bootloader介绍
时间：2023-04-16 16:07:00
Bootloader
对于计算机系统来说，从启动到启动操作系统需要一个指导过程。Linux系统也离不开引导程序，称为引导程序Bootloader。
6.1.1 Bootloader介绍
Bootloader是操作系统运行前执行的小程序。通过这个小程序，我们可以初始化硬件设备，建立内存空间的映射表，从而建立适当的系统软硬件环境，为最终调用操作系统核心做好准备。
嵌入式系统，Bootloader基于特定的硬件平台。因此，几乎不可能为所有嵌入式系统建立一个通用系统Bootloader，不同的处理器结构不同Bootloader。Bootloader不但依赖于CPU系统结构依赖于嵌入式系统板级设备的配置。对于两个不同的嵌入式板，即使它们使用相同的处理器，它们也希望运行在一个板上Bootloader程序也可以在另一个板上运行，通常需要修改Bootloader的源程序。
反过来，大多数Bootloader还是有很多共性的，有的Bootloader嵌入式系统也可以支持多种系统结构。例如，U-Boot就同时支持PowerPC、ARM、MIPS和X86等系统结构，支持数百块板。通常，它们可以自动从存储介质中启动，引导操作系统启动，大多数可以支持串口和以太网接口。
本章将对各种Bootloader总结分类，分析它们的共同特征。U-Boot例如，详细讨论Bootloader设计与实现。
6.1.2 Bootloader的启动
Linux系统是通过Bootloader引导启动。一上电，就要执行Bootloader初始化系统。可以通过第四章Linux回顾启动过程框图。
所有系统加电或复位后CPU由处理器设计决定决定的地址开始。比如，X高地址端有86个复位向量，ARM处理器从地址0复位x取第一条指令。嵌入式系统的开发板应放在板上ROM或Flash映射到这个地址。所以，一定要把Bootloader相应地存储程序Flash位置。系统加电后，CPU将首先执行它。
主机和目标机之间通常有串口，Bootloader该软件通常通过串口输入输出。例如：输出错误或执行结果信息到串口终端，从串口终端读取用户控制命令等。
Bootloader启动过程通常是多阶段的，可以提供复杂的功能和良好的可移植性。例如：从Flash启动的Bootloader大部分是两个阶段的启动过程。从后面开始。U-Boot这一特征可以详细分析。
大多数Bootloader它们都包括两种不同的操作模式：本地加载模式和远程下载模式。这两种操作模式之间的只对开发人员有意义，即使用不同的启动模式。从最终用户的角度来看，Bootloader其功能是加载操作系统，没有所谓的本地加载模式和远程下载模式的区别。
因为Bootloader主要功能是引导操作系统启动，所以我们详细讨论了各种启动方法的特点。
1.网络启动模式
这样开发板就不需要配置大的存储介质，有点类似于无盘工作站。但在使用这种启动方法之前，需要使用它Bootloader安装在板上EPROM或者Flash中。Bootloader通过以太网接口远程下载Linux内核图像或文件系统。第四章介绍的交叉开发环境是通过网络启动建立的。这种方法对嵌入式系统的开发非常重要。
使用这种方法也有先决条件，即目标板有串口、以太网接口或其他连接方式。串口通常可以作为控制台下载内核图像和RAMDISK文件系统。串口通信传输速率过低，不适合挂接NFS文件系统。因此，以太网接口已成为一种通用的互连设备，一般开发板可配备10个M以太网接口。
对于PDA对于手持设备，以太网RJ-45接口更大，USB特别是接口USB迷你接口尺寸很小。对于开发的嵌入式系统，可以使用USB接口虚拟成以太网接口进行通信。这种方法需要驱动程序在开发主机和开发板的两端。
此外，还应在服务器上配置相关网络服务。Bootloader一般使用下载文件TFTP网络协议也可以通过DHCP动态配置模式IP地址。
DHCP/BOOTP服务为Bootloader分配IP在支持网络传输功能之前，配置网络参数。Bootloader网络参数可以直接设置，不用DHCP。
TFTP服务为Bootloader客户提供文件下载功能，将内核图像和其他文件放在/tftpboot目录下Bootloader通过简单TFTP协议远程下载内核图像到内存。
大多数引导程序都能支持网络启动。BIOS的PXE（Preboot Execution Environment）功能是网络启动模式；U-Boot也支持网络启动功能。
2.磁盘启动模式
传统的Linux该系统通常用于台式机或服务器上的系统BIOS并以磁盘作为存储介质进行引导。如果进入BIOS设置菜单，检测处理器、内存、硬盘等设备BIOS从软盘、光盘或硬盘开始。也就是说，BIOS操作系统不直接引导。所以在硬盘的主导区域，还需要一个Bootloader。这个Bootloader操作系统可以从磁盘文件系统中引导。
Linux传统上是通过LILO（LInux LOader）引导后来又出现了GNU的软件GRUB（GRand Unified Bootloader）。这2种Bootloader广泛应用在X86的Linux系统。您的开发主机可以使用其中一种，熟悉它们有助于配置多种系统指导功能。
