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7 years ago
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1 通过引导装载程序引导 VxWorks 的一种可行方法王君北京邮电大学计算机科学与技术, 北京 (100876) 摘要 :VxWorks 是美国风河公司推出的一个实时操作系统, 目前在嵌入式领域应用非常广泛关于通过引导装载程序引导引导 VxWorks 的资料并不多见本文介绍了如何通过 U-Boot 引导 VxWorks, 以便为嵌入式开发打下良好的基础关键词 :U-Boot 移植,BSP 开发, 镜像封装 1. 引言近年来, 嵌入式系统嵌入式处理器发展很快, 处理器芯片不断推陈出新, 而且不同厂商针对不同处理器开发了很多目标板, 但是在嵌入式领域里却没有一个通用的引导装载程序, 也没有通用的实时操作系统开发人员需要根据自己的处理器以及应用需要进行操作系统的定制本文以目前广泛流行的 VxWorks 和 U-Boot 为例, 讨论了如何移植 U-Boot 和开发 VxWorks BSP, 以及利用 U-Boot 封装 VxWorks 镜像 2. Bootloader 及 VxWorks BSP 介绍 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, 从而为操作系统提供基本的运行环境, 如初始化 CPU 堆栈存储器系统等 Bootloader 代码与 CPU 芯片的内核结构具体型号应用系统的配置及使用的操作系统等因素有关, 其功能类似于 PC 机的 BIOS 程序通常,BootLoader 是严重地依赖于硬件而实现的, 特别是在嵌入式世界, 因此不可能有通用的 Bootloader, 开发时需要用户根据具体情况进行移植 U-Boot 是当今流行的引导装载程序, 支持多种体系结构如 PowerPC ARM MIPS X86 等处理器, 支持的嵌入式操作系统有 Linux VxWorks NetBSD QNX RETEMS ARTOS LynxOS 等除了支持体系众多, 其功能的强大也是其广受欢迎的一个重要原因 BSP 即 Board Support Package, 板极支持包它来源于嵌入式操作系统与硬件无关的设计思想, 操作系统被设计为运行在虚拟的硬件平台上对于具体的硬件平台, 与硬件相关的代码都被封装在 BSP 中, 由 BSP 向上提供虚拟的硬件平台,BSP 与操作系统通过定义好的接口进行交互 BSP 是所有与硬件相关的代码体的集合, 包括系统被引导时硬件初始化程序和目标板的设备驱动程序 BSP 具体的初始化包括 :CPU Init Board Init System Init CPU Init 初始化 CPU 的内部寄存器,Board Init 初始化 I/O 的寄存器,System Init 为系统的运行准备数据结构, 进行数据初始化虽然我们可以将操作系统镜像直接烧入 flash, 从而不需要额外的引导装载程序, 但是从软件升级的角度来说, 引导程序十分重要, 而且移植 U-Boot 的过程也是一个对嵌入式系统包括软硬件以及操作系统加深理解的过程 3. 移植 U-Boot 首先从网上下载 U-Boot, 为了使 U-Boot 支持新的开发板, 一种简便的做法是在 U-Boot 已经支持的开发板中选择一种接近的进行修改 [1] - 1 -

2 3.1 对 CPU 的支持如果 cpu/ 目录已经包含了对自己所用内核的支持, 那么不用作任何修改否则选择相似的内核目录复制过来, 参考手册分别修改 cpu.c interrupts.c 和 serial.c 等文件, 还要在在 include/ 目录下新建该内核的头文件, 该文件描述了内核中一些寄存器的结构及若干宏定义具体内容要参考相关处理器手册 3.2 对开发板的支持建立自己开发板的目录和相关文件在 include/configs 目录中添加头文件 myboard.h 这个文件是开发板的配置文件, 它包括开发板的 CPU 系统时钟 RAM Flash 系统及其它相关的配置信息其格式可参考相似开发板的头文件在 board/ 目录下新建开发板目录, 创建如下文件 :flash.c memsetup.c myboard.c Makefile 和 u-boot.lds 可以选择相似目标板的目录复制过来进行修改各个文件的作用如下: flash.c:u-boot 读写和删除 Flash 设备的源代码文件由于不同开发板中 Flash 存储器的种类各不相同, 所以, 修改 flash.c 时需参考相应的 Flash 芯片手册 memsetup.c: 初始化时钟 SMC 控制器和 SDRAM 控制器 myboard.c: 设置各种总线时钟, 打开数据 Cache 和指令 Cache, 并设置相关内存参数 Makefile: 设置生成对象及规则 u-boot.lds: 设置 u-boot 中各个目标文件的连接地址 3.3 修改 Makefile 在 u-boot/makefile 中加入下面两行 : myboard_config : $(@:_config=) ppc cpuname myboard 其中 ppc 是 CPU 的种类, cpuname 是 CPU 对应的代码目录, myboard 是自己开发板对应的目录 3.4 生成目标文件先运行 make clean, 然后运行 make myboard_config, 再运行 make 之后会生成三个文件 : u-boot ELF 格式的文件, 可以被大多数 Debug 程序识别 ; u-boot.bin 二进制 bin 文件, 纯粹的 U-BOOT 二进制执行代码, 不保存 ELF 格式和调试信息这个文件一般用于烧录到用户开发板中 ; u-boot.srec Motorola S-Record 格式, 可以通过串行口下载到开发板中 3.5 测试通过 JTAG 口将 u-boot.bin 烧写到 Flash 的零地址, 复位后执行 U-Boot 若运行正常, 会从串口返回信息, 如图 1 所示 ( 我用的是 MPC8540 开发板 ) - 2 -

