安昱昕，杜 彬，田 彬

（陜西重型汽車(chē)有限公司汽車(chē)工程研究院，陜西 西安 710200）

隨著域、集中式車(chē)載電子電器架構(gòu)的發(fā)展，基于SoC芯片的車(chē)載控制器及車(chē)用操作系統(tǒng)研發(fā)成為構(gòu)建域、集中式電子電器架構(gòu)軟硬件平臺(tái)的落地方向，而引導(dǎo)加載程序是車(chē)用操作系統(tǒng)加載運(yùn)行的必要組成，U-Boot作為主流的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核引導(dǎo)加載程序，其穩(wěn)定性、易移植性已被廣泛驗(yàn)證。本文介紹了基于G9-X芯片，移植U-Boot引導(dǎo)加載程序的方法，為車(chē)用操作系統(tǒng)移植以及后續(xù)軟件開(kāi)發(fā)工作提供參考。

1 U-Boot介紹

1.1 U-Boot作用及原理

U-Boot負(fù)責(zé)啟動(dòng)操作系統(tǒng)內(nèi)核，并向內(nèi)核傳遞根文件系統(tǒng)路徑、網(wǎng)絡(luò)配置信息、內(nèi)存地址等重要參數(shù)。U-Boot設(shè)計(jì)目的在于滿(mǎn)足多平臺(tái)通用性，通過(guò)抽取不同硬件平臺(tái)系統(tǒng)啟動(dòng)的共性特征，形成一套平臺(tái)通用引導(dǎo)系統(tǒng)架構(gòu)。各個(gè)芯片廠(chǎng)商根據(jù)自己芯片特性進(jìn)一步完成引導(dǎo)系統(tǒng)的定制化開(kāi)發(fā)或移植，提高開(kāi)發(fā)效率同時(shí)減少開(kāi)發(fā)成本。

1.2 U-Boot啟動(dòng)流程

U-Boot啟動(dòng)流程主要分為兩個(gè)階段：CPU初始化和目標(biāo)板初始化。CPU初始化階段中通過(guò)匯編語(yǔ)言初始化SoC芯片相關(guān)硬件，如設(shè)置CPU模式、關(guān)閉MMU、初始化DDR和時(shí)鐘等，以及準(zhǔn)備C語(yǔ)言運(yùn)行環(huán)境。在準(zhǔn)備好C語(yǔ)言運(yùn)行環(huán)境后，CPU便可以處理C程序了，這時(shí)如初始化目標(biāo)板外設(shè)，檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射，啟動(dòng)內(nèi)核等C程序?qū)⒈贿\(yùn)行，如圖1所示。

圖1 U-Boot啟動(dòng)流程

2 U-Boot移植流程

2.1 編譯環(huán)境搭建

由于SoC芯片平臺(tái)與PC平臺(tái)芯片架構(gòu)不同，需要在PC平臺(tái)搭建SoC平臺(tái)的編譯環(huán)境完成系統(tǒng)編譯，編譯后的鏡像燒錄到目標(biāo)板中運(yùn)行。本文采用基于ARM內(nèi)核SoC芯片，交叉編譯工具使用ARM官方提供的arm-linux-gcc編譯工具，并在Linux系統(tǒng)下完成交叉編譯環(huán)境的構(gòu)建。

2.2 移植文件介紹

本文基于DENX官方U-Boot2016-3完成SoC芯片適配和目標(biāo)板適配。參考第1.2節(jié)U-Boot啟動(dòng)流程，U-Boot主要分為兩類(lèi)文件：芯片啟動(dòng)文件和目標(biāo)板描述文件，主要包含UBoot官方提供的已適配芯片平臺(tái)和目標(biāo)板文件，如圖2所示。

圖2 U-Boot文件目錄

arch/、board/、drivers/這3個(gè)文件目錄包括芯片、目標(biāo)板相關(guān)信息，U-Boot移植主要工作是在這3個(gè)目錄下添加芯片及目標(biāo)板適配程序和配置文件等，見(jiàn)表1。

表1 芯片及目標(biāo)板相關(guān)文件目錄

2.3 移植步驟介紹

芯片適配主要完成SoC芯片內(nèi)核架構(gòu)適配以確保內(nèi)核完成初始化、程序自拷貝、啟動(dòng)運(yùn)行等一系列的工作。本文所適配的控制器芯片為ARM架構(gòu)，U-Boot提供了完整的適配程序，我們可將相應(yīng)內(nèi)核目錄下Kconfig文件中內(nèi)核名應(yīng)用到目標(biāo)板適配的配置文件中即可。

對(duì)于目標(biāo)板適配，是將目標(biāo)板所用的SoC芯片外設(shè)信息數(shù)據(jù)配置到U-Boot程序中，主要有以下步驟。

1）在board/目標(biāo)板目錄下創(chuàng)建目標(biāo)板目錄，包括Kconfig、Maintainers、Makefile以及${boardname}.c程序4種文件，如圖3所示。

圖3 board/目錄下文件

其中，Makefile文件中加入指定編譯對(duì)象文件：

MAINTAINERS中添加指定配置相關(guān)文件目錄：

Kconfig中添加配置編譯信息：

myboard.c程序中主要負(fù)責(zé)分配外設(shè)GPIO接口，以及完成驅(qū)動(dòng)初始化工作，如I2C、EMMC、USB等，在其中加入初始化程序以及GPIO配置宏定義。

