Bootloader
對於計算機系統來說，從開機上電到操作系統啟動需要一個引導過程。嵌入式Linux系統同樣離不開引導程序，這個引導程序就叫作Bootloader。
6.1.1 Bootloader介紹
Bootloader是在操作系統運行之前執行的一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射表，從而建立適當的系統軟硬件環境，為最終調用操作系統內核做好准備。
對於嵌入式系統，Bootloader是基於特定硬件平台來實現的。因此，幾乎不可能為所有的嵌入式系統建立一個通用的Bootloader，不同的處理器架構都有不同的Bootloader。Bootloader不但依賴於CPU的體系結構，而且依賴於嵌入式系統板級設備的配置。對於2塊不同的嵌入式板而言，即使它們使用同一種處理器，要想讓運行在一塊板子上的Bootloader程序也能運行在另一塊板子上，一般也都需要修改Bootloader的源程序。
反過來，大部分Bootloader仍然具有很多共性，某些Bootloader也能夠支持多種體系結構的嵌入式系統。例如，U-Boot就同時支持PowerPC、ARM、MIPS和X86等體系結構，支持的板子有上百種。通常，它們都能夠自動從存儲介質上啟動，都能夠引導操作系統啟動，並且大部分都可以支持串口和以太網接口。
本章將對各種Bootloader總結分類，分析它們的共同特點。以U-Boot為例，詳細討論Bootloader的設計與實現。
6.1.2 Bootloader的啟動
Linux系統是通過Bootloader引導啟動的。一上電，就要執行Bootloader來初始化系統。可以通過第4章的Linux啟動過程框圖回顧一下。
系統加電或復位后，所有CPU都會從某個地址開始執行，這是由處理器設計決定的。比如，X86的復位向量在高地址端，ARM處理器在復位時從地址0x00000000取第一條指令。嵌入式系統的開發板都要把板上ROM或Flash映射到這個地址。因此，必須把Bootloader程序存儲在相應的Flash位置。系統加電后，CPU將首先執行它。
主機和目標機之間一般有串口可以連接，Bootloader軟件通常會通過串口來輸入輸出。例如：輸出出錯或者執行結果信息到串口終端，從串口終端讀取用戶控制命令等。
Bootloader啟動過程通常是多階段的，這樣既能提供復雜的功能，又有很好的可移植性。例如：從Flash啟動的Bootloader多數是兩階段的啟動過程。從后面U-Boot的內容可以詳細分析這個特性。
大多數Bootloader都包含2種不同的操作模式：本地加載模式和遠程下載模式。這2種操作模式的區別僅對於開發人員才有意義，也就是不同啟動方式的使用。從最終用戶的角度看，Bootloader的作用就是用來加載操作系統，而並不存在所謂的本地加載模式與遠程下載模式的區別。
因為Bootloader的主要功能是引導操作系統啟動，所以我們詳細討論一下各種啟動方式的特點。
1．網絡啟動方式
這種方式開發板不需要配置較大的存儲介質，跟無盤工作站有點類似。但是使用這種啟動方式之前，需要把Bootloader安裝到板上的EPROM或者Flash中。Bootloader通過以太網接口遠程下載Linux內核映像或者文件系統。第4章介紹的交叉開發環境就是以網絡啟動方式建立的。這種方式對於嵌入式系統開發來說非常重要。
使用這種方式也有前提條件，就是目標板有串口、以太網接口或者其他連接方式。串口一般可以作為控制台，同時可以用來下載內核影像和RAMDISK文件系統。串口通信傳輸速率過低，不適合用來掛接NFS文件系統。所以以太網接口成為通用的互連設備，一般的開發板都可以配置10M以太網接口。
對於PDA等手持設備來說，以太網的RJ-45接口顯得大了些，而USB接口，特別是USB的迷你接口，尺寸非常小。對於開發的嵌入式系統，可以把USB接口虛擬成以太網接口來通訊。這種方式在開發主機和開發板兩端都需要驅動程序。
另外，還要在服務器上配置啟動相關網絡服務。Bootloader下載文件一般都使用TFTP網絡協議，還可以通過DHCP的方式動態配置IP地址。
DHCP/BOOTP服務為Bootloader分配IP地址，配置網絡參數，然后才能夠支持網絡傳輸功能。如果Bootloader可以直接設置網絡參數，就可以不使用DHCP。
TFTP服務為Bootloader客戶端提供文件下載功能，把內核映像和其他文件放在/tftpboot目錄下。這樣Bootloader可以通過簡單的TFTP協議遠程下載內核映像到內存。
大部分引導程序都能夠支持網絡啟動方式。例如：BIOS的PXE（Preboot Execution Environment）功能就是網絡啟動方式；U-Boot也支持網絡啟動功能。
2．磁盤啟動方式
傳統的Linux系統運行在台式機或者服務器上，這些計算機一般都使用BIOS引導，並且使用磁盤作為存儲介質。如果進入BIOS設置菜單，可以探測處理器、內存、硬盤等設備，可以設置BIOS從軟盤、光盤或者某塊硬盤啟動。也就是說，BIOS並不直接引導操作系統。那么在硬盤的主引導區，還需要一個Bootloader。這個Bootloader可以從磁盤文件系統中把操作系統引導起來。
Linux傳統上是通過LILO（LInux LOader）引導的，后來又出現了GNU的軟件GRUB（GRand Unified Bootloader）。這2種Bootloader廣泛應用在X86的Linux系統上。你的開發主機可能就使用了其中一種，熟悉它們有助於配置多種系統引導功能。
LILO軟件工程是由Werner Almesberger創建，專門為引導Linux開發的。現在LILO的維護者是John Coffman，最新版本下載站點：
http://lilo.go.dyndns.org。LILO有詳細的文檔，例如LILO套件中附帶使用手冊和參考手冊。此外，還可以在LDP的“LILO mini-HOWTO”中找到LILO的使用指南。
GRUB是GNU計划的主要bootloader。GRUB最初是由Erich Boleyn為GNU Mach操作系統撰寫的引導程序。后來有Gordon Matzigkeit和Okuji Yoshinori接替Erich的工作，繼續維護和開發GRUB。GRUB的網站http://www.gnu.org/software/grub/上有對套件使用的說明文件，叫作《GRUB manual》。GRUB能夠使用TFTP和BOOTP或者DHCP通過網絡啟動，這種功能對於系統開發過程很有用。
除了傳統的Linux系統上的引導程序以外，還有其他一些引導程序，也可以支持磁盤引導啟動。例如：LoadLin可以從DOS下啟動Linux；還有ROLO、LinuxBIOS，U-Boot也支持這種功能。
3．Flash啟動方式
大多數嵌入式系統上都使用Flash存儲介質。Flash有很多類型，包括NOR Flash、NAND Flash和其他半導體盤。其中，NOR Flash（也就是線性Flash）使用最為普遍。
NOR Flash可以支持隨機訪問，所以代碼是可以直接在Flash上執行的。Bootloader一般是存儲在Flash芯片上的。另外，Linux內核映像和RAMDISK也可以存儲在Flash上。通常需要把Flash分區使用，每個區的大小應該是Flash擦除塊大小的整數倍
Bootloader一般放在Flash的底端或者頂端，這要根據處理器的復位向量設置。要使Bootloader的入口位於處理器上電執行第一條指令的位置。
接下來分配參數區，這里可以作為Bootloader的參數保存區域。
再下來內核映像區。Bootloader引導Linux內核，就是要從這個地方把內核映像解壓到RAM中去，然后跳轉到內核映像入口執行。
然后是文件系統區。如果使用Ramdisk文件系統，則需要Bootloader把它解壓到RAM中。如果使用JFFS2文件系統，將直接掛接為根文件系統。這兩種文件系統將在第12章詳細講解。
最后還可以分出一些數據區，這要根據實際需要和Flash大小來考慮了。
這些分區是開發者定義的，Bootloader一般直接讀寫對應的偏移地址。到了Linux內核空間，可以配置成MTD設備來訪問Flash分區。但是，有的Bootloader也支持分區的功能，例如：Redboot可以創建Flash分區表，並且內核MTD驅動可以解析出redboot的分區表。
除了NOR Flash，還有NAND Flash、Compact Flash、DiskOnChip等。這些Flash具有芯片價格低，存儲容量大的特點。但是這些芯片一般通過專用控制器的I/O方式來訪問，不能隨機訪問，因此引導方式跟NOR Flash也不同。在這些芯片上，需要配置專用的引導程序。通常，這種引導程序起始的一段代碼就把整個引導程序復制到RAM中運行，從而實現自舉啟動，這跟從磁盤上啟動有些相似。
6.1.3 Bootloader的種類
嵌入式系統世界已經有各種各樣的Bootloader，種類划分也有多種方式。除了按照處理器體系結構不同划分以外，還有功能復雜程度的不同。
首先區分一下“Bootloader”和“Monitor”的概念。嚴格來說，“Bootloader”只是引導設備並且執行主程序的固件；而“Monitor”還提供了更多的命令行接口，可以進行調試、讀寫內存、燒寫Flash、配置環境變量等。“Monitor”在嵌入式系統開發過程中可以提供很好的調試功能，開發完成以后，就完全設置成了一個“Bootloader”。所以，習慣上大家把它們統稱為Bootloader。
表6.1列出了Linux的開放源碼引導程序及其支持的體系結構。表中給出了X86 ARM PowerPC體系結構的常用引導程序，並且注明了每一種引導程序是不是“Monitor”。
表6.1 開放源碼的Linux 引導程序
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Bootloader
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Monitor
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描 述
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x86
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ARM
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PowerPC
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LILO
