UBOOT移植（53页PDF全面）_uboot配置文件

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第二章何为 BootLoader

本章学习目标：

 了解嵌入式 BootLoader 的基本概念和嵌入式体系结构

 掌握 BootLoader 的启动流程与使用方法

 了解 U-Boot 的源代码结构

 掌握 U-Boot 的编译过程和启动过程

 掌握 BootLoader 移植的基本方法和移植要的

 掌握通过查看芯片手册、硬件原理图来配置相关寄存器的方法

 熟悉 U-Boot 常用命令的使用

2.1 BootLoader 介绍

引导加载程序是系统加电后运行的第一段软件代码。PC 机中的引导加载程序由 B

IOS(其本质就是一段固件程序)和位于硬盘 MBR 中的 OS BootLoader（比如，LILO 和

GRUB 等）一起组成。BIOS 在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘 MBR 中的 BootLoad

er 读到系统的 RAM 中，然后将控制权交给 OS BootLoader。BootLoader 的主要运行

任务就是将内核映象从硬盘上读到 RAM 中，然后跳转到内核的入口点去运行，也即

开始启动操作系统。

而在嵌入式系统中，通常并没有像 BIOS 那样的固件程序（注：有的嵌入式 CPU

也会内嵌一段短小的启动程序），因此整个系统的加载启动任务就完全由 BootLoader

来完成。比如在一个基于 ARM9TDMI core 的嵌入式系统中，系统在上电或复位时通

常都从地址 0x00000000 处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的 BootL

oader 程序。

2.1.1 Boot Loader 的基本概念

嵌入式系统的启动代码一般由两部分构成：引导代码和操作系统执行环境的初始化代

码。其中引导代码一般也由两部分构成：第一部分是板级、片级初始化代码，主要功能是通

过设置寄存器初始化硬件的工作方式，如设置时钟、中断控制寄存器等，完成内存映射、初

始化 MMU 等。第二部分是装载程序，将操作系统和应用程序的映像从只读存储器装载或者拷

贝到系统的 RAM 中并执行。

（1）什么是板级 BSP? BSP(Board Support Package)是板级支持包,是介于主板硬

件和操作系统之间的一层,主要是为了支持操作系统，使之能够更好的运行于硬件主板。不

同的操作系统对应于不同形式的 BSP,例如 WinCE 的 BSP 和 Linux 的 BSP 相对于某 CPU 来说

尽管实现的功能一样,可是写法和接口定义是完全不同的。所以，BSP 一定要按照该系统 BSP

的定义形式来写，这样才能与上层 OS 保持正确的接口,良好的支持上层 OS。

（2）什么是 BootLoader ？在 BSP 中有一个重要的组成部分就是 BootLoader,它是

在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立

内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，为调用操作系统内核准

备好环境。

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一般来说，在嵌入式世界里 BootLoader 是严重地依赖于硬件的，因此想建立一个通用的

BootLoader 几乎是不可能的。不同的 CPU 体系结构有不同的 BootLoader，而且除了依赖

于 CPU 的体系结构外，BootLoader 还依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。这也就是说，

对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们是基于同一种 CPU 结构而构建的，要想让运行在

一块板子上的 BootLoader 程序也能运行在另一块板子上，通常也都需要修改 BootLoader

的源程序。尽管如此，我们仍然可以对 BootLoader 归纳出的一些原理来，通过这些共

性的学习，以便指导用户特定的 BootLoader 设计与实现。

2.1.2 Boot Loader 所支持的 CPU 和嵌入式体系结构

嵌入式系统世界已经有各种各样的 BootLoader，种类划分也是多种多样。除了按照处

理器体系结构不同划分以外，还可以按功能复杂程度的不同来划分。

首先读者还应该区分一下“BootLoader”和“Monitor”的概念。严格来说，“Boot

-Loader”只是引导设备并且执行主程序的固件；而“Monitor”还提供了更多的命令行接

口，可以进行调试、读写内存、烧写 Flash、配置环境变量等。“Monitor”在嵌入式系统

开发过程中可以提供很好的调试功能，开发完成以后，就完全设置成了“BootLoader”。所

以，习惯上大家把它们统称为 BootLoader。

对于每种体系结构，都有一系列开放源码 BootLoader 可以选用。LINUX 下的 BOOTLOADER

及支持的体系结构如下表所示：

表 2-1 LINUX 的下的 BOOTLOADER 及支持的体系结构

名称功能说明体系结构

LILO LINUX 的磁盘引导加载程序 x86

GRUB LILO 的 GRU 版 x86

Loadlin 从 Dos 引导 Linux 系统 x86

U-BOOT 以 PPCBoot 和 ARMBoot 为基础的通用引导加载

程序

x86,ARM,PowerPC,MI

PS 等

RedBoot 以 eCos 为基础的引导程序 x86，ARM,PowerPC,

MIPS,M68K

VIVI 为 S3C24XX 处理器引导 Linux ARM

ROLO 可替代 BIOS,能从 ROM 引导 Linux x86

Etherboot 从以太网卡启动 Linux 系统的固件 x86

LinuxBIOS 以 Linux 为基础的 BIOS 替代品 x86

BLOB 来自 LART 计划的引导程序 ARM

 X86

X86 的工作站和服务器上一般使用 LILO 和 GRUB。LILO 是 Linux 发行版主流的 Boot

-loader，它是 LINUX 的磁盘引导加载程序。GRUB 是 LILO 的 GNU 版，GRUB 比 LILO 有更友好

的显示界面，使用配置也更加灵活方便。

在某些 X86 嵌入式单板机或特殊设备上，会采用其他 Bootloader，例如 ROLO。这些

Bootloader 可以取代 BIOS 的功能，能够从 ROM 中直接引导 Linux 启动。现在 ROLO 支持的

开发板已经并入 U-Boot，所以 U-Boot 也可以支持 X86 平台。

 ARM

ARM 处理器的芯片商很多，所以每种芯片的开发板都有自己相应的 Bootloader。最早有

为 ARM7TDMI core 处理器的开发板的固件，出现了 armboot，StrongARM 平台的 blob，还有

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S3C2410 处理器开发板上的 vivi 等。现在 armboot 已经并入了 U-Boot，所以 U-Boot 也支持

