bootloader 详细介绍

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。
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
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。
表6.1列出了Linux的开放源码引导程序及其支持的体系结构。表中给出了X86 ARM PowerPC体系结构的常用引导程序，并且注明了每一种引导程序是不是“Monitor”。
表6.1                                                   开放源码的Linux 引导程序
 
Bootloader
Monitor
描    述
x86
ARM
PowerPC
LILO
否
Linux磁盘引导程序
是
否
否
GRUB
否
GNU的LILO替代程序
是
否
否
Loadlin
否
从DOS引导Linux
是
否
否
ROLO
否
从ROM引导Linux而不需要BIOS
是
否
否
Etherboot
否
通过以太网卡启动Linux系统的固件
是
否
否
LinuxBIOS
否
完全替代BUIS的Linux引导程序
是
否
否
BLOB
否
LART等硬件平台的引导程序
否
是
否
U-boot
是
通用引导程序
是
是
是
RedBoot
是
基于eCos的引导程序
是
是
是
 
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
存放制作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/<board_name>.h。<board_name>用相应的BOARD定义代替。
这个头文件中主要定义了两类变量。
一类是选项，前缀是CONFIG_，用来选择处理器、设备接口、命令、属性等。例如：
 
#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，如表6.3所示。
表6.3                                                  U-Boot编译生成的映像文件
 
文 件 名 称
说    明
文 件 名 称
说    明
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
工 具 名 称
说    明
bmp_logo
制作标记的位图结构体
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
 
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
硬件电路板制作完成以后，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/<board_name>/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/<board_name>/
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。
_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]);
       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 (&params);
#endif
#ifdef CONFIG_REVISION_TAG
      setup_revision_tag (&params);
#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。
posted @ 2019-04-16 20:37  安&之~（若索）  阅读(24255)  评论(2)  编辑  收藏  举报