基于AT91RM9200的U-Boot启动分析和移植
周庆松，史小军
东南大学电子科学与工程学院，南京 (210096)
E-mail：zhouqsong@
摘要：本文采用U-Boot构建嵌入式系统的引导加载程序，在对U-Boot的启动工作机理进行了简略分析后，针对基于AT91RM9200的目标板对U-Boot作了具体的修改和移植。应用结果表明，移植后的U-Boot在目标板上运行良好，可成功引导Linux内核。
关键词：U-Boot；移植；内核；AT91RM9200；嵌入式系统
1．引言
Bootloader代码是芯片复位后进入操作系统之前执行的一段代码，主要用于完成由硬件启动到操作系统启动的过渡[1]。一般，Bootloader基于特定硬件平台实现，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，因此需要修改源码来适合具体的嵌入式板级设备。
本文基于AT91RM9200的嵌入式目标板和U-Boot源码资源，分析了U-Boot的启动过程，介绍了U-Boot的移植方法和具体操作，最后讲述如何引导内核启动。
2．U-Boot简介
U-Boot，全称Universal Boot Loader，是遵循GPL条款的开放源码项目。他支持PowerPC、ARM、X86、MIPS等体系结构的上百种开发板；并且支持多种嵌入式操作系统内核，如Linux、NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS；具有较高的可靠性和稳定性，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。作为通用的BootLoader，U-Boot 可以方便的移植到其他硬件平台上[2]。
U-Boot移植一般都是针对嵌入式目标板的硬件资源，主要是CPU、FLASH 和SDRAM等情况，以尽可能一致的原则，在U-Boot源码中，找到一个与目标板为同一个或同一系列处理器的目标板模板，在此基础上再针对具体开发板对程序作相应的修改，比如不同型号存储芯片的初始化等。这里笔者选用U-Boot 1.1.2版本，该版本支持基于at91rm9200的处理器配置，并提供了一个目标板模板，即U-Boot源码下的board/at91rm9200dk模板。
3．U-Boot启动分析
在具体移植之前，先来了解一下U-Boot启动过程。U-Boot启动过程可以分成3个阶段[3]。
(1) 在Flash中运行汇编程序，进行基本硬件初始化，并将Flash中的启动代码复制到SDRAM中，
同时创造环境准备运行C程序；
汇编程序start.s是U-Boot启动后执行的第一个程序，它位于cpu/at91rm9200中，链接脚本board/at91rm920dk/u-boot.lds决定U-Boot的入口函数位于该程序中。上电后，处理器首先执行该程序，具体工作流程如图1所示。
(2) 跳转到SDRAM中执行，对硬件进行初始化,并向显示终端输出启动信息；
start_armboot是U-Boot执行的第一个C语言函数，它位于lib_arm/board.c中，主要完成系统初始化工作，进入主循环，处理用户输入的命令。具体工作流程如图2所示。
全局变量结构体gd主要用来保存开发板信息、终端存在标志位、环境变量结构体起始地
址、环境变量校验标志位、frame buffer 基地址等。它是指向gd_t结构体的指针，gd_t结构体定义在include\asm-asm\global_data.h中。
硬件初始化中执行函数及各函数作用如下所示：
board_init：基本的板级相关配置，主要包括：设置处理器类型和启动参数地址；
interrupt_init：中断处理初始化，主要对TC控制器作相应设置。
env_init：设置环境变量,初始化环境；
init_baudrate：指定串口的波特率；
serial_init：串口初始化设置；选择通讯端口，设置串口波特率和工作方式；
console_init_f：设置gd->have_console=1,表示可以使用串口通讯控制台；
display_banner：在控制台输出 U-Boot信息；
dram_init：设置SDRAM的起始地址和大小；
display_dram_config：在控制台输出 SDRAM信息；
flash_init：设置FLASH芯片ID号、每个扇区起始地址等信息，将信息送到相应的结构体中；对FLASH中U-BOOT和环境变量存储扇区做软件写保护；
display_flash_config (size)：在上位机终端输出FLASH大小。
图1 start.s函数执行流程图2 start_armboot函数执行流程
(3) 将内核映像和根文件系统映像从flash拷贝到SDRAM中，为内核设置启动参数，进入内
核的入口函数。
U-Boot作为Bootloader，具备多种引导内核启动的方式。常用bootm命令引导内核映像启动。使用bootm命令时，需要首先使用U-Boot自带的mkimage命令，将内核映像文件转换成U-Boot格式映像。即在内核的前头加上64byte的信息帧头，供建立tag之用。
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。具体完成的工作有：
①保存内核引导地址；
②分析内核帧头；
③复制内核映像到SDRAM中；
④调用do_bootm_linux()函数。
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。具体完成的工作有：
①检查是否有根文件系统映像文件。我们这里只用bootm命令引导内核映像；
②将要传递给Linux的参数存放到标记列表中。内核将会从此处接收参数，完成参数传递；
③调用 Linux 内核。系统采用下列代码来进入内核函数：
theKernel = (void (*)(int, int))ntohl(hdr->ih_ep);
theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params);
hdr是image_header_t类型的结构体，结构体定义位于include/image.h中；hdr->ih_ep指向内核的第一条指令地址。第一行代码将theKernel函数指向内核首地址处；第二行代码调用theKernel()函数，并通过r0、r1、r2将机器编号和参数链表物理地址传递给内核。
4．U-Boot修改与移植
4.1 嵌入式目标板介绍
本目标板以at91rm9200作为微处理器，板上存储系统包括NOR Flash、NAND Flash、SDRAM等；外围支持设备有JTAG、串口、USB接口、网络接口、SD Card 接口及显示接口等。目标板硬件架构如图3所示；主要硬件资源如表1所示。
图3 嵌入式目标板硬件架构图
表1 嵌入式目标板主要硬件资源
硬件型号描述
CPU At91rm9200
主频180MHz
NOR Flash SST39VF6401B8M Byte
NAND Flash K9F5608U0D 32M Byte
SDRAM HY57V56162064M Byte（2片）
网络芯片DM9161E