ARM/XSCALE 平台。U-Boot 已经成为 ARM 平台事实上的标准 Bootloader。

 PowerPC

PowerPC 平台的处理器有标准的 Bootloader，就是 ppcboot。ppcboot 和 armboot 合并

创建了 U-Boot，成为各种体系结构开发板的通用引导程序。

 MIPS

MIPS 公司开发的 YAMON 是标准的 Bootloader，也有许多 MIPS 芯片商为自己的开发板写

了 Bootloader。现在，U-Boot 也已经支持 MIPS 平台。

 SH

SH 平台的标准 Bootloader 是 sh-boot。

 M68K

M68K 平台没有标准的 Bootloader。Redboot 能够支持 m68k 系列的系统。

2.1.3 Boot Loader 的安装媒介（Installation Medium）

系统加电或复位后，所有的 CPU 通常都从某个由 CPU 制造商预先安排的地址上取指

令。比如，基于 ARM9TDMI core 的 CPU 在复位时通常都从地址 0x00000000 取它的第一条

指令。而基于 CPU 构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备(比如：ROM、EEPROM

或 FLASH 等)被映射到这个预先安排的地址上。因此在系统加电后，CPU 将首先执行 Boot

Loader 程序。

下图 2-2 就是一个同时装有 Boot Loader、内核的启动参数、内核映像和根文件系统映

像的固态存储设备的典型空间分配结构图。

图 2-2 固态存储设备的典型空间分配结构

2.1.4 Boot Loader 的启动过程

通常多阶段的 BootLoader 能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性。从固态存储

设备上启动的 Boot Loader 大多都是 2 阶段的启动过程，也即启动过程可以分为 stage 1

和 stage 2 两部分。而至于在 stage 1 和 stage 2 具体完成哪些任务将在下一节中讨论。

2.1.5 Boot Loader 的操作模式

大多数 Boot Loader 都包含两种不同的操作模式："启动加载"模式和"下载"模式,这种

差别仅对于研发人员才有意义。但从最终用户的角度看，Boot Loader 的作用就是用来加载

操作系统，而并不存在所谓的启动加载模式和下载工作模式的差别。

启动加载模式：这种模式也称为"自主"（Autonomous）模式。也即 Boot Loader 从目标

机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到 RAM中运行，整个过程并没有用户的介入。这

种模式是 BootLoader 的正常工作模式，因此在嵌入式产品发布的时侯，BootLoader显然必

须工作在这种模式下。

下载模式：在这种模式下，目标机上的BootLoader将通过串口连接或网络连接等通信手

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段从主机（Host）下载文件，比如：下载内核映像和根文件系统映像，测试程序等。从主机

下载的文件通常首先被 BootLoader 保存到目标机的 RAM 中，然后再被 Boot Loader 写到

目标机上的FLASH 类固态存储设备中。BootLoader的这种模式通常在系统更新和第一次安装

内核和根文件系统时被使用；工作于这种模式下的BootLoader 通常都会向他的终端用户提

供一个简单的命令行接口。比如U-BOOT、VIVI等。

2.2 U-Boot 分析

2.2.1 了解 U-Boot

U-Boot（Universal Boot Loader）是遵循 GPL 协议的一个开源项目，通称为通用

Bootloader。

之所有将它称之为“通用”是因为它可以引导多种操作系统和支持大多数的 CPU 架构。

它所支持的常见操作系统：Linux、NetBSD、VxWorks 等，支持的 CPU 有：ARM、 AVR32、

Blackfin 、x86、NIOS、PowerPC 等。

读者可以从

http://sourceforge.net/projects/U-Boot

网站获取 U-Boot 源代码。同时在

使用中遇到问题，请读者多多思考，利用好网络资源来解决问题。

2.2.2 U-Boot 源代码结构

从网站上下载得到 U-Boot 源码包，例如：U-Boot-1.1.6.tar.bz2.解压就可以得到全

部 U-Boot 源程序。在顶层目录下有 18 个子目录，分别存放和管理不同的源程序。这些目录

中所要存放的文件有其规则，可以分为 3 类。

 第 1 类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关；

 第 2 类目录是一些通用的函数和驱动程序；

 第 3 类目录是 U-Boot 的应用程序、工具或者文档。

表 2-3 列出了 U-Boot 顶层目录下各级目录存放规则。

表 2-3 U-Boot 的源码顶层目录说明

目录特性解释说明

board 平台依赖

存放电路板相关的目录文件，例如：RPXlite(mpc8xx)、

smdk2410(arm920t)、sc520_cdp(x86) 等目录

cpu 平台依赖

存放 CPU 相关的目录文件，例如：mpc8xx、ppc4xx、arm720t、

arm920t、 xscale、i386 等目录

lib_ppc 平台依赖

存放对 PowerPC 体系结构通用的文件，主要用于实现 PowerPC

平台通用的函数

lib_arm 平台依赖

存放对 ARM 体系结构通用的文件，主要用于实现 ARM 平台通

用的函数

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2013-01-03

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