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否
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Linux磁盤引導程序
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是
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否
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否
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GRUB
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否
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GNU的LILO替代程序
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是
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否
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否
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Loadlin
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否
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從DOS引導Linux
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是
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否
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否
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ROLO
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否
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從ROM引導Linux而不需要BIOS
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是
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否
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否
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Etherboot
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否
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通過以太網卡啟動Linux系統的固件
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是
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否
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否
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LinuxBIOS
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否
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完全替代BUIS的Linux引導程序
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是
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否
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否
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BLOB
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否
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LART等硬件平台的引導程序
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否
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是
|
否
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U-boot
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是
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通用引導程序
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是
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是
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是
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RedBoot
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是
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基於eCos的引導程序
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是
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是
|
是
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對於每種體系結構，都有一系列開放源碼Bootloader可以選用。
（1）X86
X86的工作站和服務器上一般使用LILO和GRUB。LILO是Linux發行版主流的Bootloader。不過Redhat Linux發行版已經使用了GRUB，GRUB比LILO有更有好的顯示界面，使用配置也更加靈活方便。
在某些X86嵌入式單板機或者特殊設備上，會采用其他Bootloader，例如：ROLO。這些Bootloader可以取代BIOS的功能，能夠從FLASH中直接引導Linux啟動。現在ROLO支持的開發板已經並入U-Boot，所以U-Boot也可以支持X86平台。
（2）ARM
ARM處理器的芯片商很多，所以每種芯片的開發板都有自己的Bootloader。結果ARM bootloader也變得多種多樣。最早有為ARM720處理器的開發板的固件，又有了armboot，StrongARM平台的blob，還有S3C2410處理器開發板上的vivi等。現在armboot已經並入了U-Boot，所以U-Boot也支持ARM/XSCALE平台。U-Boot已經成為ARM平台事實上的標准Bootloader。
（3）PowerPC
PowerPC平台的處理器有標准的Bootloader，就是ppcboot。PPCBOOT在合並armboot等之后，創建了U-Boot，成為各種體系結構開發板的通用引導程序。U-Boot仍然是PowerPC平台的主要Bootloader。
（4）MIPS
MIPS公司開發的YAMON是標准的Bootloader，也有許多MIPS芯片商為自己的開發板寫了Bootloader。現在，U-Boot也已經支持MIPS平台。
（5）SH
SH平台的標准Bootloader是sh-boot。Redboot在這種平台上也很好用。
（6）M68K
M68K平台沒有標准的Bootloader。Redboot能夠支持m68k系列的系統。
值得說明的是Redboot，它幾乎能夠支持所有的體系結構，包括MIPS、SH、M68K等體系結構。Redboot是以eCos為基礎，采用GPL許可的開源軟件工程。現在由core eCos的開發人員維護，源碼下載網站是
http://www.ecoscentric.com/snapshots。Redboot的文檔也相當完善，有詳細的使用手冊《RedBoot User’s Guide》。
6.2.1 U-Boot工程簡介
最早，DENX軟件工程中心的Wolfgang Denk基於8xxrom的源碼創建了PPCBOOT工程，並且不斷添加處理器的支持。后來，Sysgo Gmbh把ppcboot移植到ARM平台上，創建了ARMboot工程。然后以ppcboot工程和armboot工程為基礎，創建了U-Boot工程。
現在U-Boot已經能夠支持PowerPC、ARM、X86、MIPS體系結構的上百種開發板，已經成為功能最多、靈活性最強並且開發最積極的開放源碼Bootloader。目前仍然由DENX的Wolfgang Denk維護。
U-Boot的源碼包可以從sourceforge網站下載，還可以訂閱該網站活躍的U-Boot Users郵件論壇，這個郵件論壇對於U-Boot的開發和使用都很有幫助。
U-Boot軟件包下載網站：http://sourceforge.net/project/u-boot。
U-Boot郵件列表網站：http://lists.sourceforge.net/lists/listinfo/u-boot-users/。
6.2.2 U-Boot源碼結構
從網站上下載得到U-Boot源碼包，例如：U-Boot-1.1.2.tar.bz2
