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摘要：本文介绍了U-BOOT在FREESCALE的嵌入式CPU芯片MPC5125上的移植方法。通过分析U-BOOT的使用方法、运行机理以及源码架构，给出了U-BOOT在MPC5125上的移植方法和步骤。应用结果表明，移植后的U-BOOT在目标板上稳定运行，能加载Linux内核和根文件系统。
关键词：U-BOOT；MPC5125；内核；移植
1引言
U-BOOT[1]是一种开源的BOOTLOADER，由德国DENX小组开发。BOOTLOADER是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。这段程序完成硬件的初始化和建立内存空间的映射图等重要工作，为内核的启动创建正确的环境，并最终启动内核[2]。因此，U-BOOT的主体功能包括三个方面，一是初始化硬件，为启动操作系统提供合适的硬件环境；二是解释执行用户的命令，这既包括在与用户的交互中解释执行的用户指令，也包括UBOOT自动启动时执行的命令；三是启动操作系统。
U-BOOT提供了多个命令给用户使用。通过这些命令可以查看目标系统的信息、设置环境变量等。通过在U-BOOT的命令行中输入help可以查看所有支持的命令。本文将这些命令分为六大类，分别是信息查询命令、内存控制命令、FLASH操作命令和运行控制命令、数据下载命令和环境变量设置命令。
本文基于FREESCALE的POWERPC核的嵌入式处理器MPC5125和U-BOOT源码资源，通过分析U-BOOT的源码架构以及启动操作系统的机理，得出在MPC5125上移植U-BOOT的方法，最后详细介绍了移植U-BOOT的操作步骤。
2 U-BOOT的源码分析
2.1 U-BOOT的命令
U-BOOT命令包括信息查询命令、内存控制命令、FLASH操作命令和运行控制命令、数据下载命令和环境变量设置命令[3]。
信息查询命令包括bdinfo、coninfo、flinfo、iminfo和help。bdinfo用于打印板子信息，包括内存地址、时钟频率、MAC地址等，这些板级信息最终将传递给内核。coninfo用于打印串口信息，包括设备名、标识符和当前使用情况。flinfo用于打印当前系统的flash信息，如flash容量、扇区数、每个扇区的起始地址。iminfo用于打印linux内核的头部信息，包括映像名、映像类型、大小和CRC校验和。help命令用于打印帮助信息，当不指定具体命令时，它将打印当前U-BOOT映像所支持的所有命令。
内存控制命令包括base、crc32、cmp、cp和md。base用于打印和设置内存中的地址偏移量。crc32用于计算一段内存空间的校验和，其第一个参数表示计算校验和的内存起始地址，第二个参数表示需要计算校验和的内存大小，第三个参数表示计算出来的校验和将存放到的内存地址。第三个参数可以省略。cmp命令可以比较两段内存的内容是否相同，其第一个参数表示第一段内存的起始地址，第二个参数表示第二段内存的起始地址，第三个参数可有可无，若有，则表示比较该参数指定的内存大小，若无，则表示在碰到第一个不相等处退出命令执行。cp命令是最常用的命令之一，既可用于进行烧录flash，也可进行内存中数据的拷贝。该命令有三种变体——cp.b、cp.w和cp.l，分别表示按字节拷贝、按字拷贝和按长字拷贝。其第一个参数表示源地址，第二个参数表示目的地址，第三个参数表示需要拷贝的内存大小。md命令用于以十六进制显示指定内存地址的内容。该命令也有三个变体——md.b、md.w和md.l，分别表示按字节、字和双字显示。
FLASH操作命令包括cp、flinfo、erase和protect命令。cp和flinfo命令在前文已经详细介绍，这里仅介绍erase和protect命令。
erase命令用于擦除flash中的内容，是最常用的命令之一，这是因为每次flash烧录前都必须对flash进行擦除。erase命令有四种形式：
1）erase start end：擦除由start和end指定的起始地址和末尾地址之间的一段flash空间
2）erase N：SF[-SL]：通过指定bank号和擦除块的范围进行flash擦除，擦除bank N中SF至SL之间的区域，一个bank通常指连接到CPU片选的一块存储区域
3）erase bank N：擦除整个bank N
4）erase all：擦除整块flash
protect命令用于进行flash写保护。为了防止flash的重要区域被不小心破坏，通常flash rom芯片都有写保护功能，在对起始块进行擦除和读写之前需要打开写保护。U-BOOT通常只对起始的第一块区域和第二块区域加上写保护，因为U-BOOT默认把U-BOOT自身放在了flash的第一块区域，而环境变量则放在第二块区域。在对flash进行擦除和烧录前，需要执行protect off命令将保护机制关闭，完成flash擦除和烧录后再将保护机制打开。protect有如下几种使用方式：protect on（or off）start end；protect on（or off）N：SF[-SL]；protect on（or off）bank N；protect on（or off）all。protect on表示打开保护机制，而protect off则表示关闭保护机制，其参数与erase命令的参数具有相同的含义。
