本文采用U-Boot构建嵌入式系统的引导加载程序,在对U-Boot的启动工作机理进行了简略分析后,针对基于AT91RM9200的目标板对U-Boot作了具体的修改和移植。应用结果表明,移植后的U-Boot在目标板上运行良好,可成功引导Linux内核。

基于AT91RM9200的U-Boot启动分析和移植

周庆松，史小军

东南大学电子科学与工程学院，南京 (210096)

E-mail：摘 要：本文采用U-Boot构建嵌入式系统的引导加载程序，在对U-Boot的启动工作机理进

行了简略分析后，针对基于AT91RM9200的目标板对U-Boot作了具体的修改和移植。应用结

果表明，移植后的U-Boot在目标板上运行良好，可成功引导Linux内核。

关键词：U-Boot；移植；内核；AT91RM9200；嵌入式系统

1．引言

Bootloader代码是芯片复位后进入操作系统之前执行的一段代码，主要用于完成由硬件启

动到操作系统启动的过渡[1]。一般，Bootloader基于特定硬件平台实现，不但依赖于CPU的体

系结构，而且依赖于嵌入式系统板级设备的配置，因此需要修改源码来适合具体的嵌入式板

级设备。

本文基于AT91RM9200的嵌入式目标板和U-Boot源码资源，分析了U-Boot的启动过程，介

绍了U-Boot的移植方法和具体操作，最后讲述如何引导内核启动。

2．U-Boot简介

U-Boot，全称Universal Boot Loader，是遵循GPL条款的开放源码项目。他支持PowerPC、

ARM、X86、MIPS等体系结构的上百种开发板；并且支持多种嵌入式操作系统内核，如Linux、

NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS；具有较高的可靠性和稳定性，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。作为通用的BootLoader，U-Boot

可以方便的移植到其他硬件平台上[2]。

U-Boot移植一般都是针对嵌入式目标板的硬件资源，主要是CPU、FLASH 和SDRAM等情

况，以尽可能一致的原则，在U-Boot源码中，找到一个与目标板为同一个或同一系列处理器

的目标板模板，在此基础上再针对具体开发板对程序作相应的修改，比如不同型号存储芯片

的初始化等。这里笔者选用U-Boot 1.1.2版本，该版本支持基于at91rm9200的处理器配置，并

提供了一个目标板模板，即U-Boot源码下的board/at91rm9200dk模板。

3．U-Boot启动分析

在具体移植之前，先来了解一下U-Boot启动过程。U-Boot启动过程可以分成3个阶段[3]。

(1) 在Flash中运行汇编程序，进行基本硬件初始化，并将Flash中的启动代码复制到SDRAM中，

同时创造环境准备运行C程序；

汇编程序start.s是U-Boot启动后执行的第一个程序，它位于cpu/at91rm9200中，链接脚本

board/at91rm920dk/u-boot.lds决定U-Boot的入口函数位于该程序中。上电后，处理器首先执行

该程序，具体工作流程如图1所示。

(2) 跳转到SDRAM中执行，对硬件进行初始化,并向显示终端输出启动信息；

start_armboot是U-Boot执行的第一个C语言函数，它位于lib_arm/board.c中，主要完成

系统初始化工作，进入主循环，处理用户输入的命令。 具体工作流程如图2所示。

全局变量结构体gd主要用来保存开发板信息、终端存在标志位、环境变量结构体起始地

本文采用U-Boot构建嵌入式系统的引导加载程序,在对U-Boot的启动工作机理进行了简略分析后,针对基于AT91RM9200的目标板对U-Boot作了具体的修改和移植。应用结果表明,移植后的U-Boot在目标板上运行良好,可成功引导Linux内核。