解壓就可以得到全部U-Boot源程序。在頂層目錄下有18個子目錄，分別存放和管理不同的源程序。這些目錄中所要存放的文件有其規則，可以分為3類。
· 第1類目錄與處理器體系結構或者開發板硬件直接相關；
· 第2類目錄是一些通用的函數或者驅動程序；
· 第3類目錄是U-Boot的應用程序、工具或者文檔。
表6.2列出了U-Boot頂層目錄下各級目錄存放原則。
表6.2 U-Boot的源碼頂層目錄說明
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目 錄
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特 性
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解 釋 說 明
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board
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平台依賴
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存放電路板相關的目錄文件，例如：RPXlite(mpc8xx)、smdk2410(arm920t)、sc520_cdp(x86) 等目錄
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cpu
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平台依賴
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存放CPU相關的目錄文件，例如：mpc8xx、ppc4xx、arm720t、arm920t、 xscale、i386等目錄
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lib_ppc
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平台依賴
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存放對PowerPC體系結構通用的文件，主要用於實現PowerPC平台通用的函數
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目 錄
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特 性
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解 釋 說 明
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lib_arm
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平台依賴
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存放對ARM體系結構通用的文件，主要用於實現ARM平台通用的函數
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lib_i386
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平台依賴
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存放對X86體系結構通用的文件，主要用於實現X86平台通用的函數
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include
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通用
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頭文件和開發板配置文件，所有開發板的配置文件都在configs目錄下
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common
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通用
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通用的多功能函數實現
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lib_generic
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通用
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通用庫函數的實現
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Net
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通用
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存放網絡的程序
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Fs
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通用
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存放文件系統的程序
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Post
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通用
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存放上電自檢程序
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drivers
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通用
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通用的設備驅動程序，主要有以太網接口的驅動
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Disk
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通用
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硬盤接口程序
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Rtc
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通用
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RTC的驅動程序
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Dtt
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通用
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數字溫度測量器或者傳感器的驅動
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examples
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應用例程
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一些獨立運行的應用程序的例子，例如helloworld
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tools
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工具
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存放制作S-Record 或者 U-Boot格式的映像等工具，例如mkimage
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Doc
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文檔
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開發使用文檔
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U-Boot的源代碼包含對幾十種處理器、數百種開發板的支持。可是對於特定的開發板，配置編譯過程只需要其中部分程序。這里具體以S3C2410 arm920t處理器為例，具體分析S3C2410處理器和開發板所依賴的程序，以及U-Boot的通用函數和工具。
6.2.3 U-Boot的編譯
U-Boot的源碼是通過GCC和Makefile組織編譯的。頂層目錄下的Makefile首先可以設置開發板的定義，然后遞歸地調用各級子目錄下的Makefile，最后把編譯過的程序鏈接成U-Boot映像。
1．頂層目錄下的Makefile
它負責U-Boot整體配置編譯。按照配置的順序閱讀其中關鍵的幾行。
每一種開發板在Makefile都需要有板子配置的定義。例如smdk2410開發板的定義如下。
smdk2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0
執行配置U-Boot的命令make smdk2410_config，通過./mkconfig腳本生成include/config.