LILO软件工程是由Werner Almesberger专门为指导而创建Linux开发的。现在LILO的维护者是John Coffman，下载站点的最新版本：http://lilo.go.dyndns.org。LILO例如，有详细的文档LILO套件中附带使用手册和参考手册。另外，还可以LDP的“LILO mini-HOWTO”中找到LILO使用指南。
GRUB是GNU计划的主要bootloader。GRUB最初是由Erich Boleyn为GNU Mach操作系统编写的指导程序。后来有Gordon Matzigkeit和Okuji Yoshinori接替Erich继续维护和开发工作GRUB。GRUB的网站http://www.gnu.org/software/grub/上面有套件使用的说明文件，称为《GRUB manual》。GRUB能够使用TFTP和BOOTP或者DHCP该功能通过网络启动，对系统开发过程非常有用。
除了传统的Linux除了系统上的引导程序外，还有一些其他的引导程序，也可以支持磁盘引导启动。LoadLin可以从DOS下启动Linux；还有ROLO、LinuxBIOS，U-Boot还支持此功能。
3．Flash启动方式
大多数嵌入式系统都使用Flash存储介质。Flash有很多类型，包括NOR Flash、NAND Flash还有其他半导体盘。NOR Flash(即线性Flash）最常用的使用。
NOR Flash可可以支持随机访问，因此代码可以直接访问Flash上执行的。Bootloader一般存储Flash芯片上的。Linux内核映像和RAMDISK也可以存储Flash上。通常需要把Flash使用分区时，每个区域的大小应该是Flash擦去块大小的整数倍
Bootloader一般放在Flash根据处理器的复位向量设置底部或顶部。Bootloader入口位于处理器上电执行第一条指令的位置。
接下来，参数区的分配可以作为Bootloader参数保存区。
下一步是内核图像区。Bootloader引导Linux内核是从这个地方解压内核图像RAM然后跳转到内核图像入口执行。
然后是文件系统区。如果使用。Ramdisk需要文件系统Bootloader把它解压到RAM中。如果使用JFFS2.文件系统将直接连接到根文件系统。这两个文件系统将在第12章中详细解释。
最后，根据实际需要，可以区分一些数据区Flash考虑大小。
开发者定义了这些分区，Bootloader一般直接读写相应的偏移地址。Linux可配置内核空间MTD设备来访问Flash分区。但是，有的Bootloader也支持分区的功能，例如：Redboot可以创建Flash分区表，内核MTD驱动可以分析redboot的分区表。
除了NOR Flash，还有NAND Flash、Compact Flash、DiskOnChip等。这些Flash芯片价格低，存储容量大。但这些芯片通常通过专用控制器使用I/O访问方式，不能随机访问，所以指导方法跟进NOR Flash也不同。在这些芯片上，需要配置特殊的指导程序。通常，这个引导程序开始的代码会复制整个引导程序RAM中间运行，从而实现自启动，类似于从磁盘上启动。
6.1.3 Bootloader的种类
世界上有各种各样的嵌入式系统Bootloader，分类的方法有很多。除了根据不同的处理器系统结构进行划分外，还具有不同的功能复杂性。
首先，区分Bootloader”和“Monitor”的概念。严格来说，严格来说，Bootloader只是指导设备并执行主程序的固件；Monitor还提供了更多的命令行接口，可以调试、阅读和写作内存、烧写Flash、配置环境变量等。“Monitor在嵌入式系统开发过程中，可以提供良好的调试功能。开发完成后，完全设置为Bootloader”。所以习惯上大家都把它们统称为Bootloader。
表6.1列出了Linux开放源代码指导程序及其支持的系统结构。表中给出X86 ARM PowerPC常用的系统结构引导程序，并注明每个引导程序是否Monitor”。
表6.1&nbs; 开放源码的Linux 引导程序
| Bootloader |
Monitor |
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 |
对于每种体系结构，都有一系列开放源码Bootloader可以选用。
（1）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Bootloader。不过Redhat Linux发行版已经使用了GRUB，GRUB比LILO有更有好的显示界面，使用配置也更加灵活方便。
在某些X86嵌入式单板机或者特殊设备上，会采用其他Bootloader，例如：ROLO。这些Bootloader可以取代BIOS的功能，能够从FLASH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。
（2）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的Bootloader。结果ARM bootloader也变得多种多样。最早有为ARM720处理器的开发板的固件，又有了armboot，StrongARM平台的blob，还有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。
