基于PowerPC的微型BootLoader在Linux中的應(yīng)用

　　摘 要：本文介紹一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完善的微型BootLoader在Linux系統(tǒng)中的應(yīng)用。它主要適用于PowerPC e300系列處理器，也能很容易地進(jìn)行修改，以適應(yīng)其他嵌入式處理器。

　　關(guān)鍵詞：Linux;嵌入式系統(tǒng);BootLoader;Genesis;DDR

　　引言

　　引導(dǎo)裝載程序(BootLoader)通常是在硬件上執(zhí)行的第一段代碼。雖然目前在Linux開源社區(qū)里有大量的引導(dǎo)裝載程序，但是對(duì)于很多嵌入式設(shè)備上的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這些引導(dǎo)裝載程序都顯得過(guò)于復(fù)雜和冗長(zhǎng)。為此，本文專門針對(duì)PowerPC E300系列處理芯片，設(shè)計(jì)了一款小型BootLoader程序，并命名為Genesis。該程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完善，能很好地引導(dǎo)Linux內(nèi)核以及文件系統(tǒng)。

　　環(huán)境要求及系統(tǒng)映像

　　硬件環(huán)境

　　本文中開發(fā)的硬件環(huán)境如下：處理器采用MPC83xx系列;內(nèi)存采用512M的DDR2內(nèi)存;閃存采用8MB的閃存;串口采用uart16550;波特率采用115200。

　　編譯環(huán)境

　　程序在mvl-linux、linux-kernal-2.6.10和gcc編譯器環(huán)境下編譯。

　　系統(tǒng)文件存放映像

　　Genesis程序存放在一塊閃存里面。對(duì)于小型的Linux系統(tǒng)，包括內(nèi)核和文件系統(tǒng)都和裝載引導(dǎo)程序BootLoader一起編譯產(chǎn)生二進(jìn)制文件，最后存放在閃存中，在上電之后搬移到內(nèi)存執(zhí)行。圖1就是編譯產(chǎn)生的系統(tǒng)文件代碼在閃存中以及搬移到內(nèi)存以后的示意圖。

　　圖1 系統(tǒng)文件映像

　　Genesis的實(shí)現(xiàn)

　　Genesis的主體結(jié)構(gòu)

　　功能完善的引導(dǎo)裝載程序BootLoader必須經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟，即：初始化CPU;初始化內(nèi)存，包括啟用內(nèi)存庫(kù)、初始化內(nèi)存配置寄存器等;初始化串行端口(如果在目標(biāo)板上有的話);啟用指令/數(shù)據(jù)高速緩存;設(shè)置堆棧指針;設(shè)置參數(shù)區(qū)域并構(gòu)造參數(shù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)記(這是重要的一步，因?yàn)閮?nèi)核在標(biāo)識(shí)根設(shè)備、頁(yè)面大小、內(nèi)存大小以及更多內(nèi)容時(shí)要使用引導(dǎo)參數(shù));打開/關(guān)閉看門狗;調(diào)用主體入口函數(shù);跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的開始。

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　　程序模型的建立

　　根據(jù)Genesis的主體架構(gòu)，本文在程序體內(nèi)分別建立了幾個(gè)最為重要的code程序：entry.S;board.c;cpu.c;console.c;main.c。這些程序的執(zhí)行順序如圖2所示。

　　圖2 程序執(zhí)行順序示意圖

　　程序設(shè)計(jì)

　　這里，entry.S是程序的入口。entry.S中的代碼全部是匯編指令。整個(gè)程序都圍繞這些匯編代碼展開。

　　cpu.c的功能是初始化CPU內(nèi)核，CPU主要控制器以及系統(tǒng)時(shí)鐘控制器;board.c主要是初始化跟目標(biāo)板密切相關(guān)的外圍設(shè)備，包括閃存、CPLD以及系統(tǒng)內(nèi)存等;console.c是目標(biāo)板的串口初始化程序，它對(duì)CPU的串口進(jìn)行初始化，并配置串口的速率;main.c的功能就是引導(dǎo)Linux內(nèi)核以及文件系統(tǒng)。

