(精)嵌入式Linux的U-boot系统启动过程.doc
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1、嵌入式Linux的U-boot系统启动过程本章基于Intel公司的pxa270芯片分析U-Boot的工作机制,介绍了嵌入式Linux交叉开发工具ELDK(Embedded Linux Development Kit),说明配置安装U-Boot到特定主板、交叉编译调试Linux的方法,分析了U-Boot的构架。 目录隐藏 1 BootLoad启动方式 o 1.1 网络启动方式o 1.2 2磁盘启动方式o 1.3 3Flash启动方式 2 U-Boot介绍 o 2.1 U-Boot功能介绍o 2.2 U-Boot安装o 2.3 U-Boot命令介绍o 2.4 U-Boot环境变量o 2.5 U-B
2、oot脚本o 2.6 U-Boot单独应用程序o 2.7 位图支持 3 2 ELDK工具介绍 o 3.1 下载与编译o 3.2 建立开发系统o 3.3 编译安装Linux内核o 3.4 启动嵌入式Linuxo 3.5 Flash文件系统o 3.6 根文件系统的设计与编译o 3.7 覆盖层文件系统o 3.8 调试 3.8.1 (1)U-Boot的调试 3.8.2 (2)Linux内核调试 3.8.3 (3)远程调试应用程序BootLoad启动方式 Bootloader的主要功能是引导操作系统启动,开放源代码的BootLoader种类很多,常用的BootLoader的功能说明如表1所 示。 表1
3、常用BootLoader的功能说明 Bootloader名 是否终端监视 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
4、 是 基于eCos的引导程序 是 是 是 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
5、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。 T
6、FTP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。如图6.1所示。 图6.1 网络启动示意图 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BI
7、OS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Jo
8、hn 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GRU
9、B 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。 3Flash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
10、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。图6.2是 Bootloader和内核映像以及文件系统的分区表。 图6.2 Flash存储示意图 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
11、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
12、。 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。 U-Boot介绍 U-Boot功能介绍 PC机引导加载程序由BIOS和OS BootLoader(通常为GRUB)组成,嵌入式系统一般没有BIOS这样的固件程序,系统的引导加载完全由Bo
13、otLoader完成。不同的系 统,boot Loader是不同的。Boot Loader有许多开放源代码,但在标准Linux中没有,需要用户从网上下载。 BootLoader包括LILO、GRUB、Loadlin、BOLB、U-boot、RedBoot等多种,其中,GRUB是LILO 的继任者,用于PC机,Loadlin用于从DOS装载Linux;BLOB来自LART(Luser Attitude Readjustment Tool)项目,用于引导加载基于StorngARM CPU的单个主板计算机;U-boot(Universal loader)是通用的开源引导程序,常用于基于ARM、Pow
14、erPC、MIPS构架的嵌入式Linux系统的引导,也用于NetBSD和 VxWorks等多种操作系统的引导。 U-Boot支持的主要功能列出如下: 系统引导功能。 支持NFS挂载、RAMDISK 系统引导 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的Linux内核。 具有强大的操作系统接口功能,可灵活设置、传递多个参数给操作系统,支持目标板环境参数的多种存储方式,如Flash、NVRAM、 EEPROM。 支持CRC32校验,可校验Flash中内核、RAMDISK镜像文件是否完好。 支持串口、SDRAM、Flash、以太网、LCD、NVRAM、EEPROM
15、、键盘、USB、PCMCIA、PCI、RTC等设备驱 动。 支持上电自检功能,如:SDRAM、Flash大小自动检测;SDRAM 故障检测;CPU型号检测等。 U-Boot有启动加载和下载两种操作模式,启动加载模式将操作系统加载到 RAM 中运行。下载模式是以某种通信方式从主机(Host)下载文件保存到目标机的 RAM 中,然后被 U-Boot 写到目标机上的FLASH中。这种模式下还提供一个简单的命令行接口。 U-Boot初始化目标板硬件,为嵌入式操作系统提供目标板硬件配置信息,完成嵌入式操作系统装载、引导和运行的固件程序。它能够将系统的 软硬件紧密衔接在一起。 Intel基于XScale架
16、构的pxa27X ARM系列处理器,最高主频可达624MHz,加入了Wireless MMX技术,广泛应用于PDA、智能手机、PMP等产品的开发中,硬件的详细说明请参考产品手册。 ARM嵌入式系统复位后通常都从地址 0x00000000 开始执行,Boot Loader 就从这里开始。 Boot Loader分为由汇编语言实现的部分(称为stage1)和用C语言实现部分(称为stage2)。stage1的功能是硬件设备初始化、准备 RAM、将C语言实现部分拷贝RAM、设置好堆栈,并跳转到C语言实现部分入口点。stage1中的初始化过程列出如下: (1)设置GPIO控制器,以便能控制外围设备。
17、(2)屏蔽所有的中断。Boot Loader 的执行过程中不必响应任何中断。 (3)设置 CPU时钟频率。 (4)RAM 初始化。设置系统的内存控制器等。 (5)关闭 CPU 内部指令数据 cache。 (6)准备stage2的ram空间,拷贝stage2到ram,设置堆栈。堆栈设置在stage2_end-4的地方,向下增长。 (7)跳转到stage2的入口点即main函数开始执行stage2的代码。 跳转方法是使用了trampoline程序来包装了main函数,trampoline.S程序如下: .text.globl _trampoline_trampoline:blmain/* if m
18、ain ever returns we just call it again */b_trampoline从这段代码可以看出,当从main函数中返回时,则再进入main函数。以防止程序异常中断。 执行完stage1后系统内存布局如图1所示。 图1 执行完stage1后系统内存布局图stage2的功能是初始化硬件、检测系统内存映射(memory map)、将 kernel 映像和根文件系统映像从 flash 上读到 RAM 中、设置启动参数、进入内核。进入stage2后,程序都是c语言实现的,stage2的第一个函数为main函数。 U-Boot安装 下载和编译U-Boot源代码,方法如下: #
19、下载 $ cd /opt/eldk/usr/src $ wget ftp:/ftp.denx.de/pub/u-boot/u-boot-1.3.2.tar.bz2 $ rm -f u-boot $ bunzip2 help - alias for help askenv - get environment variables from stdin autoscr - run script from memory base - print or set address offset bdinfo - print Board Info structure boot - boot default,
20、i.e., run bootcmd bootd - boot default, i.e., run bootcmd bootelf - Boot from an ELF image in memory bootm - boot application image from memory bootp - boot image via network using BootP/TFTP protocol bootstrap - program the I2C bootstrap EEPROM bootvx - Boot vxWorks from an ELF image cmp - memory c
21、ompare coninfo - print console devices and information cp - memory copy crc32 - checksum calculation date - get/set/reset date & time dhcp - invoke DHCP client to obtain IP/boot params U-Boot环境变量 U-Boot环境是保存在永久存储中的一块内存,当U-Boot启动时拷贝到RAM中,存储配置系统的环境变量,并被CRC32校验和保护。一些环 境变量对U-Boot来说有特殊含义,可用这些环境变量配置U-Boot
22、的行为。表1说明了环境变量的功能。 表1 U-Boot环境变量的说明环境变量 功能说明 bootdelay 定义复位等待执行bootcmd变量对应命令的时间(以秒为单位)。 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 用TFTP装载的映像的名字。 bootargs 定义传递给Linux内核的启动参数。 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。 autoload 如果设置为no,命令rarpb、boo
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