嵌入式Linux的U-boot系统启动过程.pdf
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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o1.1 网络启动方式o1.2 2 磁盘启动方式o1.3 3 Flash 启动方式2 U-Boot 介绍o2.1 U-Boot功能介绍o2.2 U-Boot安装o2.3 U-Boot命令介绍o2.4 U-Boot环境变量o2
2、.5 U-Boot脚本o2.6 U-Boot单独应用程序o2.7 位图支持3 2 ELDK 工具介绍o3.1 下载与编译o3.2 建立开发系统o3.3 编译安装 Linux 内核o3.4 启动嵌入式 Linuxo3.5 Flash文件系统o3.6 根文件系统的设计与编译o3.7 覆盖层文件系统o3.8 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 常用
3、BootLoader 的功能说明.囹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 是基于 eCos的引导程序是是是网络启动方式这种方
4、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。
5、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
6、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BIOS从软盘、光盘或者某块硬盘启动。也就是说
7、,BIOS并不直接|口口|口口|口口|口口|口口引导操作系统。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
8、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
9、/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。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。NO
10、R 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。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
11、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
12、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。U-Boot 介绍U-Boot 功能介绍PC机引导加载程序由BIOS
13、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 BootLoader 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
14、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、PowerPC、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 C
15、RC32 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、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,
16、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 0 x00000000 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
17、、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。(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
18、使用了trampoline程序来包装了main 函数,trampoline.S程序如下:.text.globl _trampoline _trampoline:bl main/*if main 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
19、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:#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 bas
20、e-print or set address offset bdinfo-print Board Info structure boot-boot default,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 bo
21、otstrap EEPROM bootvx-Boot vxWorks from an ELF image cmp-memory compare 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
22、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 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 tf
23、tp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、bootp 或 dhcp 将仅从 BOOTP/DHCP服务器执行配置查找,而不使用 TFTP装载任何映像。autostart 如果设置为yes,使用命令 rarpb、bootp、dhcp、tftp、disk 或 docb 装载的映像将被命令bootm 自动启动。loadaddr 命令 tftp或 loads 等的缺省装载地址。U-Boot 的环境变量都有缺省值,用户可以修改用于改变U-Boot 的行为,环境变量存储于EEPROMak Flash这样的永久存储区。环境变量用U-Bo
24、ot 命令 setenv 设置,一些设置样例列出如下:=setenv serverip 192.168.1.151=setenv ipaddr 192.168.1.152=setenv rootpath/opt/ruiva/xscale/rootfs =setenv bootargs root=/dev/nfs rw nfsroot=$(serverip):$(rootpath)ip=$(ipaddr)console=ttyS0,115200 mem=64M#通过 bootm 命令传递给内核的启动参数D CJ CJ=setenv kernel_addr 30000000=setenv nfsc
25、md tftp$(kernel_addr)uImage;bootm$(kernel_addr)#将 uImage 下载到指定的地址=run nfscmd#运行 nfscmd 脚本U-Boot 脚本U-Boot 允许存储命令序列在纯文本文件中,用命令mkimage将该文件转换成脚本映像,该映像可用U-Boot 命令 autoscr执行。例如:用户需要在许多目标板上运行下面命令序列,可将该命令序列存储在一个文本文件setenv-commands 中,其内容如下:bash$cat setenv-commands setenv loadaddr 00200000 echo=U-Boot setting
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