格式和二进制格式。
直接使用JTAG烧写二进制u-boot.bin到SDRAM的0x3300,0000处，烧写完成之后，将pc的指针指向该处运行，会在串口终端上显示板子的自检信息，并给出提示符等待用户输入命令，如图5所示。
3 Uboot从Flash中启动
S3C2440既支持从Nor Flash中启动，也支持从Nand Flash中启动。Nor Flash的地址线与数据线分开，方便代码存取且速度很快，上电复位时直接把Nor Flash映射到了0x0000,0000地址处。但是Nand Flash数据线与地址线复用，运行速度慢，为了提高Nand Flash启动效率，S3C2440芯片加入了一个特殊机制,会在上电复位时，把Nand Flash前4 KB代码硬拷贝到内部SRAM的4 KB空间，然后将SRAM的4 KB空间映射到0x0000,0000处，这样直接在SRAM中启动Uboot，节省了启动时间。
3.1 从Nor Flash中运行
3.1.1添加Nor Flash驱动
board/qq2440v3/Flash.c中的驱动只支持Nor Flash的AMDLV400和AMDLV800两种芯片,不支持本文板子上的AM29LV160，更不支持Nand Flash，只能用CFI标准接口连接，在/drivers/cfiflash.c中定义了该接口标准下的读写函数的具体实现。要调用该驱动，应在配置头文件/include/configs/qq2440v3.h中添加CFI的宏定义:
#define CFG_FLASH_CFI_DRIVER 1
并在board/qq2440v3/Makefile中去掉原来的Nor flash驱动的编译，即:
COBJS:= qq2440v3.o flash.o 变量中去掉flash.o的连接。
3.1.2 SDRam初始化并实现代码从定位
Uboot在Nor Flash中启动后，在start.s阶段除了要完成必要的寄存器设置外，还要完成SDRAM的初始化以及代码从定位，即把Flash空间的Uboot映像搬运到SDRAM高地址空间中，然后在SDRAM中运行Uboot。可以直接从Nor Flash启动Uboot，但从Nand Flash启动要实现重定位，在这里就一起实现了。
首先在.\include\configs\qq2430.h中去掉刚才添加宏定义define CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT，则会在start.s阶段进入cpu_init_crit函数以完成I/D caches设置以及禁止MMU，随后进入lowlevel_init完成内存寄存器组的设置，如SDRAM位宽、刷新率等的初始化工作。
在.\include\configs\qq2430.h中去掉CONFIG_SKIP_
RELOCATE_UBOOT的宏定义,来完成整个代码的重定位[5]。
Uboot代码区的长度为_bss_start-_armboot_start，其中_bss_start与_armboot_start变量保存的都是代码段的起始地址与终止地址。_start+_bss_start-_armboot_start为代码区结束的绝对地址，通过地址绝对寻址来复制代码区的数据到内存中TEXT_BASE地址区域，其中TEXT_BASE在.\Board\QQ2440v3\Config.mk中被赋值，即TEXT_BASE=0x33000000，表示代码重定位在SDRAM中的运行起始地址。
3.1.3 编译并调试
Uboot已经能够成功在SDRAM中启动运行了，为了能够从Nor Flash中启动，需要做如下工作。
先要把链接脚本文件./Board/qq2440v3/U-boot.lds中的程序初始化运行地址.=0x3300,0000改为.=0x0000,0000，通过硬件开关选择开机启动方式为Nor Flash，完成Nor Flash映射到0地址处。然后在终端控制台编译连接，直到没有错误。通过HJTAG烧录进Nor Flash里面，开机运行后串口终端输出界面如图6所示。
3.2 从Nand Flash中运行
3.2.1添加Nand Flash驱动
S3C2440支持从Nand Flash启动，考虑到移植的通用性，对于没有Nor Flash的板子，就需要从Nand Flash启动。在.\drivers目录下有两种Nand的驱动，.\Nand和.\Nand_legacy两种驱动可以选择，其中.\Nand能够自动识别很多型号的Nand Flash，并且是更新版本，因此选择这种驱动。根据Nand.c中的
#if(CONFIG_COMMANDS&CFG_CMD_NAND) && !defined(CFG_NAND_LEGACY)
#include
条件编译选择Nand驱动，首先在板级配置头文件qq2440v3.h中的宏定义CONFIG_COMMAND中添加CFG_CMD_NAND，并且不定义CFG_NAND_LEGACY。在start_armboot()函数中会对外设逐一初始化，Nand初始化代码如下：
#ifdefined(CFG_MAX_NAND_DEVICE) nand_init;
#endif
需要在板级配置头文件qq2440v3.h中宏定义CFG_MAX_NAND_DEVICE，因为smdk2410开发板不支持Nand Flash，因此需要自己来编写Nand Flash驱动函数board_nand_init来被nand_init以及nand_init_chip调用，以完成Nand Flash的硬件初始化，包括使能Nand Flash控制器、初始化ECC、使能片选信号、设置时序等。