（3）PowerPC
PowerPC平台的处理器有标准的Bootloader，就是ppcboot。PPCBOOT在合并armboot等之后，创建了U-Boot，成为各种体系结构开发板的通用引导程序。U-Boot仍然是PowerPC平台的主要Bootloader。
（4）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。
（5）SH
SH平台的标准Bootloader是sh-boot。Redboot在这种平台上也很好用。
（6）M68K
M68K平台没有标准的Bootloader。Redboot能够支持m68k系列的系统。
值得说明的是Redboot，它几乎能够支持所有的体系结构，包括MIPS、SH、M68K等体系结构。Redboot是以eCos为基础，采用GPL许可的开源软件工程。现在由core eCos的开发人员维护，源码下载网站是http://www.ecoscentric.com/snapshots。Redboot的文档也相当完善，有详细的使用手册《RedBoot User’s Guide》。
6.2.1 U-Boot工程简介
最早，DENX软件工程中心的Wolfgang Denk基于8xxrom的源码创建了PPCBOOT工程，并且不断添加处理器的支持。后来，Sysgo Gmbh把ppcboot移植到ARM平台上，创建了ARMboot工程。然后以ppcboot工程和armboot工程为基础，创建了U-Boot工程。
现在U-Boot已经能够支持PowerPC、ARM、X86、MIPS体系结构的上百种开发板，已经成为功能最多、灵活性最强并且开发最积极的开放源码Bootloader。目前仍然由DENX的Wolfgang Denk维护。
U-Boot的源码包可以从sourceforge网站下载，还可以订阅该网站活跃的U-Boot Users邮件论坛，这个邮件论坛对于U-Boot的开发和使用都很有帮助。
U-Boot软件包下载网站：http://sourceforge.net/project/u-boot。
U-Boot邮件列表网站：http://lists.sourceforge.net/lists/listinfo/u-boot-users/。
DENX相关的网站：http://www.denx.de/re/DPLG.html。
6.2.2 U-Boot源码结构
从网站上下载得到U-Boot源码包，例如：U-Boot-1.1.2.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或者驱动程序；
· 第3类目录是U-Boot的应用程序、工具或者文档。
表6.2列出了U-Boot顶层目录下各级目录存放原则。
表6.2 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 |
| 目 录 |
特 性 |
解 释 说 明 |
| 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 |
| lib_i386 |
平台依赖 |
存放对X86体系结构通用的文件，主要用于实现X86平台通用的函数 |
| include |
通用 |
头文件和开发板配置文件，所有开发板的配置文件都在configs目录下 |
| common |
通用 |
通用的多功能函数实现 |
| lib_generic |
通用 |
通用库函数的实现 |
| Net |
通用 |
存放网络的程序 |
| Fs |
通用 |
存放文件系统的程序 |
| Post |
通用 |
存放上电自检程序 |
| drivers |
通用 |
通用的设备驱动程序，主要有以太网接口的驱动 |
| Disk |
通用 |
硬盘接口程序 |
| Rtc |
通用 |
RTC的驱动程序 |
| Dtt |
通用 |
数字温度测量器或者传感器的驱动 |
| examples |
应用例程 |
一些独立运行的应用程序的例子，例如helloworld |
| tools |
工具 |
存放制作S-Record 或者 U-Boot格式的映像等工具，例如mkimage |
| Doc |
文档 |
开发使用文档 |
U-Boot的源代码包含对几十种处理器、数百种开发板的支持。可是对于特定的开发板，配置编译过程只需要其中部分程序。这里具体以S3C2410 arm920t处理器为例，具体分析S3C2410处理器和开发板所依赖的程序，以及U-Boot的通用函数和工具。
6.2.3 U-Boot的编译
U-Boot的源码是通过GCC和Makefile组织编译的。顶层目录下的Makefile首先可以设置开发板的定义，然后递归地调用各级子目录下的Makefile，最后把编译过的程序链接成U-Boot映像。
1．顶层目录下的Makefile
它负责U-Boot整体配置编译。按照配置的顺序阅读其中关键的几行。
每一种开发板在Makefile都需要有板子配置的定义。例如smdk2410开发板的定义如下。
smdk2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0
