Linux内核驱动（一）U-Boot

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一、Bootloader简介及工作模式

Bootloader是系统上电后第一个运行的代码，通过Bootloader进行引导内核，挂载根文件系统。U-Boot是一个通用的免费开放源码的Bootloader程序。

Bootloader是基于特定硬件平台来实现的，不同的处理器架构都有不同的Bootloader，Bootloader不但依赖于cpu的体系结构，还依赖于嵌入式系统板级设备的配置。对于2块不同的板子而言，即使他们使用的是相同的处理器，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，一般也需要修改Bootloader的源程序。

U-Boot的工作模式有启动加载模式（自主模式）和下载模式（开发模式）。启动加载模式是Bootloader的正常工作模式，嵌入式产品发布时，Bootloader必须工作在这种模式下，Bootloader将嵌入式操作系统从FLASH中加载到SDRAM中运行，整个过程是自动的。下载模式就是Bootloader通过某些通信手段将内核映像或根文件系统映像等从PC机中下载到目标板的FLASH中。用户可以利用Bootloader提供的一些命令接口来完成自己想要的操作。

一个嵌入式的存储设备通过通常包括四个分区：

第一分区：存放u-boot

第二个分区：存放着u-boot要传给系统内核的参数

第三个分区：是系统内核（kernel）

第四个分区：是根文件系统

如图所示：

二、Bootloader启动（以6410为例）

 

这张表（S3C6410X芯片手册03-SystemController  P123）列出了S3C6410所支持的几种启动模式。首先介绍一下和启动模式相关的硬件管脚：

OM[4:0]：选择启动设备及时钟源。OM[0]为0选择XXTlpll，为1选择XEXTCLK。

GPN[15:13]：用于识别所支持的Nandflash的类型，包括Page的类型和地址周期。

XSELNAND：选择Nand启动或者是OneNand启动。0为OneNand，1为Nand。

从表中可以看出，S3C6410好像并不支持Nandflash启动，因为Boot Device中没有Nandflash设备。当OM[4:0]为0000x/0001x/0010x/0011x的时候，Boot Device是Reserved。

在S3C6400 User Manual中也有这么一张表，描述了s3c6400的启动模式，具体S3C6400的启动模式也是在第3章System Controller，在第107页的表，如图：

 

 

和S3C6410的表对照一下就会发现，两个处理器的启动模式是兼容的，所以S3C6410应该兼容S3C6400的启动模式，只不过Samsung在S3C6410 User Manual中隐藏了S3C6400中所支持Nandflash启动模式，目的可能是Samsung不希望在S3C6410中使用Nandflash启动，而要推崇IROM的启动模式。

下面总结一下S3C6410所支持的启动模式：

1. NOR Flash启动

通过Nor Flash启动，此时OM[4:1]为0100或0101，对应8bit和16bit。

2. Nand Flash启动

虽然在S3C6410 User Manual中没有提到，但是也是支持的，从S3C6400 User Manual可以找到。OM[4:1]四个硬件管脚决定了Nandflash启动，以及支持的Nandflash的类型，包括大Page和小Page，地址周期为3，4，5。当然，XSELNAND管脚也要为1。

3. OneNAND启动

首先XSELNAND管脚为0，其次OM[4:1]为0110，为OneNand启动模式。

4. MODEM启动

当OM[4:1]为0111的时候，为MODEM启动。S3C6410通过MODEM接口下载boot代码到内部RAM中，然后进行引导。

5. IROM启动

当OM[4:1]为1111的时候，从Internal ROM中启动，此时GPN[15:13]用于识别设备的类型。这种模式以前没见过，这里具体介绍一下。

IROM模式可以支持MoviNand，SD/MMC，iNand，OneNand和Nand等。关于IROM的引导，具体过程如图：

 

步骤：

（1） 处理器上电后，当OM[4:1]=1111时，运行iROM中的程序，这个程序被称为Bootloader0(BL0)，它会做一些初始化的工作。

（2） 然后根据GPN[15:13]的管脚设置，iROM程序选择从相应的设备好(SD/MMC/OneNand/Nand)中的指定区域读取4KB的程序到SteppingStone中运行，这段代码被称为Bootloader1(BL1)。

（3）BL1可以初始化系统时钟，UART，SDRAM等设备，然后拷贝Bootloader2(BL2)到SDRAM中。

（4）跳转到SDRAM中的BL2，继续运行，BL2可以支持更强大的功能，可以将OS加载到SDRAM中，然后运行OS。

整个过程中，IROM是最先被运行的，它会首先做一些初始化，具体IROM的流程如下：

a. 禁用Watch-dog

b. 初始化TCM

c. 初始化设备拷贝函数，用于拷贝BL1到SteppingStone中

d. 初始化栈区域

e. 初始化PLL

f. 初始化指令Cache

g. 初始化堆区域

h. 拷贝BL1到SteppingStone中

i. 验证BL1

j. 跳转到SteppingStone中运行

 

从硬件电路来看，OK6410是通过一个八位拨码开关来实现S3C6410启动模式的选择的。 其中EINT13-EINT15 分别接到S3C6410的GPN13-GPN15脚，用于识别所支持的Nandflash的类型，包括Page的类型和地址周期

NAND Flash启动

 

NAND flash启动选择的是：0011，支持的NAND flash为大页，周期为5

SD卡启动

 

 

总结，Bootloader的启动方式主要有网络启动方式、磁盘启动方式和Flash启动方式。

1、网络启动方式

图1  Bootloader网络启动方式示意图

如图1所示，里面主机和目标板，他们中间通过网络来连接，首先目标板的DHCP/BIOS通过BOOTP服务来为Bootloader分配IP地址，配置网络参数，这样才能支持网络传输功能。我们使用的u-boot可以直接设置网络参数，因此这里就不用使用DHCP的方式动态分配IP了。接下来目标板的Bootloader通过TFTP服务将内核映像下载到目标板上，然后通过网络文件系统来建立主机与目标板之间的文件通信过程，之后的系统更新通常也是使用Boot Loader的这种工作模式。工作于这种模式下的Boot Loader通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。

2、磁盘启动方式

这种方式主要是用在台式机和服务器上的，这些计算机都使用BIOS引导，并且使用磁盘作为存储介质，这里面两个重要的用来启动linux的有LILO和GRUB，这里就不再具体说明了。

3、Flash启动方式

这是我们最常用的方式。Flash有NOR Flash和NAND Flash两种。NOR Flash可以支持随机访问，所以代码可以直接在Flash上执行，Bootloader一般是存储在Flash芯片上的。另外Flash上还存储着参数、内核映像和文件系统。这种启动方式与网络启动方式之间的不同之处就在于，在网络启动方式中，内核映像和文件系统首先是放在主机上的，然后经过网络传输下载进目标板的，而这种启动方式中内核映像和文件系统则直接是放在Flash中的，这两点在我们u-boot的使用过程中都用到了。