运行控制命令包括bootm和go。bootm用于加载并启动U-BOOT能识别的操作系统映像。这表明bootm只能启动由mkimage工具打包过的映像，不能启动直接的映像文件，因为bootm必须从系统映像的头部获取一些信息，如操作系统类型、映像是否压缩、映像的加载地址和压缩地址等。bootm可以带三个参数，第一个参数是内核映像的地址，既可以是RAM地址也可以是FLASH地址；第二个参数是initrd映像的地址，在使用ramdisk作为根文件系统时需要使用该参数；第三个参数是设备树文件所在的地址，专为针对powerpc硬件设计。
go命令是另外一种启动内核映像的命令，和bootm不同的是，它直接跳转至某个地址然后执行放在该地址处的命令。由于go命令既不会设置环境变量，也不能解析映像。因此，go命令更常用于加载standlone的应用程序，非常适合于加载各种硬件测试程序和bootstrap代码，因为这种应用程序不需要复杂的环境。go命令一般只带一个参数，即要跳转执行的地址信息。
数据下载命令包括tftpboot和bootp。tftpboot通过tftp协议下载映像，是最常用的数据下载命令。使用tftpboot命令之前，必须首先配置tftp服务器，即启动主机上的tftp服务，并将系统映像拷贝至tftp的共享目录。tftpboot命令的第一个参数为加载地址，其是内存的地址，不能使用flash地址；第二个参数是需要下载的系统映像名。
bootp命令将通过bootp协议下载映像。bootp是bootstrap protocol的简称，bootp协议将使用TCP/IP协议的UDP 67/68两个通讯端口，客户机从服务器得到IP地址、服务器的IP地址启动映像名、网关IP等信息。bootp命令的参数与tftpboot命令的参数一致。
环境变量设置命令包括printenv、setenv和saveenv。printenv用于打印环境变量，假如不带参数，那么将会打印所有的环境变量，如果后面带变量名，那么仅打印指定的环境变量。
setenv用于设置和更改环境变量。若其后仅有一个变量，那么表示将该环境变量删除；若带两个参数，那么表示将指定的环境变量（第一个参数）设置为第二个参数指定的值；若带多个参数，那么第三个参数及其后的参数用作对环境变量的说明。此外，假若要将环境变量设置为多条语句，那么必须将整个语句用双引号“括”起来。用setenv命令设置的环境变量不会被存储到flash中，故掉电后便会丢失。
为了保存设置和修改过的变量，必须使用saveenv命令将其保存起来。saveenv命令的作用便是将ram中的变量保存至flash中。该命令没有参数，故每次都是将所有的环境变量都保存一遍。
2.2 U-BOOT的目录结构分析
U-BOOT源代码的目录结构如图1所示。从图1可知，U-BOOT源代码主要包含如下几个部分：
1）U-BOOT提供的API接口，对应于api和api_examples。这两个目录提供的接口只有在需要设计特殊功能才有需要。
2）与目标板相关的代码，对应于board目录。打开该目录可见以各种开发板名字命名的目录，与TWR-MPC5125开发板对应的目录是ads5125。
3）公共代码，对应于common目录。该目录下放置了U-BOOT的一些核心代码，如MAIN函数，各种命令的实现代码，命令的解释执行代码，处理环境变量的相关文件，等。
4）与CPU相关的代码，对应于CPU目录。打开该目录，可见以各种CPU名字命名的文件夹，与MPC5125对应的目录是MPC512x目录。该目录下的代码用于进行CPU的初始化、中断和异常的处理、管脚初始化、串口的驱动等，其中还含有U-BOOT启动时首先要执行的一个代码文件——start.S。
5）磁盘分区和磁盘驱动对应的代码，对应于disk目录。在嵌入式系统中，这些代码较少使用，因为很少有嵌入式系统存在磁盘设备。
6）说明文档，对应于doc目录。
7）关键部件的驱动相关的代码，对应于drivers目录。打开该目录可见多种设备的驱动程序，如块设备、DMA、GPIO、I2C、SD卡、MTD设备、网络设备、PCI设备、实时时钟、串口、SPI设备、USB设备和音频设备。
8）简单应用的例程，对应于examples目录。
9）文件系统，对应于fs目录。打开该目录可见U-BOOT支持的多种文件系统，包括cramfs、ext2、fat、fdos、jffs2、reiserfs和yaffs2等。
