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U-BOOT全线移植分析系列（全集）.pdf
U-BOOT 全线移植分析系列之一
――――BOOTLOADER 介绍
Sailor_forever sailing_9806@163.com 转载请注明
http://blog.csdn.net/sailor_8318/archive/2008/08/04/2768049.aspx
【摘要】本节介绍了 bootloader 的基本概念。首先分析了为什么要针对特定的 CPU 和开发
板移植 bootloader 的必要性。然后介绍了两种如何在裸板中烧写 bootloader 的方法以及如何
确定烧写地址。其次介绍了产品发布的启动加载模式和开发使用的下载模式（更新内核文件
系统及 bootloader 自身）。最后介绍了 bootloader 的两个通用启动阶段的流程及代码特性和
运行位置。
【关键词】bootloader，烧写，复位地址，固化 loader，启动加载，stage1，位置无关
一 bootloader 介绍
1.1 Bootloader 移植的必要性 Bootloader 是与系统硬件环境高度相关的初始化软件，它担负
着初始化硬件和引导操作系统的双重责任。一些 ARM 平台可以共用同一种 Bootloader，但
是总的说来，每一个特定系统的 Bootloader 都会有所不同。Bootloader 广泛用于有操作系统
的手持终端设备、智能家电及机顶盒等嵌入式设备上，它负责完成硬件初始化、操作系统引
导和系统配制等。Bootloader 移植是在特定硬件平台上操作系统移植至关重要的一步。
1.2 BootLoader 所支持的 CPU 和嵌入式系统板每种不同的 CPU 体系结构都有不同的
BootLoader。有些 BootLoader 也支持多种体系结构的 CPU，比如 U-BOOT 就同时支持 ARM、
MIPS、POWERPC 等体系结构。除了依赖于 CPU 的体系结构外，BootLoader 实际上也依赖
于具体的嵌入式板级设备的配置。也就是说，对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们是基
于同一种 CPU 而构建的，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，通常也都需要修改 BootLoader 的源程序。
1.3. Boot Loader 的烧录和存储系统加电或复位后，所有的 CPU 通常都从某个由 CPU 制造商
预先安排的地址上取指令。比如，at91rm9200 的 CPU 在复位时通常都从地址 0x00000000
取它的第一条指令。而 MPC8260 高端启动则时从 0xfff00000 开始取指。这个地址依据特定
的 CPU 而定。通常片外启动时，基于 CPU 构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储
设备（EEPROM 或 FLASH 等，at91rm9200 是 0x10000000)被映射到这个预先安排的地址上。
因此在系统加电后，CPU 将首先执行 Boot Loader 程序。
那么 bootloader 最初是怎么烧写到 flash 中的呢？对于一个裸板怎么让它跑起来呢?有两种方
式：
通过片内固化的 loader 加载 bootloader：通常某些 CPU 内部 ROM 中固化了一段程
序可以用于最初的程序下载，如 AT91RM9200。这时下载的程序是在内部 RAM 中运行的，
大小有一定限制，然后由这段程序继续交互下载真正要烧写到 flash 中的程序，将其保存在
外部 RAM 中，最终烧写到 flash 中。
通过 JTAG 或者仿真器下载：通常这些烧录工具可以直接操作 flash，对其进行编程
烧录。需要专门的工具。这种情况多用于那些没有固化 loader 的 CPU，如三星系列。
上图是一个同时装有 Boot Loader、内核的启动参数、内核映像和根文件系统映像的固态存
储设备的典型空间分配结构图。上述顺序是可变的，但 bootloader 首地址一定要在 CPU 复
位取指的地址上。
1.4 Boot Loader 的操作模式(Operation Mode)主机和目标机之间一般通过串口建立连接，
BootLoader 软件在执行时通常会通过串口来进行数据传输，如输出打印信息到串口，从串口
读取用户控制字符。
大多数 Boot Loader 都包含两种不同的操作模式：启动加载模式和下载模式，这种区别仅对
于开发人员才有意义。从最终用户的角度看，BootLoader 的作用就是用来加载操作系统，而