2）在include/configs目錄下新建目標(biāo)板配置頭文件${boardname}.h，通過(guò)宏定義存放配置信息，這里創(chuàng)建myboard.h文件：

通過(guò)宏定義配置啟動(dòng)boot地址、串口波特率、Fuses、GPIO、文件系統(tǒng)支持等，添加以下配置選項(xiàng)。

此外，根據(jù)需要使用的外設(shè)完成配置項(xiàng)，表示使用該外設(shè)，如以太網(wǎng)、MMC、I2C、USB等，也包括U-Boot默認(rèn)環(huán)境變量的定義，添加如以下配置選項(xiàng)：

3）根據(jù)CPU架構(gòu)，在arch/各級(jí)目錄下（表1）Kconfig文件中添加目標(biāo)板配置信息，arch/下Kconfig中添加CPU和目標(biāo)板配置信息、設(shè)備信息和編譯頭文件名稱(chēng)，并將第一級(jí)配置信息名稱(chēng)添加到defconfig文件中，常用配置關(guān)鍵字如表2所示。

表2 Kconfig關(guān)鍵字

根據(jù)本文芯片架構(gòu)，調(diào)用ARMv8目錄的所有程序，以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型程序，添加配置信息如下：config TARGET_MYBOARD

4）在configs/目錄下新建defconfig配置文件，存放各級(jí)Kconfig的具體配置：

myboard_defconfig文件中配置項(xiàng)用于確定Kconfig中哪些配置項(xiàng)被激活，即最終編譯哪些文件，本文采用芯片基于ARM架構(gòu)，并已構(gòu)建目標(biāo)板配置文件myboard.h，以及在arch/Kconfig中完成配置信息聲明，如使用新添加的

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

完成移植后，根目錄下執(zhí)行命令配置編譯目標(biāo)設(shè)備并開(kāi)始編譯：

通過(guò)交叉編譯環(huán)境完成U-Boot鏡像編譯后，使用燒錄工具將鏡像燒錄到SD卡中。如圖4所示，編譯生成的u-boot.bin為燒錄所需的鏡像文件，一般芯片啟動(dòng)會(huì)需要如校驗(yàn)等具有固定格式數(shù)據(jù)信息，所以只燒錄u-boot.bin通常無(wú)法成功啟動(dòng)U-Boot。根據(jù)芯片手冊(cè)定義的芯片啟動(dòng)數(shù)據(jù)格式，將數(shù)據(jù)按格式要求添加到SD卡中，保證SD卡燒錄的所有數(shù)據(jù)能夠正確啟動(dòng)芯片。

圖4 U-Boot編譯結(jié)果

燒錄鏡像前通過(guò)fdisk命令對(duì)SD卡分區(qū)，并通過(guò)mkfs.vfat命令格式化分區(qū)。本文通過(guò)dd命令將鏡像拷貝到SD卡中，根據(jù)芯片啟動(dòng)流程及數(shù)據(jù)格式，設(shè)置參數(shù)以確定數(shù)據(jù)寫(xiě)入位置。

通過(guò)SD卡啟動(dòng)目標(biāo)板中，根據(jù)CPU啟動(dòng)流程，內(nèi)部ROM執(zhí)行初始化后會(huì)完成自拷貝，通過(guò)將SD卡指定位置的數(shù)據(jù)拷貝到RAM中執(zhí)行，后續(xù)程序開(kāi)始執(zhí)行，測(cè)試U-Boot系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，如圖5所示。

圖5 U-Boot啟動(dòng)運(yùn)行界面

本文通過(guò)U-Boot能否加載系統(tǒng)內(nèi)核并掛載文件系統(tǒng)測(cè)試移植是否成功，采用內(nèi)核版本為L(zhǎng)inux Kernel4.1.15。如圖6所示，通過(guò)設(shè)置U-Boot環(huán)境變量參數(shù)，通過(guò)nfs服務(wù)遠(yuǎn)程加載PC服務(wù)端內(nèi)核鏡像及根文件系統(tǒng)文件，能夠成功啟動(dòng)操作系統(tǒng)。

圖6 U-Boot引導(dǎo)啟動(dòng)操作系統(tǒng)

圖6中所示，通過(guò)U-Boot命令設(shè)置環(huán)境變量可指定系統(tǒng)內(nèi)核啟動(dòng)位置，由于本文通過(guò)nfs服務(wù)從上位機(jī)加載內(nèi)核及文件系統(tǒng)，所以需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)IP地址等信息，如本文設(shè)置IP采用以下命令。

4 結(jié)論

綜上，U-Boot減少了芯片及目標(biāo)板適配的難度及周期，達(dá)到了快速移植操作系統(tǒng)的目的，其靈活性和易用性提高了開(kāi)發(fā)效率。此外，移植U-Boot需要對(duì)SoC芯片的啟動(dòng)流程及U-Boot軟件架構(gòu)有清晰的理解和掌握，這對(duì)理解操作系統(tǒng)原理也具有參考意義和價(jià)值。