10）头文件，对应于include目录。该目录下面包含了各种头文件，其中configs子目录下包含了各种开发板的U-BOOT配置文件，如TWR-MPC5125对应的配置文件是ads5125.h。由于U-BOOT没有像Linux那样的配置界面，因而U-BOOT的配置只能通过手动修改该目录下的配置文件来实现。
11）库文件，对应于以lib开头的那些目录名。其中lib_generic目录下的代码是与体系结构无关的库代码，其他目录下的代码是与特定的体系结构相关的代码，如lib_ppc目录下的代码是与powerpc体系相关的库代码。
12）网络传输代码，对应于net目录。打开该目录，可知U-BOOT实现了tftp、nfs和bootp等协议
13）上电自检代码，对应于post目录。
U-BOOT常用工具，对应于tools目录。该目录下最常用的工具是mkimage，该工具用于生成可被U-BOOT识别的操作系统映像，其具体工作便是在操作系统的映像头部填入64字节的文件头。
2.3 U-BOOT的MAKEFILE分析
Makefile是U-BOOT的编译管理文件，是分析U-BOOT源代码的起点。要分析清楚Makefile，必须要熟悉Makefile的语法规则以及sed流处理工具和shell的使用方法。U-BOOT项目的Makefile包括根目录下的Makefile、mkconfig、config.mk以及各个子目录下的Makefile。
根目录下的Makefile是整个U-BOOT工程主Makefile文件，其负责配置U-BOOT的编译方式，该文件的内容自上而下分别是定义编译环境、使用何种编译器、编译方式、目标文件的生成以及它们最终镜像文件中的链接次序等。因此，在使用make命令进行U-BOOT工程的编译之前必须运行make ads5125_nand_config（TWR-MPC5125开发板的nand flash启动方式）命令进行配置。打开Makefile文件，查找ads5125_nand_config，可见如下几行：
ads5125_nand_config\
：unconfig
@mkdir -p $（obj）include
@mkdir -p $（obj）board/ads5125
@mkdir -p $（obj）nand_spl/board/ads5125
echo "TEXT_BASE = 0x01000000" > $（obj）board/ads5125/config.tmp；
echo "#define CONFIG_NAND_U_BOOT" >> $（obj）include/config.h；
@$（MKCONFIG）-a ads5125 ppc mpc512x ads5125
echo "CONFIG_NAND_U_BOOT = y" >> $（obj）include/config.mk；
echo "NAND_PAD_SIZE = 2k" >> $（obj）include/config.mk；
由此可知，在运行make ads5125_nand_config进行配置时，首先执行unconfig目标，清理上次配置时生成的头文件以及Makefile的包含文件，主要是include/config.h文件和include/config.mk文件。接下来执行命令：
@$（MKCONFIG）-a ads5125 ppc mpc512x ads5125
在上述命令中，MKCONFIG即为顶层目录下的mkconfig脚本文件，后面跟的是传入的参数，分别表示的是宿主机平台、芯片的体系架构、芯片指令集版本和芯片厂商。mkconfig文件主要完成三件事：
1）在include文件夹下建立相应的文件夹软符号链接
2）生成Makefile包含文件include/config.mk，其中定义了ARCH、CPU、BOARD和VENDOR等变量，这些变量可供其他的Makefile文件使用，作为一个基本配置
3）生成include/config.h头文件
mkconfig脚本文件的执行至此结束，接下来分析config.mk文件。应该说，该文件才是真正的Makefile文件，上述两个脚本Makefile和mkconfig用于完成环境的配置，而该文件则定义具体的编译规则。该文件的主要功能是给编译过程中的变量赋值，包括编译执行的函数与编译时所带的参数等；还根据是否定义了ARCH、CPU、SOC、VENDOR、BOARD来决定是否包含相应位置的config.mk文件，该文件定义了相应平台在编译时应该加的参数，且各子模块目录的Makefile文件的第一句话就是包含顶层的config.mk。所以，若在移植过程中为自己的板子定义了新的名字，那么要检查这个文件，看相应位置上的config.mk文件有没有，内容是否为正确的。config.mk的主要内容如下：
1）包含体系结构、开发板、CPU特定的规则文件，第84行至107行
2）定义交叉编译工具，第61行至84行
3）定义AR选项ARFLAGS，调试选项DBGFLAGS，优化选项OPTFLAGS，预处理选项CPPFLAGS，C编译器选项CFLAGS，链接选项LDFLAGS，第107行至第227行