mk的配置文件。文件內容正是根據Makefile對開發板的配置生成的。
mk的配置文件。文件內容正是根據Makefile對開發板的配置生成的。
ARCH = arm
CPU = arm920t
BOARD = smdk2410
SOC = s3c24x0
上面的include/config.mk文件定義了ARCH、CPU、BOARD、SOC這些變量。這樣硬件平台依賴的目錄文件可以根據這些定義來確定。SMDK2410平台相關目錄如下。
board/smdk2410/
cpu/arm920t/
cpu/arm920t/s3c24x0/
lib_arm/
include/asm-arm/
include/configs/smdk2410.h
再回到頂層目錄的Makefile文件開始的部分，其中下列幾行包含了這些變量的定義。
# load ARCH, BOARD, and CPU configuration
include include/config.mk
export ARCH CPU BOARD VENDOR SOC
Makefile的編譯選項和規則在頂層目錄的config.mk文件中定義。各種體系結構通用的規則直接在這個文件中定義。通過ARCH、CPU、BOARD、SOC等變量為不同硬件平台定義不同選項。不同體系結構的規則分別包含在ppc_config.mk、arm_config.mk、mips_config.mk等文件中。
頂層目錄的Makefile中還要定義交叉編譯器，以及編譯U-Boot所依賴的目標文件。
ifeq ($(ARCH),arm)
CROSS_COMPILE = arm-linux- //交叉編譯器的前綴
#endif
export CROSS_COMPILE
…
# U-Boot objects....order is important (i.e. start must be first)
OBJS = cpu/$(CPU)/start.o //處理器相關的目標文件
…
LIBS = lib_generic/libgeneric.a //定義依賴的目錄，每個目錄下先把目標文件連接成*.a文件。
LIBS += board/$(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
…
然后還有U-Boot映像編譯的依賴關系。
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缺省的編譯目標為all，包括u-boot.srec、u-boot.bin、System.map。u-boot.srec和u-boot.bin又依賴於U-Boot。U-Boot就是通過ld命令按照u-boot.map地址表把目標文件組裝成u-boot。
其他Makefile內容就不再詳細分析了，上述代碼分析應該可以為閱讀代碼提供了一個線索。
2．開發板配置頭文件
除了編譯過程Makefile以外，還要在程序中為開發板定義配置選項或者參數。這個頭文件是include/configs/
<board_name>.h。
<board_name>用相應的BOARD定義代替。
這個頭文件中主要定義了兩類變量。
一類是選項，前綴是CONFIG_，用來選擇處理器、設備接口、命令、屬性等。例如：
#define CONFIG_ARM920T 1
#define CONFIG_DRIVER_CS8900 1
另一類是參數，前綴是CFG_，用來定義總線頻率、串口波特率、Flash地址等參數。例如：
#define CFG_FLASH_BASE 0x00000000
#define CFG_PROMPT "=>"
3．編譯結果
根據對Makefile的分析，編譯分為2步。第1步配置，例如：make smdk2410_config；第2步編譯，執行make就可以了。
編譯完成后，可以得到U-Boot各種格式的映像文件和符號表，如表6.3所示。
表6.3 U-Boot編譯生成的映像文件
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文 件 名 稱
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說 明
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文 件 名 稱
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說 明
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System.map
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U-Boot映像的符號表
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u-boot.bin
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U-Boot映像原始的二進制格式
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u-boot
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U-Boot映像的ELF格式
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u-boot.srec
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U-Boot映像的S-Record格式
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U-Boot的3種映像格式都可以燒寫到Flash中，但需要看加載器能否識別這些格式。一般u-boot.bin最為常用，直接按照二進制格式下載，並且按照絕對地址燒寫到Flash中就可以了。U-Boot和u-boot.srec格式映像都自帶定位信息。
4．U-Boot工具
在tools目錄下還有些U-Boot的工具。這些工具有的也經常用到。表6.4說明了幾種工具的用途。
表6.4 U-Boot的工具
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工 具 名 稱
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說 明
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工 具 名 稱
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說 明
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bmp_logo
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制作標記的位圖結構體
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img2srec
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轉換SREC格式映像
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envcrc
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校驗u-boot內部嵌入的環境變量
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mkimage
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轉換U-Boot格式映像
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gen_eth_addr
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生成以太網接口MAC地址
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updater
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U-Boot自動更新升級工具
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這些工具都有源代碼，可以參考改寫其他工具。其中mkimage是很常用的一個工具，Linux內核映像和ramdisk文件系統映像都可以轉換成U-Boot的格式。
6.2.4 U-Boot的移植