执行配置U-Boot的命令make smdk2410_config，通过./mkconfig脚本生成include/config.
mk的配置文件。文件内容正是根据Makefile对开发板的配置生成的。
ARCH = arm
CPU = arm920t
BOARD = smdk2410
SOC = s3c24x0
上面的include/config.mk文件定义了ARCH、CPU、BOARD、SOC这些变量。这样硬件平台依赖的目录文件可以根据这些定义来确定。SMDK2410平台相关目录如下。
board/smdk2410/
cpu/arm920t/
cpu/arm920t/s3c24x0/
lib_arm/
include/asm-arm/
include/configs/smdk2410.h
再回到顶层目录的Makefile文件开始的部分，其中下列几行包含了这些变量的定义。
# load ARCH, BOARD, and CPU configuration
include include/config.mk
export ARCH CPU BOARD VENDOR SOC
Makefile的编译选项和规则在顶层目录的config.mk文件中定义。各种体系结构通用的规则直接在这个文件中定义。通过ARCH、CPU、BOARD、SOC等变量为不同硬件平台定义不同选项。不同体系结构的规则分别包含在ppc_config.mk、arm_config.mk、mips_config.mk等文件中。
顶层目录的Makefile中还要定义交叉编译器，以及编译U-Boot所依赖的目标文件。
ifeq ($(ARCH),arm)
CROSS_COMPILE = arm-linux- //交叉编译器的前缀
#endif
export CROSS_COMPILE
…
# U-Boot objects....order is important (i.e. start must be first)
OBJS = cpu/$(CPU)/start.o //处理器相关的目标文件
…
LIBS = lib_generic/libgeneric.a //定义依赖的目录，每个目录下先把目标文件连接成*.a文件。
LIBS += board/$(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
…
然后还有U-Boot映像编译的依赖关系。
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缺省的编译目标为all，包括u-boot.srec、u-boot.bin、System.map。u-boot.srec和u-boot.bin又依赖于U-Boot。U-Boot就是通过ld命令按照u-boot.map地址表把目标文件组装成u-boot。
其他Makefile内容就不再详细分析了，上述代码分析应该可以为阅读代码提供了一个线索。
2．开发板配置头文件
除了编译过程Makefile以外，还要在程序中为开发板定义配置选项或者参数。这个头文件是include/configs/
这个头文件中主要定义了两类变量。
一类是选项，前缀是CONFIG_，用来选择处理器、设备接口、命令、属性等。例如：
#define CONFIG_ARM920T 1
#define CONFIG_DRIVER_CS8900 1
另一类是参数，前缀是CFG_，用来定义总线频率、串口波特率、Flash地址等参数。例如：
#define CFG_FLASH_BASE 0x00000000
#define CFG_PROMPT "=>"
3．编译结果
根据对Makefile的分析，编译分为2步。第1步配置，例如：make smdk2410_config；第2步编译，执行make就可以了。
编译完成后，可以得到U-Boot各种格式的映像文件和符号表，如表6.3所示。
表6.3 U-Boot编译生成的映像文件
| 文 件 名 称 |
说 明 |
文 件 名 称 |
说 明 |
| System.map |
U-Boot映像的符号表 |
u-boot.bin |
U-Boot映像原始的二进制格式 |
| u-boot |
U-Boot映像的ELF格式 |
u-boot.srec |
U-Boot映像的S-Record格式 |
U-Boot的3种映像格式都可以烧写到Flash中，但需要看加载器能否识别这些格式。一般u-boot.bin最为常用，直接按照二进制格式下载，并且按照绝对地址烧写到Flash中就可以了。U-Boot和u-boot.srec格式映像都自带定位信息。
4．U-Boot工具
在tools目录下还有些U-Boot的工具。这些工具有的也经常用到。表6.4说明了几种工具的用途。
表6.4 U-Boot的工具
| 工 具 名 称 |
说 明 |
工 具 名 称 |
说 明 |
| bmp_logo |
制作标记的位图结构体 |
img2srec |
转换SREC格式映像 |
| envcrc |
校验u-boot内部嵌入的环境变量 |
mkimage |
转换U-Boot格式映像 |
| gen_eth_addr |
生成以太网接口MAC地址 |
updater |
U-Boot自动更新升级工具 |