并不存在所谓的启动加载模式与下载工作模式的区别。
启动加载(Boot loading)模式：这种模式也称为自主模式 bootstrap。也即 Boot Loader
将存储在目标板 Flash 中的内核和文件系统的镜像装载到 SDRAM 中，整个过程无需用户的
介入。这种模式是 BootLoader 的正常工作模式，因此在嵌入式产品发布的时候，BootLoader
显然必须工作在这种模式下。
下载 Downloading 模式：在这种模式下，目标机上的 BootLoader 将通过串口连接或
网络连接等通信手段从宿主机 Host 下载文件，比如下载内核映像和根文件系统映像等。从
主机下载的文件通常首先被 BootLoader 保存到目标机的 RAM 中，然后再被 BootLoader 写
到目标机上的 FLASH 类固态存储设备中。BootLoader 的这种模式通常在第一次安装内核与
根文件系统时被使用；此外，以后的系统更新（bootloader 自身也可以这样更新）也会使用
Boot Loader 的这种工作模式。工作于这种模式下的 BootLoader 通常都会向它的终端用户提
供一些简单的命令行接口。
像 U-BOOT 等这样功能强大的 BootLoader 通常同时支持这两种工作模式，而且允许用户在
这两种工作模式之间进行切换。比如，U-BOOT 在启动时处于正常的启动加载模式，但是它
会延时几秒(在配置文件中可以设定)等待终端用户按下任意键而将其切换到下载模式（相当
于 bios 下按 del 键可进入系统配置界面一样，设置从光盘启动可进行重装），如果在给定时
间内没有用户按键，则 U-BOOT 继续启动，进行正常的启动加载。
1.5 Bootloader 与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议最常见的情况就是，目标机
上的 BootLoader 通过串口与主机之间进行文件传输，传输协议通常是 kermit / xmodem /
ymodem 协议中的一种。但是，串口传输的速度是有限的，因此如果该 Bootloader 对目标板
的网卡支持良好，还可以通过以太网连接并借助 TFTP (Trivial File Transfer Protocol)协议来
下载文件是个更好的选择。此时，主机方所用的软件也要考虑，比如，在通过以太网连接和
TFTP 协议来下载文件时，主机方必须有一个软件用来提供 TFTP 服务，如 Windows 平台上
的 tftpd.exe 等或 Linux 下面的 tftp 服务器。
1.6 Bootloader 的通用执行流程
从操作系统的角度看，Bootloader 的总目标就是正确地调用内核来执行。另外，由于
Bootloader 的实现依赖于 CPU 的体系结构，因此大多数 Bootloader 都分为 stagel 和 stage2
两大部分。依赖于 CPU 体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在 stagel 中，
而且通常都用汇编语言来实现，以达到短小精悍和高效的目的。而 stage2 则通常用 C 语言
来实现，这样可以实现更复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。
Bootloader 的 stagel 为位置无关代码，通常在 FLASH 中运行。所有的指令为相对寻址，可
以在任何位置运行。通常包括以下步骤(以执行的先后顺序)：
Ø 硬件设备初始化（配置 SDRAM 存储控制器及 IO），中断初始化；
Ø 为加载 Bootloader 的 stage2 准备 RAM 空间（这个地址由链接脚本指定，为运行域
地址，通常为 RAM 的高端地址），测试内存空间是否有效；
Ø 拷贝 Bootloader 的 stage2 到 RAM 空间中；
Ø 设置好堆栈；
Ø 跳转到 stage2 的 C 入口点。
Bootloader 的 stage2 通常被拷贝到 RAM 中运行，这样可以提高运行速度。通常包括以下步
骤(以执行的先后顺序)：
Ø 初始化本阶段要使用到的硬件设备；
Ø 检测系统内存映射(memory map)；
Ø 没有用户干预时将 kernel 映像和根文件系统映像从 flash 读到 RAM 空间中；
Ø 为内核设置启动参数；
Ø 调用内核。
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U-BOOT 全线移植分析系列之二
――U-boot 基础
Sailor_forever sailing_9806@163.com 转载请注明