3.2.2添加cmd命令
为了丰富Nand与网卡功能，还需要在配置文件中添加Nand与网卡相关命令来调用相关函数。在板级配置头文件qq2440v3.h中的CONFIG_COMMANDS宏定义中以逻辑“或”的形式添加CFG_CMD_NAND与CFG_CMD_NET，这样便可以通过命令方式实现Nand Flash的读写以及网络下载功能。
Uboot的网络功能很强大，可以方便地通过TFTP引导或者是NFS引导内核映像或者文件系统到SDRAM，然后直接go到此处执行，在SDRAM中调试完成后，再将映像文件烧录到Flash中，不仅调试方便，而且还节省下载时间。
3.2.3 编译并调试
编译过程跟Nor Flash启动一样，最后串口输出信息如图7所示。
此时，整个Uboot的移植就算完成了，由于支持串口跟网卡驱动，可以很方便地用这个Uboot来通过网卡下载内核映像与文件系统到Flash，通过串口输出信息调试Uboot。
4 Uboot引导Linux内核
4.1 内核启动参数的传递
Uboot在引导内核启动时,通过标记列表的方式向内核传递启动参数。这些启动参数预先以环境变量的方式保存在Flash中，在./Lib_arm/Board.c中的初始化环境变量函数env_init()初始化，下面的函数来实现向kernel跳转。
theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params); thekernel其实不是个函数,而是指向内核入口地址的指针，为0x30008000。这里把它强行转化为带三个参数的函数指针，会把三个参数保存到通用寄存器中,实现了向kernel传递信息的功能，R0赋值为0，R1赋值为机器号，R2赋值为启动参数数据结构的首地址[6]。
标记列表实际上是内存中的结构体组成的列表，在./Lib_arm/Armlinux.c中函数setup_start_tag()来创建标记列表。
4.2 tftp加载内核映像
对于已经编译好了的内核映像文件zImage，其格式是ELF的可执行文件，首先要把它转化成U-boot格式的文件uImage，实际是添加了一个header定义，直接用tools目录下的工具mkimage就可用实现，具体在终端中执行如下操作：
①arm-linux-objcopy -O binary -R .note -R .comment -S vmlinux linux.bin
②gzip -9 linux.bin
③mkimage -A arm -O linux -T kernel -C gzip -a 0x30008000 -e 0x30008040 -n "Linux Kernel Image" -d linux.bin.gz uImage
先从内核文件中提取二进制文件，然后压缩，最后构造文件头信息，包括名称、大小、类型、CRC校验码等，添加的头信息占用0x40大小空间。完成后下载内核映像uImage，如下操作：
开启主机tftp服务，将uImage放置tftp目录下，然后启动Uboot，运行tftp下载，镲除、烧写Nand Flash，具体如图8所示。
最后烧写文件系统映像，与烧写内核映像一样，先tftp下载到内存，然后再烧写，不同类型的文件系统nand烧写命令不一样，本文用到的是yaffs文件类型，则通过Nand write.yaffs 0x30000000 0x1d0000 $(filesize)命令来烧写。
本文研究了Uboot在基于S3C2440系统上的移植，并且提出了可行性方案，通过边搭建硬件环境边调试Uboot，使Uboot在嵌入式系统板上正常运行，实现了串口通信、网口下载、Flash烧录等功能，并且成功引导了Linux系统，为后续的系统驱动程序开发奠定了基础，使得Uboot的移植具有开发的通用性。
参考文献
[1] 刘淼.嵌入式系统接口设计与Linux驱动程序开发[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[2] YAGHMOUR K. Building embedded Linux system[M]. [S.l.]:O’Reilly,2004.
[3] HENKEL J, XIAOBO SHARON HU, SHUVRA S. BHATTACHARYYA. Taking on the embedded system design challenge[J].IEEE Computer,2003,5(4):35-37.
[4] SD-Memory Card Specifications /Part1 Physical Layer Specification Version 1.01[R]. [S.l.]:SD Group, 2001.
[5] SUMSUANG ELECTRONICS. S3C2410X User’s Manual[Z].Republic of Korea: Sumsang,2003.
[6] Configurations.Denx software engineering[EB/OL]. （2006-7-23）http://www.denx.de/wiki/DULG/Manual.