这些工具都有源代码，可以参考改写其他工具。其中mkimage是很常用的一个工具，Linux内核映像和ramdisk文件系统映像都可以转换成U-Boot的格式。
6.2.4 U-Boot的移植
U-Boot能够支持多种体系结构的处理器，支持的开发板也越来越多。因为Bootloader是完全依赖硬件平台的，所以在新电路板上需要移植U-Boot程序。
开始移植U-Boot之前，先要熟悉硬件电路板和处理器。确认U-Boot是否已经支持新开发板的处理器和I/O设备。假如U-Boot已经支持一块非常相似的电路板，那么移植的过程将非常简单。
移植U-Boot工作就是添加开发板硬件相关的文件、配置选项，然后配置编译。
开始移植之前，需要先分析一下U-Boot已经支持的开发板，比较出硬件配置最接近的开发板。选择的原则是，首先处理器相同，其次处理器体系结构相同，然后是以太网接口等外围接口。还要验证一下这个参考开发板的U-Boot，至少能够配置编译通过。
以S3C2410处理器的开发板为例，U-Boot-1.1.2版本已经支持SMDK2410开发板。我们可以基于SMDK2410移植，那么先把SMDK2410编译通过。
我们以S3C2410开发板fs2410为例说明。移植的过程参考SMDK2410开发板，SMDK2410在U-Boot-1.1.2中已经支持。
移植U-Boot的基本步骤如下。
（1）在顶层Makefile中为开发板添加新的配置选项，使用已有的配置项目为例。
smdk2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0
参考上面2行，添加下面2行。
fs2410_config : unconfig
@./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t fs2410 NULL s3c24x0
（2）创建一个新目录存放开发板相关的代码，并且添加文件。
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）为开发板添加新的配置文件
可以先复制参考开发板的配置文件，再修改。例如：
$cp include/configs/smdk2410.h include/configs/fs2410.h
如果是为一颗新的CPU移植，还要创建一个新的目录存放CPU相关的代码。
（4）配置开发板
$ make fs2410_config
（5）编译U-Boot
执行make命令，编译成功可以得到U-Boot映像。有些错误是跟配置选项是有关系的，通常打开某些功能选项会带来一些错误，一开始可以尽量跟参考板配置相同。
（6）添加驱动或者功能选项
在能够编译通过的基础上，还要实现U-Boot的以太网接口、Flash擦写等功能。
对于FS2410开发板的以太网驱动和smdk2410完全相同，所以可以直接使用。CS8900驱动程序文件如下。
drivers/cs8900.c
drivers/cs8900.h
对于Flash的选择就麻烦多了，Flash芯片价格或者采购方面的因素都有影响。多数开发板大小、型号不都相同。所以还需要移植Flash的驱动。每种开发板目录下一般都有flash.c这个文件，需要根据具体的Flash类型修改。例如：
board/fs2410/flash.c
（7）调试U-Boot源代码，直到U-Boot在开发板上能够正常启动。
调试的过程可能是很艰难的，需要借助工具，并且有些问题可能困扰很长时间。
6.2.5 添加U-Boot命令
U-Boot的命令为用户提供了交互功能，并且已经实现了几十个常用的命令。如果开发板需要很特殊的操作，可以添加新的U-Boot命令。
U-Boot的每一个命令都是通过U_Boot_CMD宏定义的。这个宏在include/command.h头文件中定义，每一个命令定义一个cmd_tbl_t结构体。
#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}
这样每一个U-Boot命令有一个结构体来描述。结构体包含的成员变量：命令名称、最大参数个数、重复数、命令执行函数、用法、帮助。
从控制台输入的命令是由common/command.c中的程序解释执行的。find_cmd()负责匹配输入的命令，从列表中找出对应的命令结构体。
基于U-Boot命令的基本框架，来分析一下简单的icache操作命令，就可以知道添加新命令的方法。
（1）定义CACHE命令。在include/cmd_confdefs.h中定义了所有U-Boot命令的标志位。
#define CFG_CMD_CACHE 0x00000010ULL /* icache, dcache */
如果有更多的命令，也要在这里添加定义。
（2）实现CACHE命令的操作函数。下面是common/cmd_cache.c文件中icache命令部分的代码。
#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_CACHE)
static int on_off (const char *s)
{ //这个函数解析参数，判断是打开cache，还是关闭cache
if (strcmp(s, "on") == 0) { //参数为“on”