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【摘要】本节介绍了 U-boot 的基本概念。首先介绍了 U-boot 源代码的目录结构，并给出了
一个实例。接着简单介绍了 U-boot 支持的基本功能、常见命令和环境变量。最后详细分析
了 U-boot 启动的两个阶段，重点介绍了加载拷贝代码至 RAM 中的过程。
【关键词】bootloader，U-boot，环境变量， stage1，位置无关，代码搬移
二 U-boot 基础
现在为 Linux 开放源代码 Bootloader 有很多，blob、 redboot 及 U-BOOT 等，其中 U-BOOT
是目前用来开发嵌入式系统引导代码使用最为广泛的 Bootloader。它支持 POWERPC、ARM、
MIPS 和 X86 等处理器，支持嵌入式操作系统有 Linux、Vxworks 及 NetBSD 等。
2.1 U-boot 源代码目录结构|-- board 平台依赖，存放电路板相关的目录文件
|-- common 通用多功能函数的实现
|-- cpu 平台依赖，存放 cpu 相关的目录文件
|-- disk 通用。硬盘接口程序
|-- doc 文档
|-- drivers 通用的设备驱动程序，如以太网接口驱动
|-- dtt
|-- examples 应用例子
|-- fs 通用存放文件系统的程序
|-- include 头文件和开发板配置文件，所有开发板配置文件放在其 configs 里
|-- lib_arm 平台依赖，存放 arm 架构通用文件
|-- lib_generic 通用的库函数
|-- lib_i386 平台依赖，存放 x86 架构通用文件
|-- lib_m68k 平台依赖
|-- lib_microblaze 平台依赖
|-- lib_mips 平台依赖
|-- lib_nios 平台依赖
|-- lib_ppc 平台依赖，存放 ppc 架构通用文件
|-- net 存放网络的程序
|-- post 存放上电自检程序
|-- rtc rtc 的驱动程序
`-- tools 工具
详细实例：
board：开发板相关的源码，不同的板子对应一个子目录，内部放着主板相关代码。
Board/at91rm9200dk/at91rm9200.c, config.mk, Makefile, flash.c ,u-boot.lds 等都和具体开发板
的硬件和地址分配有关。
common：与体系结构无关的代码文件，实现了 u-boot 所有命令，其中内置了一个
shell 脚本解释器(hush.c, a prototype Bourne shell grammar parser), busybox 中也使用了它。
cpu：与 cpu 相关代码文件，其中的所有子目录都是以 u-boot 所支持的 cpu 命名。
cpu/at91rm9200/at45.c, at91rm9200_ether.c, cpu.c, interrupts.c serial.c, start.S, config.mk,
Makefile 等。其中：
cpu.c 负责初始化 CPU、设置指令 Cache 和数据 Cache 等；
interrupt.c 负责设置系统的各种中断和异常，比如快速中断、开关中断、时钟中断、软件中
断、预取中止和未定义指令等；
start.S 负责 u-boot 启动时执行的第一个文件，它主要是设置系统堆栈和工作方式，为跳转到
C 程序入口点做准备；
at91rm9200_ether.c 和 serial.c 很重要，这是系统能够下载资源的前提。
disk：设备分区处理代码。
doc：u-boot 相关文档。
drivers：u-boot 所支持的设备驱动代码, 网卡、支持 CFI 的 Flash、串口和 USB 总线
等。
fs: u-boot 所支持文件系统访问存取代码， 如 jffs2。
include ： u-boot head 文 件 ， 主 要 是 与 各 种 硬 件 平 台 相 关 的 头 文 件 ， 如
include/asm-arm/arch-at91rm9200/AT91RM9200.h(硬件寄存器名称及地址的定义), hardware.h
（内存及 flash 地址以及 IO 物理地址和虚拟地址的定义），include/asm-arm/proc-armv（与具
体的 CPU 无关，无需移植）。
net：与网络有关的代码，BOOTP 协议、TFTP 协议、RARP 协议代码实现. 无需移
植。
lib_arm：与 arm 体系相关的代码。
tools：编译后会生成 mkimage 工具，用来对生成的 raw bin 文件加入 u-boot 特定的
image_header.