址、环境变量校验标志位、frame buffer 基地址等。它是指向gd_t结构体的指针，gd_t结构体

定义在include\asm-asm\global_data.h中。

硬件初始化中执行函数及各函数作用如下所示：

board_init：基本的板级相关配置，主要包括：设置处理器类型和启动参数地址；

interrupt_init：中断处理初始化，主要对TC控制器作相应设置。

env_init：设置环境变量,初始化环境；

init_baudrate：指定串口的波特率；

serial_init：串口初始化设置；选择通讯端口，设置串口波特率和工作方式；

console_init_f：设置gd->have_console=1,表示可以使用串口通讯控制台；

display_banner：在控制台输出 U-Boot信息；

dram_init：设置SDRAM的起始地址和大小；

display_dram_config：在控制台输出 SDRAM信息；

flash_init：设置FLASH芯片ID号、每个扇区起始地址等信息，将信息送到相应的结构

体中；对FLASH中U-BOOT和环境变量存储扇区做软件写保护；

display_flash_config (size)：在上位机终端输出FLASH大小。

图1 start.s函数执行流程 图2 start_armboot函数执行流程

(3) 将内核映像和根文件系统映像从flash拷贝到SDRAM中，为内核设置启动参数，进入内

核的入口函数。

U-Boot作为Bootloader，具备多种引导内核启动的方式。常用bootm命令引导内核映像

启动。使用bootm命令时，需要首先使用U-Boot自带的mkimage命令，将内核映像文件转换

成U-Boot格式映像。即在内核的前头加上64byte的信息帧头，供建立tag之用。

本文采用U-Boot构建嵌入式系统的引导加载程序,在对U-Boot的启动工作机理进行了简略分析后,针对基于AT91RM9200的目标板对U-Boot作了具体的修改和移植。应用结果表明,移植后的U-Boot在目标板上运行良好,可成功引导Linux内核。

bootm命令调用do_bootm函数。这个函数专门用来引导各种操作系统映像，可以支持引

导Linux、vxWorks、QNX等操作系统。具体完成的工作有：

① 保存内核引导地址；

② 分析内核帧头；

③ 复制内核映像到SDRAM中；

④ 调用do_bootm_linux()函数。

do_bootm_linux()函数是专门引导Linux映像的函数，它还可以处理ramdisk文件系统的映

像。具体完成的工作有：

① 检查是否有根文件系统映像文件。我们这里只用bootm命令引导内核映像；

② 将要传递给Linux的参数存放到标记列表中。内核将会从此处接收参数，完成参数传递；

③ 调用 Linux 内核。系统采用下列代码来进入内核函数：

theKernel = (void (*)(int, int))ntohl(hdr->ih_ep);

theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params);

hdr是image_header_t类型的结构体，结构体定义位于include/image.h中；hdr->ih_ep指

向内核的第一条指令地址。第一行代码将theKernel函数指向内核首地址处；第二行代码调用

theKernel()函数，并通过r0、r1、r2将机器编号和参数链表物理地址传递给内核。

4．U-Boot修改与移植

4.1 嵌入式目标板介绍

本目标板以at91rm9200作为微处理器，板上存储系统包括NOR Flash、NAND Flash、

SDRAM等；外围支持设备有JTAG、串口、USB接口、 网络接口、SD Card 接口及显示接

口等。目标板硬件架构如图3所示；主要硬件资源如表1所示。

图3 嵌入式目标板硬件架构图

表1 嵌入式目标板主要硬件资源 硬件 型号 描述

8M Byte

32M Byte

64M Byte（2片）主频180MHz NOR Flash SST39VF6401BNAND Flash K9F5608U0D 网络芯片

本文采用U-Boot构建嵌入式系统的引导加载程序,在对U-Boot的启动工作机理进行了简略分析后,针对基于AT91RM9200的目标板对U-Boot作了具体的修改和移植。应用结果表明,移植后的U-Boot在目标板上运行良好,可成功引导Linux内核。

4.2 U-boot源码修改

根据目标板的配置,主要考虑修改以下U-Boot源码文件：

① include/configs/AT91RM9200dk.h。该头文件包含了SDRAM的一些设置和定义；

② board/AT91RM9200dk/flash.c。该程序完成的功能包括Flash初始化、打印Flash信息、Flah

擦除和Flash写入等操作。可在参考已有FLASH驱动的基础上，结合目标板FLASH数

据手册，进行适当修改；

③ include/flash.h。FLASH程序头文件，结合目标板修改FLASH型号和ID定义。

具体所作修改如下：

(1) include/configs/AT91RM9200dk.h中：

① 将 #undef CONFIG_BOOTBINFUNC 改为 #define CONFIG_BOOTBINFUNC

定义的目的是使能U-Boot中初始化SDRAM并拷贝自己到SDRAM中的相关代码。

② 修改SDRAM大小 #define PHYS_SDRAM_SIZE 0x4000000 /* 64 megs */

③ 修改FLASH大小和扇区数

#define PHYS_FLASH_SIZE 0x800000 /* 8 megs main flash */

#define CFG_MAX_FLASH_SECT 2048

④ 将 #define CFG_PROMPT "U-Boot> " 改为 #define CFG_PROMPT " zqs_1U-Boot> "