3 图 1 开启开发板运行 U-Boot 时从串口返回的信息至此,U-Boot 移植结束 4. 开发 BSP WindRiver 公司提供大量的预制的支持许多商业主板及评估板的 BSP, 当用户在为自己的目标板开发 BSP 时, 可以从 WindRiver 公司的标准 BSP 中选一个最接近的来加以修改安装 Tornado 开发环境, 目标系统的文件目录在 \tornado\target 下, 对 VxWorks 的配置主要是通过对该目录下相关文件进行编辑与修改来完成的在 target\config\ 目录下建立用户的 BSP 目录 [2] 4.1 配置头文件 target\config\all\ 目录下的 configall.h 是全局配置头文件, 包含所有公用的配置参数默认定义, 因为可以在 config.h 中重新定义, 所以对于这个文件一般不作修改 config.h 这是要修改的最关键的基本配置文件, 该文件包括了默认引导参数网卡参数缓存和内存地址等 My8540.h 是参数配置头文件, 根据具体目标板设置系统资源如端口地址时钟内部寄存器等 4.2 配置模块文件 UserConfig.c: 位于目录 \target\config\all\ 下用户可在此定义系统配置模块源程序, 包括根任务基本的系统初始化网络初始化始终中断程序等 BootConfig.c: 系统初始化文件, 它主要完成两方面功能, 一是实现通过网络下载文件 ; 二是实现用简单的字符命令集来修改或显示内存内容等功能 BootInit.c: 它的功能是根据引导方式, 将 ROM 中的程序拷贝到 RAM 中 - 3 -

4 SysLib.c: 是 BSP 初始化的核心代码在这里要复位所有的硬件, 使其处于初始化状态它的功能大致包括 : 初始化功能存储器 / 地址映射功能总线中断功能时钟计时器功能等 sysserial.c: 包含目标板上串行口的初始化程序, 包括一些串口的参数定义串口的基本初始化函数串口中断初始化函数用户需要根据自己目标板的具体情况, 参考手册进行必要的修改 4.3 生成镜像修改好配置文件后, 最后要修改 Makefile 文件, 确保 Makefile 文件中的定义和配置文件中的定义一致然后打开 tornado, 选择新建一个 bootable vxworks image, 选择建 A BSP, 选择 GNU 编译器, 建完后编译就可以在相应目录下生成 vxworks 的镜像文件 5. 封装 vxworks image 并引导 5.1 封装 VxWorks 镜像用 Tornado 生成的 vxworks 镜像不能被 u-boot 引导, 一个可行的办法是用 u-boot 的工具 mkimage 对镜像进行封装具体步骤如下 : 将 Tornado 下生成的 vxworks 文件拷贝到 linux 平台下 ; 开一个终端, 利用 U-Boot 的工具 mkimage 生成 uimage 和 ramdisk; 5.2 通过 U-Boot 下载镜像首先转到 windows 下, 将开发板的串口与主机串口连接, 通过交叉连接线将开发板与主机相连打开 windows 超级终端设置 COM1 口参数, 如图 2 所示图 2 主机与目标连接的串口参数设置 - 4 -

5 然后开启目标板, 超级终端会显示 U-Boot 正在运行 ( 如图 1), 按任意健可停止自动引导键入 printenv 命令察看环境变量, 确保 IP 正确用 tftp 作为主机的服务器, 将 uimage 和 ramdisk 放到 tftp 服务器目录下, 以便 U-Boot 可以下载它们在 U-Boot 提示符下依次输入下载命令 tftp uimage 和 tftp ramdisk, 下载完毕, 运行 Bootm 如果无误, 就会运行 vxworks 6. 结论嵌入式系统开发中不用引导装载程序也可以直接将镜像烧写到 Flash 中但是用 U-Boot 的好处是便于软件更新, 另外 U-Boot 还提供了很多有用的工具 ( 命令 ) 用 Tornado 生成的 image 不能直接被 U-Boot 引导, 通过阅读 U-Boot 资料发现,U-Boot 引导镜像时需要读一个镜像头的数据结构, 结构错误则不能引导所以通过 mkimage 命令封装 image, 之后便可以被正确引导参考文献 [1] Wolfgang Denk. DENX U-Boot 及 Linux 使用手册. [2] 王学龙. 嵌入式 VxWorks 系统开发与应用 [M]. 北京 : 人民邮电出版社, A Way to Guide VxWorks through Bootloader Wang Jun Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing (100876) Abstract System(U.S). It is popular in embedded field. However, "How to do" about guiding VxWorks through bootloader is a rare sight. This paper introduces a way to guide VxWorks through U-Boot, which can lay a foundation of embedded development. Keywords:U-Boot transplant,bsp development,image encapsulation - 5 -

嵌入式系统原理及应用教程 ( 第 2 版 )/ 清华大学出版社 EL-ARM-860 V1.2 一实验目的实验二 Boot Loader 引导程序 1. 了解 Boot Loader 的作用, 掌握 Boot Loader 的编程思想二实验设备 1. Pentium II 以上的 PC 机,

嵌入式系统原理及应用教程 ( 第 2 版 )/ 清华大学出版社 EL-ARM-860 V1.2 一实验目的实验二 Boot Loader 引导程序 1. 了解 Boot Loader 的作用, 掌握 Boot Loader 的编程思想二实验设备 1. Pentium II 以上的 PC 机, 一实验目的实验二 Boot Loader 引导程序 1. 了解 Boot Loader 的作用, 掌握 Boot Loader 的编程思想二实验设备 1. Pentium II 以上的 PC 机, LINUX 操作系统三实验内容 1. 学习 x-loader 作用和编译过程 2. 学习 uboot 作用和编译过程 3. 学习 Boot Loader 的操作四 Bootloader 程序说明