return (1);
} else if (strcmp(s, "off") == 0) { //参数为“off”
return (0);
}
return (-1);
}
int do_icache ( cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])
{ //对指令cache的操作函数
switch (argc) {
case 2: /* 参数个数为1，则执行打开或者关闭指令cache操作 */
switch (on_off(argv[1])) {
case 0: icache_disable(); //打开指令cache
break;
case 1: icache_enable (); //关闭指令cache
break;
}
/* FALL TROUGH */
case 1: /* 参数个数为0，则获取指令cache状态*/
printf ("Instruction Cache is %s/n",
icache_status() ? "ON" : "OFF");
return 0;
default: //其他缺省情况下，打印命令使用说明
printf ("Usage:/n%s/n", cmdtp->usage);
return 1;
}
return 0;
}
……
U_Boot_CMD( //通过宏定义命令
icache, 2, 1, do_icache, //命令为icache，命令执行函数为do_icache()
"icache - enable or disable instruction cache/n", //帮助信息
"[on, off]/n"
" - enable or disable instruction cache/n"
);
……
#endif
U-Boot的命令都是通过结构体__U_Boot_cmd_##name来描述的。根据U_Boot_CMD在include/command.h中的两行定义可以明白。
#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}
还有，不要忘了在common/Makefile中添加编译的目标文件。
（3）打开CONFIG_COMMANDS选项的命令标志位。这个程序文件开头有#if语句需要预处理是否包含这个命令函数。CONFIG_COMMANDS选项在开发板的配置文件中定义。例如：SMDK2410平台在include/configs/smdk2410.h中有如下定义。
/***********************************************************
* Command definition
***********************************************************/
#define CONFIG_COMMANDS /
(CONFIG_CMD_DFL | /
CFG_CMD_CACHE | /
CFG_CMD_REGINFO | /
CFG_CMD_DATE | /
CFG_CMD_ELF)
按照这3步，就可以添加新的U-Boot命令。
6.3 U-Boot的调试
新移植的U-Boot不能正常工作，这时就需要调试了。调试U-Boot离不开工具，只有理解U-Boot启动过程，才能正确地调试U-Boot源码。
6.3.1 硬件调试器
硬件电路板制作完成以后，这时上面还没有任何程序，就叫作裸板。首要的工作是把程序或者固件加载到裸板上，这就要通过硬件工具来完成。习惯上，这种硬件工具叫作仿真器。
仿真器可以通过处理器的JTAG等接口控制板子，直接把程序下载到目标板内存，或者进行Flash编程。如果板上的Flash是可以拔插的，就可以通过专用的Flash烧写器来完成。在第4章介绍过目标板跟主机之间的连接，其中JTAG等接口就是专门用来连接仿真器的。
仿真器还有一个重要的功能就是在线调试程序，这对于调试Bootloader和硬件测试程序很有用。
从最简单的JTAG电缆，到ICE仿真器，再到可以调试Linux内核的仿真器。
复杂的仿真器可以支持与计算机间的以太网或者USB接口通信。
对于U-Boot的调试，可以采用BDI2000。BDI2000完全可以反汇编地跟踪Flash中的程序，也可以进行源码级的调试。
使用BDI2000调试U-boot的方法如下。
（1）配置BDI2000和目标板初始化程序，连接目标板。
（2）添加U-Boot的调试编译选项，重新编译。
U-Boot的程序代码是位置相关的，调试的时候尽量在内存中调试，可以修改连接定位地址TEXT_BASE。TEXT_BASE在board/
另外，如果有复位向量也需要先从链接脚本中去掉。链接脚本是board/
u-boot.lds。
添加调试选项，在config.mk文件中查找，DBGFLAGS，加上-g选项。然后重新编译U-Boot。
（3）下载U-Boot到目标板内存。
通过BDI2000的下载命令LOAD，把程序加载到目标板内存中。然后跳转到U-Boot入口。
（4）启动GDB调试。
启动GDB调试，这里是交叉调试的GDB。GDB与BDI2000建立链接，然后就可以设置断点执行了。
