1 引言

      Boot Loader(内核引导程序)是在操作系统内核运行之前运行的一段自举程序，用于初始化硬件设备、改变处理器运行模式、重组中断向量和建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件带到一个合适的状态或者用户定制的特定状态，以便为最终加载操作系统内核准备好正确的环境[1]。

      嵌入式Linux系统常用的Boot Loader有arm-boot、redboot、U-Boot等。U-Boot (全称Universal Boot Loader)是当前比较流行的遵循GPL条件的开放源码项目。U-Boot具有源码公开的特点，开发人员可根据自身需要进行裁减；支持多种处理器和嵌入式操作系统内核；具有多种设备驱动源码：支持种引导方式；具有功能强大且成熟、稳定等诸多优点，故在嵌入式系统开发过程中广泛采用。U-Boot严重依赖于底层硬件，不同的CPU或嵌入式板极设备需要不同的U-Boot，因此，在嵌入式系统中建立通用的U-Boot是非常困难的，故U-Boot需针对开发板量身定做。

      2 开发平台

      2.1 BF533简介

      Blackfin系列DSP是ADI公司与Intel联合开发推出的第一款高性能、低功耗第四代定点DSP产品，融合了Analog Devices/Intel公司的微信号结构(MSA)。它将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加(MAC)信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起。这种组合使Blackfin处理器能够在信号处理和控制处理应用中发挥最佳的性能。且Blackfin处理器通过将工业标准接口与高性能的信号处理内核相结合在一起,用户可以快速设计出节省成本的解决方案，而且无需昂贵的外部组件。

      本开发系统采用BF533，BF533是主频高达600 MHz、峰值处理能力为1.2 GMI/s的高性能Blackfin处理器。BF533内核包含2个16位MAC、2个40位ALU、4个8位视频ALU以及1个40位移位器。另外，BF533还包括1个UART口、1个SPI口、2个串行口(SPORT)、4个通用定时器(其中3个具有PWM功能)、1个实时时钟、看门狗定时器以及1个并行外设接口。外部存储器控制器可与SDRAM、SRAM、Flash和ROM实现无缝连接[2]。

      2.2 系统硬件平台简介

      本系统的开发板硬件系统如图1所示。   

      目标板以Blackfin嵌入式处理器为核心，数据地址线复用到SDRAM、Flash、USB、Ethernet，并通过FPGA实现逻辑控制。此外，将UART端口转换为RS232端口引出。其中SDRAM的地址为0x00000000～0x02000000，Flash的地址为0x20000000～0x20300000。

      宿主机采用Window和Suse10.0双操作系统，采用串行接口和以太网连接宿主机和目标板，程序先在宿主机上编译，然后下载至目标板上运行，目标板的终端被重定向到串行接口，由宿主机输出。

      2.3 开发环境的建立

      2.3.1 在宿主机上设置终端

      大部分嵌入式系统在宿主机大多都采用kermit或minaicom实现与目标板的通信，本系统采用inicom。minicom是Linux下一个类似于Windows超级终端的友好串口通信程序。在终端输入bash#minicom-s进入minicom设置画面，设置串口波特率、有效数据位、停止位以及奇偶校验位分别为57 600、8 bit、1位停止位以及无奇偶校验位等。

      2.3.2安装交叉编译器

      交叉编译是在一个架构下编译另外一个架构的目标文件。要从http：//blackfin.uclinux.org网站上下载Blackfin ToolChain，然后安装并修改环境变量PATH，使其包含ToolChain的安装目录。   

      3 U-Boot启动两阶段

      U-Boot代码一般分为stage1和stage2两大部分。stage1依赖于cpu体系结构如设备初始化代码，常用汇编语言编写以达到短小精悍,提高系统运行效率的目的。它主要包括cpu/bf533目录下的start.s。stage2一般采用C语言编写实现复杂功能，这样代码则具有更好的可读性和可移植性，主要包括lib blackfin/board.c文件和common/main．c文件中main_loop函数。

      stagel从cpu入口函数cpu/bf533/start.s开始,通常包含以下步骤：

      (1)基本硬件的初始化，为随后执行kernel准备好基本的硬件环境。包括：屏蔽所有中断，引导装载程序的执行过程中不必执行任何中断，中断屏蔽可通过写cpu的中断屏蔽寄存器或状态寄存器实现；设置cpu的速度和时钟频率，初始化pll；RAM初始化，初始化内存控制器的各个寄存器；初始化UART，向串口打印U-Boot的字符信息；关闭cpu内部指令，数据cache。

      (2) 为加载U-Boot的stage2准备RAM空间，通常将stage2置于整个RAM空间的最顶层1 MB空间。

      (3)拷贝U-Boot的stage2到RAM。判断是否是Flash运行,如果是就将stage2的代码拷贝到TEXT BASE处。将stage2安排到RAM空间的最顶层1 MB是较推荐的方法。

      (4)设置堆栈指针sp为C语言代码执行做好准备。

      (5)跳转到stage2的C语言代码入口点。

      stage2主要包括lib-blackfin/board.c中board_init_f、board_init_r函数以及common/main.C中main_loop函数。通常包含以下步骤：