4）指定编译规则，第233至254行
在所有的配置完成之后，便可运行make命令生成ELF文件镜像。U-BOOT的顶层Makefile有多个目标，分别代表不同的含义。伪目标SUBDIRS用于执行tools、examples、post、post/CPU子目录下的Makefile文件；依赖目标$（OBJS），用于生成CPU/start.o；依赖目标$（LIBS），通过执行相应子目录下的Makefile生成子目录的库文件*.a；依赖目标$（LDSCRIPT），指代链接脚本，如board/ads5125/u-boot.lds，该文件定义了链接时各个目标文件是如何组织的。此外，在该链接文件中定义了整个U-BOOT工程的入口代码，即该文件的最后一句话：ENTRY（_start）。_start是在start.S中定义的全局变量，因此U-BOOT运行的第一句代码便是_start后的那句汇编代码。
概括起来，U-BOOT工程的编译就是通过执行make ads5125_nand_config传入ARCH、CPU、BOARD和SOC参数，mkconfig根据参数将include头文件与相应的头文件夹链接好，生成config.h头文件。然后执行make分别调用各子目录的Makefile生成所有的obj文件和obj库文件*.a。最后链接所有目标文件，生成elf镜像。不同格式的镜像都是调用相应工具由elf镜像直接或间接生成的。
2.4 U-BOOT启动流程分析
根据代码运行空间的区别，U-BOOT的启动过程分为两个阶段，第一阶段的代码在Flash中运行，第二阶段的代码在RAM中运行。第一阶段的主要代码体现在start.S文件，另外还有一些C语言编写的函数，如cpu_init_f和board_init_f。第一阶段代码的功能包括：
1）设置基地址寄存器IMMRBAR
2）CPU自身初始化：包括初始化机器状态、关闭看门狗、初始化HID寄存器
3）设置并使能CS0和CS2窗口寄存器
4）在Flash中分配堆栈空间
5）运行C语言代码编写的CPU第一阶段初始化，即cpu_init_f函数
6）运行C语言代码编写的BOARD第一阶段初始化，即board_init_f函数，该函数将运行初始化函数序列，最后跳转至relocate_code函数
7）运行relocate_code函数，该函数由汇编代码编写，该函数完成代码的搬移，将U-BOOT代码从Flash中搬移至RAM中，完成搬移后直接跳转至第二阶段的代码中去执行
第二阶段的代码是在RAM中运行的代码，这部分代码仅有很少一部分是start.S中编写的用汇编的代码，绝大部分代码用C代码编写，这是由于RAM中有足够的空间可用于分配堆栈，完成的功能总结如下：
1）调整got2指针
2）清除BSS段，并跳转至board_init_r函数
3）运行board_init_r函数，先后完成串口初始化、复位看门狗、使能ICACHE、初始化Flash、设备初始化、控制台初始化、中断初始化、以太网控制器初始化，最后，再次复位看门狗，进入主循环main_loop
4）在main_loop函数中，等待用户输入的指令或者读取默认的指令，处理该指令。若处理的是bootm指令，那么就会启动Linux内核
2.5 U-BOOT的命令实现
U-BOOT的命令为用户提供了交互的功能，其已经实现了几十个常用的命令。如果板件需要特殊的操作，还可以添加新的U-BOOT命令。因此，分析U-BOOT命令的实现显得十分重要。
U-BOOT的命令通过U_BOOT_CMD宏定义，该宏定义与include/command.h头文件中。通过这个宏的作用，每个U-BOOT命令都对应了一个cmd_tbl_t结构体，其定义如下：
#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}
所有的U-BOOT命令对应的结构体都被放置在内存的一个特定区域中，形成一个特殊的段，该区域定义于U-BOOT的链接文件u-boot.lds中：
__u_boot_cmd_start =.；
.u_boot_cmd：{ *（.u_boot_cmd）}
__u_boot_cmd_end =.；
这样每一个U-BOOT命令都有一个结构体来描述，结构体中的成员包括命令名称、最大参数、重复数、命令执行函数、用法和帮助。从控制台输入的命令由common/command.c文件中的 run_command函数解释执行。其中，通过调用find_cmd函数负责匹配输入的命令，从列表中找出对应的命令结构体。在命令段中找到了对应的命令后，便会调用结构体中注册的cmd函数。cmd函数的注册便是通过U_BOOT_CMD宏实现的，在每个命令的实现文件中可以找到该宏。
通过上述分析可知，要实现一个命令，需要进行如下步骤：
1）定义该命令，在include/config_cmd_all.h中定义了定义了所有U_BOOT命令的标志位，添加新的命令时，也需要在此文件中定义其标志位。