$ arm-linux-gdb u-boot
(gdb)target remote 192.168.1.100:2001
(gdb)stepi
(gdb)b start_armboot
(gdb)c
6.3.2 软件跟踪
假如U-Boot没有任何串口打印信息，手头又没有硬件调试工具，那样怎么知道U-Boot执行到什么地方了呢？可以通过开发板上的LED指示灯判断。
开发板上最好设计安装八段数码管等LED，可以用来显示数字或者数字位。
U-Boot可以定义函数show_boot_progress (int status)，用来指示当前启动进度。在include/common.h头文件中声明这个函数。
#ifdef CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS
void show_boot_progress (int status);
#endif
CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS是需要定义的。这个在板子配置的头文件中定义。CSB226开发板对这项功能有完整实现，可以参考。在头文件include/configs/csb226.h中，有下列一行。
#define CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS 1
函数show_boot_progress (int status)的实现跟开发板关系密切，所以一般在board目录下的文件中实现。看一下CSB226在board/csb226/csb226.c中的实现函数。
/** 设置CSB226板的0、1、2三个指示灯的开关状态
* 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;
}
/** 显示启动进度函数，在比较重要的阶段，设置三个灯为亮的状态（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;
}
这样，在U-Boot启动过程中就可以通过show_boot_progresss指示执行进度。比如hang()函数是系统出错时调用的函数，这里需要根据特定的开发板给定显示的参数值。
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启动过程
尽管有了调试跟踪手段，甚至也可以通过串口打印信息了，但是不一定能够判断出错原因。如果能够充分理解代码的启动流程，那么对准确地解决和分析问题很有帮助。
开发板上电后，执行U-Boot的第一条指令，然后顺序执行U-Boot启动函数。函数调用顺序如图6.3所示。
看一下board/smsk2410/u-boot.lds这个链接脚本，可以知道目标程序的各部分链接顺序。第一个要链接的是cpu/arm920t/start.o，那么U-Boot的入口指令一定位于这个程序中。下面详细分析一下程序跳转和函数的调用关系以及函数实现。
1．cpu/arm920t/start.S
这个汇编程序是U-Boot的入口程序，开头就是复位向量的代码。
_start: b reset //复位向量
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq //中断向量
ldr pc, _fiq //中断向量
…
/* the actual reset code */
reset: //复位启动子程序
/* 设置CPU为SVC32模式 */
mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0xd3
msr cpsr,r0
/* 关闭看门狗 */
/* 这些初始化代码在系统重起的时候执行，运行时热复位从RAM中启动不执行 */
#ifdef CONFIG_INIT_CRITICAL
bl cpu_init_crit
#endif
relocate: /* 把U-Boot重新定位到RAM */
adr r0, _start /* r0是代码的当前位置 */
ldr r1, _TEXT_BASE /* 测试判断是从Flash启动，还是RAM */
cmp r0, r1 /* 比较r0和r1，调试的时候不要执行重定位 */
beq stack_setup /* 如果r0等于r1，跳过重定位代码 */
/* 准备重新定位代码 */
ldr r2, _armboot_start
ldr r3, _bss_start
sub r2, r3, r2 /* r2 得到armboot的大小 */
add r2, r0, r2 /* r2 得到要复制代码的末尾地址 */
copy_loop: /* 重新定位代码 */
ldmia r0!, {r3-r10} /*从源地址[r0]复制 */
stmia r1!, {r3-r10} /* 复制到目的地址[r1] */
cmp r0, r2 /* 复制数据块直到源数据末尾地址[r2] */
ble copy_loop
/* 初始化堆栈等 */
stack_setup:
ldr r0, _TEXT_BASE /* 上面是128 KiB重定位的u-boot */
sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* 向下是内存分配空间 */
sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* 然后是bdinfo结构体地址空间 */
#ifdef CONFIG_USE_IRQ
sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif
sub sp, r0, #12 /* 为abort-stack预留3个字 */
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段地址空间清零循环... */
add r0, r0, #4
cmp r0, r1
bne clbss_l
/* 跳转到start_armboot函数入口，_start_armboot字保存函数入口指针 */
ldr pc, _start_armboot
_start_armboot: .word start_armboot //start_armboot函数在lib_arm/board.c中实现
/* 关键的初始化子程序 */
cpu_init_crit:
…… //初始化CACHE，关闭MMU等操作指令
/* 初始化RAM时钟。
* 因为内存时钟是依赖开发板硬件的，所以在board的相应目录下可以找到memsetup.S文件。
*/
mov ip, lr
bl memsetup //memsetup子程序在board/smdk2410/memsetup.S中实现
mov lr, ip
mov pc, lr
2．lib_arm/board.c
start_armboot是U-Boot执行的第一个C语言函数，完成系统初始化工作，进入主循环，处理用户输入的命令。
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;
/* 顺序执行init_sequence数组中的初始化函数 */
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链接脚本中定义 */
mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);
/* 配置环境变量，重新定位 */
env_relocate ();
/* 从环境变量中获取IP地址 */
gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");
/* 以太网接口MAC 地址 */
……
devices_init (); /* 获取列表中的设备 */
jumptable_init ();
console_init_r (); /* 完整地初始化控制台设备 */
enable_interrupts (); /* 使能例外处理 */
/* 通过环境变量初始化 */
if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
}
/* main_loop()总是试图自动启动，循环不断执行 */
for (;;) {
main_loop (); /* 主循环函数处理执行用户命令 -- common/main.c */
}
/* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */
}
3．init_sequence[]
init_sequence[]数组保存着基本的初始化函数指针。这些函数名称和实现的程序文件在下列注释中。
init_fnc_t *init_sequence[] = {
cpu_init, /* 基本的处理器相关配置 -- cpu/arm920t/cpu.c */
board_init, /* 基本的板级相关配置 -- board/smdk2410/smdk2410.c */
interrupt_init, /* 初始化例外处理 -- cpu/arm920t/s3c24x0/interrupt.c */
env_init, /* 初始化环境变量 -- common/cmd_flash.c */
init_baudrate, /* 初始化波特率设置 -- lib_arm/board.c */
serial_init, /* 串口通讯设置 -- cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c */
console_init_f, /* 控制台初始化阶段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, /* 显示RAM的配置大小 -- lib_arm/board.c */
NULL,
};
6.3.4 U-Boot与内核的关系
U-Boot作为Bootloader，具备多种引导内核启动的方式。常用的go和bootm命令可以直接引导内核映像启动。U-Boot与内核的关系主要是内核启动过程中参数的传递。
1．go命令的实现
/* 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) {