2.2 U-Boot 支持的主要功能主要功能如下：
系统引导，支持 NFS 挂载、RAMDISK（压缩或非压缩）形式的根文件系统；
支持 NFS 挂载、从 FLASH 中引导压缩或非压缩系统内核；
基本辅助功能，强大的操作系统接口功能；可灵活设置、传递多个关键参数给操作
系统，适合系统在不同开发阶段的调试要求与产品发布，尤对 Linux 支持最为强劲；
支持目标板环境参数多种存储方式，如 FLASH、NVRAM、EEPROM；
CRC32 校验，可校验 FLASH 中内核、RAMDISK 镜像文件是否完好；
设备驱动，串口、SDRAM、FLASH、以太网、LCD、NVRAM、EEPROM、键盘、
USB、PCMCIA、PCI、RTC 等驱动支持；
上电自检功能 SDRAM、FLASH 大小自动检测；SDRAM 故障检测；CPU 型号；
特殊功能，XIP 内核引导。
2.3 U-boot 命令介绍及环境变量 ？得到所有命令列表
Help：help usb, 列出 USB 功能的使用说明
ping：注意只能开发板 PING 别的机器（AT91RM9200 不支持，需要进行配置）
setenv: 设置环境变量
Ø setenv serverip 192.168.0.1
Ø setenv ipaddr 192.168.0.56
Ø setenv bootcmd ‘tftp 32000000 vmlinux; kgo 32000000’
saveenv：保存环境变量。在设置好环境变量以后， 保存变量值
tftp：tftp 32000000 vmlinux, 把 server（IP=环境变量中设置的 serverip）中/tftpboot/
下的 vmlinux 通过 TFTP 读入到物理内存 32000000 处
bootp- 通过网络用 BootP/TFTP 协议来启动映象
tftpboot- 通过网络用 TFTP 协议、设置服务器和客户机的 IP 地址进行映象文件传
送
kgo: 起动没有压缩的 linux 内核，kgo 32000000（AT91RM9200 不支持）
bootm：起动 UBOOT TOOLS 制作的压缩 LINUX 内核, bootm 3200000
protect： 对 FLASH 进行写保护或取消写保护，protect on 1:0-3(就是对第一块 FLASH
的 0-3 扇区进行保护)，protect off 1:0-3 取消写保护
erase：删除 FLASH 的扇区， erase 1:0-2(就是对每一块 FLASH 的 0-2 扇区进行删除)
cp： 在内存中复制内容， cp 32000000 0 40000(把内存中 0x32000000 开始的 0x40000
字节复制到 0x0 处)
mw： 对 RAM 中的内容写操作， mw 32000000 ff 10000(把内存 0x32000000 开始的
0x10000 字节设为 0xFF)
md： 修改 RAM 中的内容, md 32000000（内存的起始地址）
flinfo： 列出 flash 的信息
loadb： 准备用 KERMIT 协议接收来自 kermit 或超级终端传送的文件。
nfs： nfs 32000000 192.168.0.12:aa.txt，把 192.168.0.12(LINUX 的 NFS 文件系统)
中的 NFS 文件系统中的 aa.txt 读入内存 0x32000000 处。
最常用的几个命令如下：
go- 在地址 'addr' 处开始程序执行
run- 运行一个环境变量所定义的命令
bootm- 从内存中进行运行经过 mkimage 加工的程序映象
loadb- 通过串口线(kermit mode) 来装载二进制文件
printenv- 打印环境变量
setenv- 设置环境变量
saveenv 保存环境变量到内存
tftp－通过网络下载文件
protect，erase，flash 读写
下面是 U-BOOT 中的简单环境变量
baudrate 波特率
bootdelay boot 延迟
bootcmd Boot 命令
bootargs Boot 参数，传递给内核
bootfile 默认下载启动的内核映象
ipaddr 客户机 IP 地址
serverip 服务器地址
loadaddr 装载地址
ethaddr 网卡 MAC 地址
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