通用Bootloader（Universal Bootloader，U-Boot）是系統上電后執行的第一段代碼，其作用主要包括初始化硬件環境以及加載執行操作系統內核。在進行系統安裝時，U-Boot通常需要使用專用工具燒寫到FLASH中，內核及文件系統則通過U-Boot命令進行燒寫，該過程操作繁瑣，并且容易出錯，不適宜系統的大量安裝。

S3C6410是三星公司生產的一款基于ARM11架構的通用嵌入式處理器，其啟動方式除了傳統的Flash啟動模式外，還支持從SD 卡中啟動系統。本文基于S3C6410處理器，分析了從SD卡啟動系統的原理，并對U-Boot源碼進行修改以支持該啟動方式，在此基礎上進一步擴展了U-Boot的功能，使其支持在不需要宿主機的情況下可以一鍵安裝系統，簡化了嵌入式系統的安裝部署工作。

1 U-Boot 工作原理

U-Boot的啟動過程分為兩階段。第一階段由匯編語言實現，與具體硬件平臺相關;第二階段由可讀性和可移植性較好的C 語言實現，完成U-Boot 的主要功能。這樣設計的優點在于可以把基于硬件的代碼與系統的通用代碼劃分開，使得系統的移植工作主要針對第一階段代碼進行修改，而無需或只需少量修改第二階段代碼，簡化了移植過程，提高了系統開發效率。

U-Boot第一階段代碼實現的主要功能有：

（1）硬件設備的初始化;

（2）為加載bootloader 第二階段準備RAM 空間（即初始化SDRAM）;

（3）復制bootloader 第二階段代碼到RAM 空間（U-Boot拷貝其全部代碼到RAM）;

（4）設置堆棧;

（5）跳轉到第二階段C代碼入口處。

當系統完成代碼搬運并設置好C 語言使用的堆棧等環境后，就會跳轉到內存中的第二階段代碼C語言入口處繼續運行。第二階段代碼完成的主要功能有：

（1）繼續初始化相關硬件設備（如串口、系統時鐘及定時器等）;

（2）檢測系統內存映射;

（3）加載內核映像及根文件系統映像;

（4）設置內核啟動參數;

（5）調用內核。

第二階段的U-Boot在設置好相應的終端設備后會停止等待若干秒，如果在該時間段內串口有輸入，則U-Boot進入交互下載模式，循環讀取串口命令并執行;如果串口沒有輸入，則U-Boot執行啟動加載模式代碼，將操作系統內核加載到內存并啟動系統。

2 S3C6410 U-Boot SD卡啟動模式分析與移植

2.1 S3C6410 SD卡啟動原理

S3C6410 支持多種啟動方式，包括NOR FLASH 啟動、NAND FLASH 啟動、MODEM 啟動、iROM 啟動等方式。其中iROM 啟動方式即從internal ROM 中啟動，這種模式可以提供對SD 卡的支持。S3C6410 SD 卡啟動流程如圖1所示。

當選擇SD 卡啟動模式時，處理器上電后，會運行iROM 中的固件程序，這個程序被稱為BootLoader0（BL0），它會在進行一些必要的初始化工作后，從SD卡中指定位置讀取8 KB 的U-Boot 代碼到內部StepPINgStone 中運行，這段代碼被稱為BootLoader1（BL1）。

BL1即U-Boot的前8 KB代碼，這段代碼會隨后從SD卡中加載BL2（即整個U-Boot程序）到內存中并跳到相應地址處運行。

2.2 SD卡設備空間布局

從SD卡啟動時，系統上電后BL0程序會從SD卡特定位置加載BL1代碼，因此BL1代碼必須放置在預先約定好的位置上。

SD卡引導分區的空間布局如圖2所示。

由圖中可以看出，我們要使用SD卡啟動系統，必須將BL1的8K代碼燒寫到從SD卡末端起第18個塊的起始地址處，同時建議將BL2緊鄰BL1放在其前面的數據塊中。

2.3 增加U-Boot對SD卡啟動方式支持由以上分析可知，系統移植的關鍵在于將BL2中代碼從SD卡中拷貝到內存運行。由于U-Boot默認不支持SD 卡啟動，因此需要修改arch/arm/cpu/arm1176/start.S文件中的bnand_boot 為b mmc_boot_copy 并定義mmc_boot_copy函數為：

該段代碼使用S3C6410 提供的固件函數實現了將BL2中的整個U-Boot拷貝到內存，并跳轉到內存相應入口處繼續運行的功能。

3 脫機一鍵安裝系統功能實現

本文所移植的U-Boot版本為U-Boot-2011.06，該版本U-Boot支持FAT文件系統文件加載命令，其命令格式為：

fatload

該命令可將使用interface接口的dev設備中的文件filename以二進制形式加載到內存地址addr處。使用該命令，可以將內核等鏡像文件首先由SD 卡加載到內存中，再通過FLASH命令進行系統的燒寫安裝。

但上述命令的使用都是基于交互終端進行的，要想實現命令的自動運行，則需要對U-Boot源碼進行分析修改。閱讀U-Boot源碼可知，其第二階段代碼最終會進入common/main.c 文件中的main_loop 函數，在下載模式下，U - Boot 會循環讀取用戶輸入的命令，并調用run_command函數執行，其函數原型為：

int run_command（const char *cmd，int flag）;

其中cmd為命令字符串，flag標志該命令是否被重復執行，返回值表明了命令執行成功與否的狀態。因此，以需要執行的安裝命令字符串為參數調用run_command函數便可自動執行命令，實現系統的脫機安裝。此外，為了使系統安裝更加靈活方便，本實現中加入了一個配置文件用于對安裝中的相關參數進行設置，配置文件的路徑及名稱固定為/images/chd_cfg.ini，其內容如下：

其中所有以“#”開頭的行為注釋行，OS變量說明了需要安裝的操作系統類型，以下的OS-BootLoader、OS-Kernel，OS-RootFs變量分別注明了需要安裝到Flash中的Bootloader、內核、文件系統在SD 卡中的路徑。通過首先解析該配置文件，然后從SD 卡中加載安裝相關鏡像的方式可以方便地更換系統，只需修改文件中的配置參數即可，其實現流程如圖3所示。

4 實驗結果

將修改好的U-Boot進行編譯后燒寫到SD卡中的相應位置，設置S3C6410為SD卡啟動模式，上電后的串口輸出信息如圖4所示。

圖中（1）是讀取配置文件chd_cfg.ini 的輸出信息，可以看出該文件一共有314 個字符，（2）是對文件解析后的參數的輸出顯示，（3）和（4）分別顯示的是U-Boot和內核的加載以及燒寫過程，成功燒寫后進入（5），在此處程序進入死循環并提示重啟系統。圖5所示為隨后使用NAND模式啟動系統時的輸出。

圖中（1）為燒寫到Nand Flash中的U-Boot啟動之后的終端輸出，（2）為加載引導內核時的打印信息。由此結果可以看出已成功進行了系統的脫機燒寫。

5 結語

本文修改移植了U-Boot-2011.06使其支持S3C6410處理器SD卡啟動模式，對其進行了原理分析，同時對U-Boot進行了擴展，增加了只使用SD 卡便可安裝整個系統的功能，并進行了實驗驗證。結果表明該方法具有可行性，可簡化嵌入式系統的安裝工作，增強了U-Boot的功能，對U-Boot在其他平臺上的移植和改進具有一定的參考價值。