      (1)初始化此阶段需用的硬件设备，由board_init_f和board_init_r函数实现。     

      (2)内存映射检测。

      (3)加载内核并为内核设置启动参数。

      (4)调用内核。

      4 U-BOOt的移植

      4.1 U-Boot方法与要点

      移植U-Boot简便的方法是从U-Boot支持的开发板中选择一个与其目标板接近的开发板进行修改。需修改的是与硬件相关的部分,涉及到两个层面：针对CPU的移植，由于U-Boot_1.1.3支持BF533，故只需做第二层面的移植：针对目标板硬件的移植。在移植前，需仔细阅读U-Boot/readme文件，该文件对目录结构和如何移植作了简要介绍。从移植U-Boot的最小要求、U-Boot能够正常启动的角度出发,选择BF533的STAMP板为模板,相关源代码在/board/stamp目录下，结合U-Boot的启动流程，主要修改文件如下：

      (1)与目标板相关的代码部分：在board下创建mybf533目录，无需从头开始，参考与目标板相似的STAMP板在mybf533目录下创建mybf533.c、mybf533.h、flash.c、config.mk、Makefie等文件。需要修改/board/mybf533/config.mk：   

      TFEXT_BASE用于设置程序编译链接的起始地址即将U-Boot的stage2拷贝到SDRAM的TEXT_BASE处，即SDRAM最顶层一段存储区。修改board/mybf533/Makefile：   

      (2)与CPU相关的代码部分：U-Boot_1.1.3/epu文件中含有BF533的目录，其中包含start.s、cpu.c、cpu.h、interrupt.c、init_sdram.s等。故不需要建立与cpu相关的文件目录。

      (3)与头文件相关的代码：在include/configs创建mybf533.h，参考include/configs/stamp.h，如下：

       Flash的修改与具体型号和容量有关，修改过程中参考Flash擦除数据命令、特定寄存器的写入地址以及扇区的大小和位置。

      与SDRAM相关设置：

      注意：最后一行要用Tab键开头表示命令。其中blackfin表示CPU的种类.bf533是cpu bf533对应的代码目录，mybf533是目标板对应的目录。这样可使用make mybf533_config配置自身的开发板。

      其他修改视情况而定。如根据SDRAM大小修改cplb表，根据需要修改堆栈大小。如drivers/cfi_flash.c中flash_init()函数,cpu/bf533/ints.c中init_IRQ()函数等。

      修改完毕后就可以采用如以下命令编译U-Boot：bash＄>make clean，bash＄>make mrproper，bash＄>make mybf533_config，bash＄>make。

      编译完后U-Boot_1.1.3生成U-Boot的二进制文件U-Boot.bin(U-Boot.bin只能用于更新)。执行bash＄>bfin-uclinux-objcopy-I binary-Oihex U-Boot.bin,生成可在Windows下首次烧写到Flash的十六进制文件U-Boot.hex。

      4.2 U-Boot的烧写

      第一次下载U-Boot到目标板或者当U-Boot不能正常启动时。必须通过JTAG或者ADI ICE将U-Boot下载到目标板。在此可将ADI公司的仿真器与Visual DSP++环境相连,通过Visual DSP++,在TOOLS-->Flash Programmer下执行Flash驱动程序M25P64.dxe，选择Erase all-->Load Flie烧写U-Boot.hex文件到Flash中。

      移植成功后，打开终端minicom复位开发板，若串口能输出正确的启动信息．则表明移植基本成功。启动后，如果在设定的时间内，串口没有接收到按键。U-Boot将自动加载操作系统内核和文件系统。若设定时间内串口接收到按键，则U-Boot停止自动加载,进入命令行，可看到U-Boot的提示符mybf533>，查看Flash信息，调试或手动加载内核。

      生成新的U-Boot.bin文件后。可通过Ethernet或者串口更新U-Boot。因为网络的传输速度远比串口快，故一般选择网络传输。将新生成的U-Boot.bin拷贝到宿主机根目录下的tftpboot目录(前提是已经创建tftp sever),在目标板出现U-Boot提示符后。按任意键进入下载模式：

      mybf533>tftp 0x1000000 U-Boot.bin

      0x1000000为SDRAM默认的下载地址空间,用于U-Boot的升级、调试。当需要升级或者修改U-Boot,可将新的U-Boot从SDRAM烧写到。Flash,覆盖原来的U-Boot，以减少烧写Flash的次数。在烧写以前最好测试一下所下载的U-Boot能否正常运行：  

      如果不正确，应重复执行Erase all和Copy命令，直到正确为止。至此，U-Boot移植的步骤已基本完成。

      5 结束语

      U-Boot是一个功能强大的Boot loader。前期移植工作是嵌入式系统开发的首要环节。但其移植不可避免的存在一些难以预料的问题。嵌入式开发人员应该在了解U-Boot的工作机理、移植条件后,根据目标板和具体情况灵活裁减U-Boot以提高操作系统移植的稳定性，缩短移植周期，降低产品成本。  

      本文结合U-Boot的运行机理以及U-Boot移植的基本要求，研究了U-Boot在基于BF533的嵌入式系统上的移植。本文的移植是在不改变U-Boot框架前提下，对嵌入式目标板和CPU相关代码进行修改，实现了成功移植且移植后的U-Boot能够在目标板上稳定运行，为后续开发奠定了良好的基础。