2）实现该命令的操作函数，这取决于添加的命令需要实现的功能，需要注意的是，在该操作函数实现了之后，要通过U_BOOT_CMD宏注册该命令。
3）在common/Makefile文件中添加编译的目标文件。
4）打开CONFIG_COMMANDS选项的命令标志，这个标志在相应的板件的配置文件中，如对TWR-MPC5125而言，是include/configs/ads5125.h。
3 U-BOOT移植
3.1 修改主MAKEFILE
在U-BOOT工程根目录下的主Makefile中，要为新板件添加相应的配置项，参考开发板TWR-MPC5125的配置，可在其后添加如下配置：
jcx5125_config \
：unconfig
@mkdir -p $（obj）include
@$（MKCONFIG）-a jcx5125 ppc mpc512x jcx5125
jcx5125_nand_config \
：unconfig
@mkdir -p $（obj）include
@mkdir -p $（obj）board/jcx5125
@mkdir -p $（obj）nand_spl/board/jcx5125
echo "TEXT_BASE = 0x01000000" > $（obj）board/jcx5125/config.tmp；
echo "#define CONFIG_NAND_U_BOOT" >> $（obj）include/config.h；
@$（MKCONFIG）-a jcx5125 ppc mpc512x jcx5125
echo "CONFIG_NAND_U_BOOT = y" >> $（obj）include/config.mk；
echo "NAND_PAD_SIZE = 2k" >> $（obj）include/config.mk；
上述配置中，jcx5125_config是对Nor-Flash启动的配置项，而jcx5125_nand_config则是对Nand-Flash启动的配置项。
3.2 建立配置头文件
在U-BOOT工程中，没有类似于Linux内核那样的配置界面，所有的配置选项都集中在include/configs目录下的配置头文件中。本文的移植基于开发板TWR-MPC5125，因而其配置头文件也建立在开发板的配置头文件基础上。首先，在include/configs目录下新建一个空的头文件jcx5125.h。然后，将开发板的配置头文件ads5125.h的内容复制至jcx5125.h中。最后，根据需要，添加新的配置项，或者删除不需要的配置项，或者修改某些配置项的内容。例如，开发板的U-BOOT不支持SD卡，若要支持，那么需要添加如下配置项：
#define CONFIG_MMC
#define CONFIG_DOS_PARTITION
#define CONFIG_GENERIC_MMC
#define CONFIG_CMD_MMC
#define CONFIG_CMD_FAT
3.3 移植板级文件
板级文件，是指与板件密切相关的那部分代码，这部分代码主要存放在board目录下，且每块板件都有相应的子目录，开发板TWR-MPC5125对应的子目录是ads5125。板级文件的移植要进行如下五步（假设当前目录为U-BOOT工程的根目录）：
a.进入board目录：cd board；
b.创建新板件对应的目录：mkdir jcx5125
c.将ads5125目录中的文件复制至jcx5125目录中：cp –r./ads5125/*./jcx5125
d.进入jcx5125目录，修改其中的C代码文件的名字：mv./ads5125.c./jcx5125.c
e.修改jxc5125.c文件的内容：该文件存放的是板级相关代码，主要是mpc5125芯片的引脚配置代码和DDR SDRAM的配置代码。因此，在移植该文件时，要根据实际板件的引脚使用情况，修改其IO引脚配置寄存器。
4 结束语
在嵌入式系统开发过程中，U-BOOT移植是一个必不可少的关键环节，在板件的调试过程中也起着非常重要的作用。本文详细分析了U-BOOT工程的命令使用和实现、源码结构和启动流程，并最终给出了在FREESCALE的POWERPC核的嵌入式处理器MPC5125上移植的操作步骤。目前，笔者移植的U-BOOT已经能够稳定运行于目标板上，并通过U-BOOT成功加载了LINUX内核和根文件系统，为后续的应用开发奠定了坚实基础。
参考文献：
[1].http：//www.denx.de/wiki/view/DULG/UBoot
[2].朱继杭，杨世武.基于AT91RM9200U-Boot移植方法.北京：仪器与仪表用户，2005，12（6）：121-122.
[3].http：//www.cs.umass.edu/~tonyliu/index.html
论文作者:李国虎
论文发表刊物:《基层建设》2015年21期供稿
论文发表时间:2016/3/29
标签：命令论文; 文件论文; 代码论文; 参数论文; 目录论文; 映像论文; 地址论文; 《基层建设》2015年21期供稿论文;