U-Boot能夠支持多種體系結構的處理器，支持的開發板也越來越多。因為Bootloader是完全依賴硬件平台的，所以在新電路板上需要移植U-Boot程序。
開始移植U-Boot之前，先要熟悉硬件電路板和處理器。確認U-Boot是否已經支持新開發板的處理器和I/O設備。假如U-Boot已經支持一塊非常相似的電路板，那么移植的過程將非常簡單。
移植U-Boot工作就是添加開發板硬件相關的文件、配置選項，然后配置編譯。
開始移植之前，需要先分析一下U-Boot已經支持的開發板，比較出硬件配置最接近的開發板。選擇的原則是，首先處理器相同，其次處理器體系結構相同，然后是以太網接口等外圍接口。還要驗證一下這個參考開發板的U-Boot，至少能夠配置編譯通過。
以S3C2410處理器的開發板為例，U-Boot-1.1.2版本已經支持SMDK2410開發板。我們可以基於SMDK2410移植，那么先把SMDK2410編譯通過。
我們以S3C2410開發板fs2410為例說明。移植的過程參考SMDK2410開發板，SMDK2410在U-Boot-1.1.2中已經支持。
移植U-Boot的基本步驟如下。
（1）在頂層Makefile中為開發板添加新的配置選項，使用已有的配置項目為例。
smdk2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0
參考上面2行，添加下面2行。
fs2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t fs2410 NULL s3c24x0
（2）創建一個新目錄存放開發板相關的代碼，並且添加文件。
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）為開發板添加新的配置文件
可以先復制參考開發板的配置文件，再修改。例如：
$cp include/configs/smdk2410.h include/configs/fs2410.h
如果是為一顆新的CPU移植，還要創建一個新的目錄存放CPU相關的代碼。
（4）配置開發板
$ make fs2410_config
（5）編譯U-Boot
執行make命令，編譯成功可以得到U-Boot映像。有些錯誤是跟配置選項是有關系的，通常打開某些功能選項會帶來一些錯誤，一開始可以盡量跟參考板配置相同。
（6）添加驅動或者功能選項
在能夠編譯通過的基礎上，還要實現U-Boot的以太網接口、Flash擦寫等功能。
對於FS2410開發板的以太網驅動和smdk2410完全相同，所以可以直接使用。CS8900驅動程序文件如下。
drivers/cs8900.c
drivers/cs8900.h
對於Flash的選擇就麻煩多了，Flash芯片價格或者采購方面的因素都有影響。多數開發板大小、型號不都相同。所以還需要移植Flash的驅動。每種開發板目錄下一般都有flash.c這個文件，需要根據具體的Flash類型修改。例如：
board/fs2410/flash.c
（7）調試U-Boot源代碼，直到U-Boot在開發板上能夠正常啟動。
調試的過程可能是很艱難的，需要借助工具，並且有些問題可能困擾很長時間。
6.2.5 添加U-Boot命令
U-Boot的命令為用戶提供了交互功能，並且已經實現了幾十個常用的命令。如果開發板需要很特殊的操作，可以添加新的U-Boot命令。
U-Boot的每一個命令都是通過U_Boot_CMD宏定義的。這個宏在include/command.h頭文件中定義，每一個命令定義一個cmd_tbl_t結構體。
#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}
這樣每一個U-Boot命令有一個結構體來描述。結構體包含的成員變量：命令名稱、最大參數個數、重復數、命令執行函數、用法、幫助。
從控制台輸入的命令是由common/command.c中的程序解釋執行的。find_cmd()負責匹配輸入的命令，從列表中找出對應的命令結構體。
基於U-Boot命令的基本框架，來分析一下簡單的icache操作命令，就可以知道添加新命令的方法。
（1）定義CACHE命令。在include/cmd_confdefs.h中定義了所有U-Boot命令的標志位。
#define CFG_CMD_CACHE 0x00000010ULL /* icache, dcache */
如果有更多的命令，也要在這里添加定義。
（2）實現CACHE命令的操作函數。下面是common/cmd_cache.c文件中icache命令部分的代碼。
#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_CACHE)
static int on_off (const char *s)
{ //這個函數解析參數，判斷是打開cache，還是關閉cache
if (strcmp(s, "on") == 0) { //參數為“on”
return (1);
} else if (strcmp(s, "off") == 0) { //參數為“off”
return (0);
}
return (-1);
}
int do_icache ( cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])
{ //對指令cache的操作函數
switch (argc) {
case 2: /* 參數個數為1，則執行打開或者關閉指令cache操作 */
switch (on_off(argv[1])) {
case 0: icache_disable(); //打開指令cache
break;
case 1: icache_enable (); //關閉指令cache
break;
}
/* FALL TROUGH */
case 1: /* 參數個數為0，則獲取指令cache狀態*/
printf ("Instruction Cache is %s/n",
icache_status() ? "ON" : "OFF");
return 0;
default: //其他缺省情況下，打印命令使用說明
printf ("Usage:/n%s/n", cmdtp->usage);
return 1;
}
return 0;
}
……
U_Boot_CMD( //通過宏定義命令
icache, 2, 1, do_icache, //命令為icache，命令執行函數為do_icache()
"icache - enable or disable instruction cache/n", //幫助信息
"[on, off]/n"
" - enable or disable instruction cache/n"
);
……
#endif
U-Boot的命令都是通過結構體__U_Boot_cmd_##name來描述的。根據U_Boot_CMD在include/command.h中的兩行定義可以明白。
#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}
還有，不要忘了在common/Makefile中添加編譯的目標文件。
（3）打開CONFIG_COMMANDS選項的命令標志位。這個程序文件開頭有#if語句需要預處理是否包含這個命令函數。CONFIG_COMMANDS選項在開發板的配置文件中定義。例如：SMDK2410平台在include/configs/smdk2410.h中有如下定義。
/***********************************************************
* Command definition
***********************************************************/
#define CONFIG_COMMANDS /
(CONFIG_CMD_DFL | /
CFG_CMD_CACHE | /
CFG_CMD_REGINFO | /
CFG_CMD_DATE | /
CFG_CMD_ELF)
按照這3步，就可以添加新的U-Boot命令。
6.3 U-Boot的調試
新移植的U-Boot不能正常工作，這時就需要調試了。調試U-Boot離不開工具，只有理解U-Boot啟動過程，才能正確地調試U-Boot源碼。
6.3.1 硬件調試器
硬件電路板制作完成以后，這時上面還沒有任何程序，就叫作裸板。首要的工作是把程序或者固件加載到裸板上，這就要通過硬件工具來完成。習慣上，這種硬件工具叫作仿真器。
仿真器可以通過處理器的JTAG等接口控制板子，直接把程序下載到目標板內存，或者進行Flash編程。如果板上的Flash是可以拔插的，就可以通過專用的Flash燒寫器來完成。在第4章介紹過目標板跟主機之間的連接，其中JTAG等接口就是專門用來連接仿真器的。
仿真器還有一個重要的功能就是在線調試程序，這對於調試Bootloader和硬件測試程序很有用。
從最簡單的JTAG電纜，到ICE仿真器，再到可以調試Linux內核的仿真器。