此处更改主要为了识别这是你修改后的U-Boot。

⑤ 添加 #define CFG_LONGHELP 1

该处定义的作用是在U-Boot下输入help命令时，可得到详细的命令解释。

(2) include/flash.h中：

① 添加 #define SST_ID_xF6401B 0x236D236D /* 39xF6401B ID (64M =

(3) board/AT91RM9200dk/flash.c中：

① 添加：OrgDef OrgSST39VF6401B[] = { {2048,4*1024},}; /* 2048 * 4 kBytes sectors */

② 屏蔽如下两行：

info->flash_id = ATM_MANUFACT & FLASH_VENDMASK;

printf ("Atmel: ");

在下面添加如下两行：

info->flash_id = SST_MANUFACT & FLASH_VENDMASK;

printf ("SST: ");

③ 在void flash_identification (flash_info_t * info)函数的最后添加：

else if ((device_code & FLASH_TYPEMASK) == (SST_ID_xF6401B &

FLASH_TYPEMASK)) {

info->flash_id |= SST_ID_xF6401B & FLASH_TYPEMASK; printf ("SST39VF6401B (64Mbit)\n");}

④ 在ulong flash_init (void)函数中添加：

else if ((flash_info[i].flash_id & FLASH_TYPEMASK) ==

(SST_ID_xF6401B & FLASH_TYPEMASK)) { /* SST39VF6401B Flash */

pOrgDef = OrgSST39VF6401B;

flash_nb_blocks = sizeof (OrgSST39VF6401B) / sizeof (OrgDef); }

⑤ 在 void flash_print_info (flash_info_t * info)函数中添加：

case (SST_MANUFACT & FLASH_VENDMASK):

printf ("SST: ");

break;

4M x 16 )*/

本文采用U-Boot构建嵌入式系统的引导加载程序,在对U-Boot的启动工作机理进行了简略分析后,针对基于AT91RM9200的目标板对U-Boot作了具体的修改和移植。应用结果表明,移植后的U-Boot在目标板上运行良好,可成功引导Linux内核。

⑥在 void flash_print_info (flash_info_t * info)函数中添加：

case (SST_ID_xF6401B & FLASH_TYPEMASK):

printf ("SST39VF6401B (64Mbit)\n");

break;

⑦ 在int flash_erase (flash_info_t * info, int s_first, int s_last)函数中，将以下几句用/* */屏蔽掉：

if ((info->flash_id & FLASH_VENDMASK) !=

(ATM_MANUFACT & FLASH_VENDMASK)) {

return ERR_UNKNOWN_FLASH_VENDOR;

}

并在下面添加如下几行：

if ((info->flash_id & FLASH_VENDMASK) !=

(STT_MANUFACT & FLASH_VENDMASK)) {

return ERR_UNKNOWN_FLASH_VENDOR;

}

至此，UBOOT源码文件修改完毕。

4.3 U-Boot编译与测试

U-Boot的源码通过GCC和Makefile组织编译。顶层目录下的Makefile设置开发板的定

义，递归地调用各级子目录下的Makefile，把编译过的程序链接成U-BOOT映像[2]。

这里上位机操作系统采用Redhat9.0，交叉工具链采用cross-2.95.3。GCC安装的路径为

/usr/loacal/arm/2.95.3，在环境变量PATH中添加相应路径，就可以直接使用arm-linux-gcc命令。

编译U-BOOT分两步,第一步配置，执行命令： make at91rm9200dk_config

第二步编译，执行命令： make

编译完成，生成3个映像文件system.map、u-boot、u-boot.bin，和1个符号表system.map，

一般u-boot.bin最为常用，直接按照二进制格式下载。

使用FLASH烧写程序将u-boot.bin烧进NOR FLASH中，目标板重新上电复位后，U-Boot

启动成功，在超级终端里会显示如下信息：

出现Warning的原因是还未设置环境变量。设置环境变量后执行saveenv命令即可去掉

Warning.

5．引导内核

U-Boot的最终目的是引导内核启动。上述仅仅启动了U-Boot，要引导内核启动还需要设

置环境变量、下载内核和根文件系统映像、执行引导内核启动命令。假设内核映像文件为

zImage，根文件系统映像文件为myramdisk.gz(生成方法略)。具体方法如下：

(1) 启动目标机，在U-BOOT中进行网络参数等环境变量设置

U-Boot> setenv ethaddr 12:34:56:78:90:aa

本文采用U-Boot构建嵌入式系统的引导加载程序,在对U-Boot的启动工作机理进行了简略分析后,针对基于AT91RM9200的目标板对U-Boot作了具体的修改和移植。应用结果表明,移植后的U-Boot在目标板上运行良好,可成功引导Linux内核。

U-Boot> setenv ipaddr 192.168.0.11

U-Boot> setenv serverip 192.168.250

U-Boot> setenv netmask 255.255.255.0

U-Boot> setenv bootargs root=/dev/ram rw initrd=0x21200000，6000000

ramdisk_size=15360 console=ttyS0,115200 mem=64M

U-Boot> setenv bootcmd cp.b 10300000 21200000 300000\; bootm 10100000 U-Boot> saveenv

这里网络环境变量设置的目的是为了能够使用TFTP协议；bootargs用来定义传递给Linux

内核的命令行参数；Bootcmd定义自动启动时执行的命令；bootm 10100000表示从10100000

处引导内核程序。

(2) 给内核映像加帧头[4]

在上位机LINUX环境下，将U-Boot\tools\mkimage.exe COPY 到 \bin目录下；输入如下命令：

[root@localhost tftpboot]#mkimage -n 'linux-2.6.19' -A arm -O linux -T kernel -C none -a

0x20008000 -e 0x20008000 -d zImage zImage.img

这里zImage为原始内核映像文件名；zImage.img为生成的加过帧头的内核映像名。

(3) 加载内核和根文件系统映像到Flash中

加载zImage.img到0x10100000，加载myramdisk.gz到0x10300000。

至此，我们将UBOOT 、内核、根文件系统都下载到Flash中了，并且设置了环境变量。

重启目标板，等待延时时间结束自动进入本地装载模式，即可引导内核启动。

上面讲的是将内核和根文件系统固化到Flash中的情况，即使用本地加载模式，当以嵌入

式产品发布的时候，BootLoader必须工作在这种模式下。但我们实际在初期调试的时候，可

以在下载操作模式下直接用TFTP命令将这些映像文件下载到SDRAM中，然后用bootm命令

从SDRAM中引导。此时在给内核映像加帧头的时候要注意，bootm xxxx 指定的地址xxxx是

否与mkImage命令处的 -a指定的加载地址相同。如果不同，mkImage命令的写法和上面介绍

的一致。如果相同，在使用mkImage命令时，-e参数后的入口地址要比-a参数后的存储地址

推后64byte。

6．结论

U-Boot是一个功能强大的Bootloader开源软件，它支持上百种开发板和多种嵌人式操作系

统，可方便地移植到各种硬件平台上。目前，笔者移植的U-Boot已成功运行在目标板上，并

在此基础上成功地加载了Linux内核和根文件系统，为后续的驱动和应用开发奠定了基础。对

于不同的CPU和开发板，U-Boot的启动原理和移植步骤大致相同。希望本文能对学习U-Boot

的朋友有所帮助。

参考文献

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张进，姜威．U-Boot的启动流程及移植[J]，国外电子元器件，2005，5，11~14。 孙纪坤，张小泉．《嵌入式Linux系统开发技术详解－基于ARM》[M]，北京：人民邮电出版社，2006.8。 焦玉全，黄乡生，鲍玉军．U-Boot在S3C2410上的移植[J]，电子设计应用，2006，3，126~128。 Karim Yagbmour．《构建嵌入式LINUX系统》[M]，北京：中国电力出版社，2004.12。

本文采用U-Boot构建嵌入式系统的引导加载程序,在对U-Boot的启动工作机理进行了简略分析后,针对基于AT91RM9200的目标板对U-Boot作了具体的修改和移植。应用结果表明,移植后的U-Boot在目标板上运行良好,可成功引导Linux内核。

Start analysis and porting of U-Boot based on AT91RM9200

board

Zhou Qingsong，Shi Xiaojun

Dept. of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing (210096)

Abstract

This paper develops a bootloader for embedded system with the U-Boot. After analyzing the booting mechanism of U-Boot, the modification and porting in an embedded system board based on

AT91RM9200 are done in detail. The application shows that U-Boot runs well and can lead Linux kernel successfully.

Keywords：U-Boot，porting，kernel，AT91RM9200，embedded system

作者简介：

周庆松，1980，男，硕士研究生；

史小军，1952，男，教授，硕士生导师。