復雜的仿真器可以支持與計算機間的以太網或者USB接口通信。
對於U-Boot的調試，可以采用BDI2000。BDI2000完全可以反匯編地跟蹤Flash中的程序，也可以進行源碼級的調試。
使用BDI2000調試U-boot的方法如下。
（1）配置BDI2000和目標板初始化程序，連接目標板。
（2）添加U-Boot的調試編譯選項，重新編譯。
U-Boot的程序代碼是位置相關的，調試的時候盡量在內存中調試，可以修改連接定位地址TEXT_BASE。TEXT_BASE在board/<board_name>/config.mk中定義。
另外，如果有復位向量也需要先從鏈接腳本中去掉。鏈接腳本是board/<board_name>/
u-boot.lds。
u-boot.lds。
添加調試選項，在config.mk文件中查找，DBGFLAGS，加上-g選項。然后重新編譯U-Boot。
（3）下載U-Boot到目標板內存。
通過BDI2000的下載命令LOAD，把程序加載到目標板內存中。然后跳轉到U-Boot入口。
（4）啟動GDB調試。
啟動GDB調試，這里是交叉調試的GDB。GDB與BDI2000建立鏈接，然后就可以設置斷點執行了。
$ arm-linux-gdb u-boot
(gdb)target remote 192.168.1.100:2001
(gdb)stepi
(gdb)b start_armboot
(gdb)c
6.3.2 軟件跟蹤
假如U-Boot沒有任何串口打印信息，手頭又沒有硬件調試工具，那樣怎么知道U-Boot執行到什么地方了呢？可以通過開發板上的LED指示燈判斷。
開發板上最好設計安裝八段數碼管等LED，可以用來顯示數字或者數字位。
U-Boot可以定義函數show_boot_progress (int status)，用來指示當前啟動進度。在include/common.h頭文件中聲明這個函數。
#ifdef CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS
void show_boot_progress (int status);
#endif
CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS是需要定義的。這個在板子配置的頭文件中定義。CSB226開發板對這項功能有完整實現，可以參考。在頭文件include/configs/csb226.h中，有下列一行。
#define CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS 1
函數show_boot_progress (int status)的實現跟開發板關系密切，所以一般在board目錄下的文件中實現。看一下CSB226在board/csb226/csb226.c中的實現函數。
/** 設置CSB226板的0、1、2三個指示燈的開關狀態
* 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;
}
/** 顯示啟動進度函數，在比較重要的階段，設置三個燈為亮的狀態（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;
}
這樣，在U-Boot啟動過程中就可以通過show_boot_progresss指示執行進度。比如hang()函數是系統出錯時調用的函數，這里需要根據特定的開發板給定顯示的參數值。
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啟動過程
盡管有了調試跟蹤手段，甚至也可以通過串口打印信息了，但是不一定能夠判斷出錯原因。如果能夠充分理解代碼的啟動流程，那么對准確地解決和分析問題很有幫助。
開發板上電后，執行U-Boot的第一條指令，然后順序執行U-Boot啟動函數。函數調用順序如圖6.3所示。
看一下board/smsk2410/u-boot.lds這個鏈接腳本，可以知道目標程序的各部分鏈接順序。第一個要鏈接的是cpu/arm920t/start.o，那么U-Boot的入口指令一定位於這個程序中。下面詳細分析一下程序跳轉和函數的調用關系以及函數實現。
1．cpu/arm920t/start.S
這個匯編程序是U-Boot的入口程序，開頭就是復位向量的代碼。
_start: b reset //復位向量
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq //中斷向量
ldr pc, _fiq //中斷向量
…
/* the actual reset code */
reset: //復位啟動子程序
/* 設置CPU為SVC32模式 */
mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0xd3
msr cpsr,r0
/* 關閉看門狗 */
/* 這些初始化代碼在系統重起的時候執行，運行時熱復位從RAM中啟動不執行 */
#ifdef CONFIG_INIT_CRITICAL
bl cpu_init_crit
#endif
relocate: /* 把U-Boot重新定位到RAM */
adr r0, _start /* r0是代碼的當前位置 */
ldr r1, _TEXT_BASE /* 測試判斷是從Flash啟動，還是RAM */
cmp r0, r1 /* 比較r0和r1，調試的時候不要執行重定位 */
beq stack_setup /* 如果r0等於r1，跳過重定位代碼 */
/* 准備重新定位代碼 */
ldr r2, _armboot_start
ldr r3, _bss_start
sub r2, r3, r2 /* r2 得到armboot的大小 */
add r2, r0, r2 /* r2 得到要復制代碼的末尾地址 */
copy_loop: /* 重新定位代碼 */
ldmia r0!, {r3-r10} /*從源地址[r0]復制 */
stmia r1!, {r3-r10} /* 復制到目的地址[r1] */
cmp r0, r2 /* 復制數據塊直到源數據末尾地址[r2] */
ble copy_loop
/* 初始化堆棧等 */
stack_setup:
ldr r0, _TEXT_BASE /* 上面是128 KiB重定位的u-boot */
sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* 向下是內存分配空間 */
sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* 然后是bdinfo結構體地址空間 */
#ifdef CONFIG_USE_IRQ
sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif
sub sp, r0, #12 /* 為abort-stack預留3個字 */
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段地址空間清零循環... */
add r0, r0, #4
cmp r0, r1
bne clbss_l
/* 跳轉到start_armboot函數入口，_start_armboot字保存函數入口指針 */
ldr pc, _start_armboot
_start_armboot: .word start_armboot //start_armboot函數在lib_arm/board.c中實現
/* 關鍵的初始化子程序 */
cpu_init_crit:
…… //初始化CACHE，關閉MMU等操作指令
/* 初始化RAM時鍾。
* 因為內存時鍾是依賴開發板硬件的，所以在board的相應目錄下可以找到memsetup.S文件。
*/
mov ip, lr
bl memsetup
//memsetup子程序在board/smdk2410/memsetup.S中實現
mov lr, ip
mov pc, lr
2．lib_arm/board.c
start_armboot是U-Boot執行的第一個C語言函數，完成系統初始化工作，進入主循環，處理用戶輸入的命令。
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;
/* 順序執行init_sequence數組中的初始化函數 */
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鏈接腳本中定義 */
mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);
/* 配置環境變量，重新定位 */
env_relocate ();
/* 從環境變量中獲取IP地址 */
gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");
/* 以太網接口MAC 地址 */
……
devices_init (); /* 獲取列表中的設備 */
jumptable_init ();
console_init_r (); /* 完整地初始化控制台設備 */
enable_interrupts (); /* 使能例外處理 */
/* 通過環境變量初始化 */
if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
}
/* main_loop()總是試圖自動啟動，循環不斷執行 */
for (;;) {
main_loop (); /* 主循環函數處理執行用戶命令 -- common/main.c */
}
/* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */
}
3．init_sequence[]
init_sequence[]數組保存着基本的初始化函數指針。這些函數名稱和實現的程序文件在下列注釋中。
init_fnc_t *init_sequence[] = {
cpu_init, /* 基本的處理器相關配置 -- cpu/arm920t/cpu.c */
board_init, /* 基本的板級相關配置 -- board/smdk2410/smdk2410.c */
interrupt_init, /* 初始化例外處理 -- cpu/arm920t/s3c24x0/interrupt.c */
env_init, /* 初始化環境變量 -- common/cmd_flash.c */
init_baudrate, /* 初始化波特率設置 -- lib_arm/board.c */
serial_init, /* 串口通訊設置 -- cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c */
console_init_f, /* 控制台初始化階段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, /* 顯示RAM的配置大小 -- lib_arm/board.c */
NULL,
};
6.3.4 U-Boot與內核的關系
U-Boot作為Bootloader，具備多種引導內核啟動的方式。常用的go和bootm命令可以直接引導內核映像啟動。U-Boot與內核的關系主要是內核啟動過程中參數的傳遞。
1．go命令的實現
/* 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命令調用do_go()函數，跳轉到某個地址執行的。如果在這個地址准備好了自引導的內核映像，就可以啟動了。盡管go命令可以帶變參，實際使用時一般不用來傳遞參數。
2．bootm命令的實現
/* 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命令調用do_bootm函數。這個函數專門用來引導各種操作系統映像，可以支持引導Linux、vxWorks、QNX等操作系統。引導Linux的時候，調用do_bootm_linux()函數。
3．do_bootm_linux函數的實現
/* 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 (¶ms);
#endif
#ifdef CONFIG_REVISION_TAG
setup_revision_tag (¶ms);
#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()函數是專門引導Linux映像的函數，它還可以處理ramdisk文件系統的映像。這里引導的內核映像和ramdisk映像，必須是U-Boot格式的。U-Boot格式的映像可以通過mkimage工具來轉換，其中包含了U-Boot可以識別的符號。
6.4 使用U-Boot
U-Boot是“Monitor”。除了Bootloader的系統引導功能，它還有用戶命令接口，提供了一些復雜的調試、讀寫內存、燒寫Flash、配置環境變量等功能。掌握U-Boot的使用，將極大地方便嵌入式系統的開發。
6.4.1 燒寫U-Boot到Flash
新開發的電路板沒有任何程序可以執行，也就不能啟動，需要先將U-Boot燒寫到Flash中。
如果主板上的EPROM或者Flash能夠取下來，就可以通過編程器燒寫。例如：計算機BIOS就存儲在一塊256KB的Flash上，通過插座與主板連接。
但是多數嵌入式單板使用貼片的Flash，不能取下來燒寫。這種情況可以通過處理器的調試接口，直接對板上的Flash編程。
處理器調試接口是為處理器芯片設計的標准調試接口，包含BDM、JTAG和EJTAG 3種接口標准。JTAG接口在第4章已經介紹過；BDM（Background Debug Mode）主要應用在PowerPC8xx系列處理器上；EJTAG主要應用在MIPS處理器上。這3種硬件接口標准定義有所不同，但是功能基本相同，下面都統稱為JTAG接口。
JTAG接口需要專用的硬件工具來連接。無論從功能、性能角度，還是從價格角度，這些工具都有很大差異。關於這些工具的選擇，將在第6.4.1節詳細介紹。
最簡單方式就是通過JTAG電纜，轉接到計算機並口連接。這需要在主機端開發燒寫程序，還需要有並口設備驅動程序。開發板上電或者復位的時候，燒寫程序探測到處理器並且開始通信，然后把Bootloader下載並燒寫到Flash中。這種方式速率很慢，可是價格非常便宜。一般來說，平均每秒鍾可以燒寫100～200個字節。
燒寫完成后，復位實驗板，串口終端應該顯示U-Boot的啟動信息。
6.4.2 U-Boot的常用命令
U-Boot上電啟動后，敲任意鍵可以退出自動啟動狀態，進入命令行。
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，可以輸入U-Boot的命令並執行。U-Boot可以支持幾十個常用命令，通過這些命令，可以對開發板進行調試，可以引導Linux內核，還可以擦寫Flash完成系統部署等功能。掌握這些命令的使用，才能夠順利地進行嵌入式系統的開發。
輸入help命令，可以得到當前U-Boot的所有命令列表。每一條命令后面是簡單的命令說明。
=> 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還提供了更加詳細的命令幫助，通過help命令還可以查看每個命令的參數說明。由於開發過程的需要，有必要先把U-Boot命令的用法弄清楚。接下來，根據每一條命令的幫助信息，解釋一下這些命令的功能和參數。
=> 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命令可以引導啟動存儲在內存中的程序映像。這些內存包括RAM和可以永久保存的Flash。
第1個參數addr是程序映像的地址，這個程序映像必須轉換成U-Boot的格式。
第2個參數對於引導Linux內核有用，通常作為U-Boot格式的RAMDISK映像存儲地址；也可以是傳遞給Linux內核的參數（缺省情況下傳遞bootargs環境變量給內核）。
=> help bootp
bootp [loadAddress] [bootfilename]
bootp命令通過bootp請求，要求DHCP服務器分配IP地址，然后通過TFTP協議下載指定的文件到內存。
第1個參數是下載文件存放的內存地址。
第2個參數是要下載的文件名稱，這個文件應該在開發主機上准備好。
=> help cmp
cmp [.b, .w, .l] addr1 addr2 count
- compare memory
cmp命令可以比較2塊內存中的內容。.b以字節為單位；.w以字為單位；.l以長字為單位。注意：cmp.b中間不能保留空格，需要連續敲入命令。
第1個參數addr1是第一塊內存的起始地址。
第2個參數addr2是第二塊內存的起始地址。
第3個參數count是要比較的數目，單位按照字節、字或者長字。
=> help cp
cp [.b, .w, .l] source target count
- copy memory
cp命令可以在內存中復制數據塊，包括對Flash的讀寫操作。
第1個參數source是要復制的數據塊起始地址。
第2個參數target是數據塊要復制到的地址。這個地址如果在Flash中，那么會直接調用寫Flash的函數操作。所以U-Boot寫Flash就使用這個命令，當然需要先把對應Flash區域擦干凈。
第3個參數count是要復制的數目，根據cp.b cp.w cp.l分別以字節、字、長字為單位。
=> help crc32
crc32 address count [addr]
- compute CRC32 checksum [save at addr]
crc32命令可以計算存儲數據的校驗和。
第1個參數address是需要校驗的數據起始地址。
第2個參數count是要校驗的數據字節數。
第3個參數addr用來指定保存結果的地址。
=> help echo
echo [args..]
- echo args to console; /c suppresses newline
echo命令回顯參數。
=> 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。
參數必須指定Flash擦除的范圍。
按照起始地址和結束地址，start必須是擦除塊的起始地址；end必須是擦除末尾塊的結束地址。這種方式最常用。舉例說明：擦除0x20000 – 0x3ffff區域命令為erase 20000 3ffff。
按照組和扇區，N表示Flash的組號，SF表示擦除起始扇區號，SL表示擦除結束扇區號。另外，還可以擦除整個組，擦除組號為N的整個Flash組。擦除全部Flash只要給出一個all的參數即可。
=> 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組的信息，也可以只打印其中某個組。一般嵌入式系統的Flash只有一個組。
=> help go
go addr [arg ...]
- start application at address 'addr'
passing 'arg' as arguments
go命令可以執行應用程序。
第1個參數是要執行程序的入口地址。
第2個可選參數是傳遞給程序的參數，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開頭信息，包含了映像內容的校驗（序列號、頭和校驗和）。
第1個參數指定映像的起始地址。
可選的參數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命令可以通過串口線下載二進制格式文件。
=> help loads
loads [ off ]
- load S-Record file over serial line with offset 'off'
loads命令可以通過串口線下載S-Record格式文件。
=> help mw
mw [.b, .w, .l] address value [count]
- write memory
mw命令可以按照字節、字、長字寫內存，.b .w .l的用法與cp命令相同。
第1個參數address是要寫的內存地址。
第2個參數value是要寫的值。
第3個可選參數count是要寫單位值的數目。
=> help nfs
nfs [loadAddress] [host ip addr:bootfilename]
nfs命令可以使用NFS網絡協議通過網絡啟動映像。
=> help nm
nm [.b, .w, .l] address
- memory modify, read and keep address
nm命令可以修改內存，可以按照字節、字、長字操作。
參數address是要讀出並且修改的內存地址。
=> help printenv
printenv
- print values of all environment variables
printenv name ...
- print value of environment variable 'name'
printenv命令打印環境變量。
可以打印全部環境變量，也可以只打印參數中列出的環境變量。
=> 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命令是對Flash寫保護的操作，可以使能和解除寫保護。
第1個參數on代表使能寫保護；off代表解除寫保護。
第2、3參數是指定Flash寫保護操作范圍，跟擦除的方式相同。
=> help rarpboot
rarpboot [loadAddress] [bootfilename]
rarboot命令可以使用TFTP協議通過網絡啟動映像。也就是把指定的文件下載到指定地址，然后執行。
第1個參數是映像文件下載到的內存地址。
第2個參數是要下載執行的映像文件。
=> help run
run var [...]
- run the commands in the environment variable(s) 'var'
run命令可以執行環境變量中的命令，后面參數可以跟幾個環境變量名。
=> help setenv
setenv name value ...
- set environment variable 'name' to 'value ...'
setenv name
- delete environment variable 'name'
setenv命令可以設置環境變量。
第1個參數是環境變量的名稱。
第2個參數是要設置的值，如果沒有第2個參數，表示刪除這個環境變量。
=> help sleep
sleep N
- delay execution for N seconds (N is _decimal_ !!!)
sleep命令可以延遲N秒鍾執行，N為十進制數。
=> help tftpboot
tftpboot [loadAddress] [bootfilename]
tftpboot命令可以使用TFTP協議通過網絡下載文件。按照二進制文件格式下載。另外使用這個命令，必須配置好相關的環境變量。例如serverip和ipaddr。
第1個參數loadAddress是下載到的內存地址。
第2個參數是要下載的文件名稱，必須放在TFTP服務器相應的目錄下。
這些U-Boot命令為嵌入式系統提供了豐富的開發和調試功能。在Linux內核啟動和調試過程中，都可以用到U-Boot的命令。但是一般情況下，不需要使用全部命令。比如已經支持以太網接口，可以通過tftpboot命令來下載文件，那么還有必要使用串口下載的loadb嗎？反過來，如果開發板需要特殊的調試功能，也可以添加新的命令。
在建立交叉開發環境和調試Linux內核等章節時，在ARM平台上移植了U-Boot，並且提供了具體U-Boot的操作步驟。
6.4.3 U-Boot的環境變量
有點類似Shell，U-Boot也使用環境變量。可以通過printenv命令查看環境變量的設置。
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是常用環境變量的含義解釋。通過printenv命令可以打印出這些變量的值。
表6.5 U-Boot環境變量的解釋說明
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環 境 變 量
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解 釋 說 明
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bootdelay
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定義執行自動啟動的等候秒數
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baudrate
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定義串口控制台的波特率
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netmask
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定義以太網接口的掩碼
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ethaddr
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定義以太網接口的MAC地址
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bootfile
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定義缺省的下載文件
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bootargs
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定義傳遞給Linux內核的命令行參數
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bootcmd
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定義自動啟動時執行的幾條命令
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serverip
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定義tftp服務器端的IP地址
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ipaddr
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定義本地的IP地址
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stdin
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定義標准輸入設備，一般是串口
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stdout
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定義標准輸出設備，一般是串口
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stderr
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定義標准出錯信息輸出設備，一般是串口
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U-Boot的環境變量都可以有缺省值，也可以修改並且保存在參數區。U-Boot的參數區一般有EEPROM和Flash兩種設備。
環境變量的設置命令為setenv，在6.2.2節有命令的解釋。
舉例說明環境變量的使用。
=>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=
/$(ipaddr) "
/$(ipaddr) "
=>setenv kernel_addr 30000000
=>setenv nfscmd "tftp /$(kernel_addr) uImage; bootm /$(kernel_addr) "
=>run nfscmd
上面定義的環境變量有serverip ipaddr rootpath bootargs kernel_addr。環境變量bootargs中還使用了環境變量，bootargs定義命令行參數，通過bootm命令傳遞給內核。環境變量nfscmd中也使用了環境變量，功能是把uImage下載到指定的地址並且引導起來。可以通過run命令執行nfscmd腳本。