　　當(dāng)CPU上電或者施加復(fù)位信號(hào)時(shí)，CPU通過(guò)讀取數(shù)據(jù)總線D[0：3l]上的值或根據(jù)內(nèi)部的缺省常數(shù)D[0：31]=0x00000000，來(lái)確定它的狀態(tài)。如果CPU在讀取總線值時(shí)，信號(hào)引腳RSTCONF#為低電平，則硬件復(fù)位配置字(HRCW)從總線上讀取;若RSTCONF#為高電平，則HRCW選用內(nèi)部的默認(rèn)值。上電后，啟動(dòng)存儲(chǔ)控制器CSO#(對(duì)應(yīng)于閃存的片選信號(hào))有效，選中閃存，CPU地址線上輸出硬件復(fù)位中斷向量對(duì)應(yīng)的地址0x00000100，開始讀第1條指令。在Genesis中，這條指令對(duì)應(yīng)于entry.S中_start：標(biāo)號(hào)處。代碼段如下。

　　_start:

　　b boot_cold

　　boot_cold:

　　lis r4, DEFAULT_IMMR_ BASE@h

　　nop

　　boot_warm:

　　mfmsr r5

　　lis r3, IMMR_BASE@h

　　ori r3, r3, IMMR_BASE@l

　　stw r3, IMMR(r4)

　　接下來(lái)對(duì)CPU CORE進(jìn)行初始化配置。首先是關(guān)閉CPU的看門狗。代碼如下：

　　xor r4, r4, r4

　　stw r4, SWCRR(r3)

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　　屏蔽所有的中斷寄存器，并初始化高速緩存D-CACHE和I-CACHE：

　　.globl icache_enable

　　.globl icache_disable

　　.globl icache_status

　　.globl dcache_enable

　　.globl dcache_disable

　　.globl dcache_status

　　然后使用如下代碼重新映射閃存的絕對(duì)地址：

　　map_flash_by_law1:

　　remap_flash_by_law0:

　　在CPU內(nèi)部開放的高速緩存區(qū)設(shè)置堆棧。未初始化設(shè)備外部DRAM之前，只能利用CPU內(nèi)部的cache作為內(nèi)存。下一步就可以進(jìn)入第二階段的CPU初始化，即C語(yǔ)言環(huán)境：

　　setup_stack_in_data_cache_on_r1:

　　堆棧建立好以后，馬上進(jìn)入步驟S1,它跳轉(zhuǎn)到cpu.c里面的cpu_init()函數(shù)。在這段代碼里面，配置所有的CPU控制寄存器。在匯編里面調(diào)用C函數(shù)語(yǔ)句是bl cpu_init。

　　當(dāng)配置結(jié)束以后，進(jìn)入步驟S2,指針返回到entry.S。緊接著執(zhí)行調(diào)用board_init函數(shù)，進(jìn)入步驟S3,跳轉(zhuǎn)到board.c里面，執(zhí)行board_init()函數(shù)。在這個(gè)函數(shù)里面包括了幾個(gè)重要部分。

　　1)get_clocks()函數(shù)

　　初始化CPU的PLL和系統(tǒng)時(shí)鐘寄存器。

　　2 ) init_timebase()初始化計(jì)數(shù)器

　　3)初始化串口：serial_init (port,baudrate)

　　越早開通串口，對(duì)后面的工作越有好處。serial_init()調(diào)用的是console.c。對(duì)于E300內(nèi)核的MPC83xx系列處理器，一般都提供兩組UART接口，支持RS232、UART16550、HDLC等應(yīng)用。本文將UART1用作串行輸出接口，使用PC16550協(xié)議。由于后面很多調(diào)試都要依賴調(diào)試接口，因此，對(duì)串口的配置和初始化是比較重要的。這里主要是注意UART1和UART2的偏移地址分別是0x4500和0x4600，它們的波特率都是從CSB_CLK時(shí)鐘分頻得到的。

　　4) DDR RAM初始化：long int initdram (int board_type)

　　這是很重要的一個(gè)步驟。如果DDR RAM配置不對(duì)，那么后面的工作將無(wú)法進(jìn)行。在目標(biāo)板上用到了DDR2類型的內(nèi)存條。這樣的設(shè)計(jì)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整使用內(nèi)存的大小，也大大減少對(duì)DDR內(nèi)存的配置工作。一般來(lái)說(shuō)DDR內(nèi)存條上都有一塊eeprom，是存儲(chǔ)基本DDR信息的。它提供了標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，供CPU來(lái)訪問(wèn)。所以在本系統(tǒng)里，就是通過(guò)I2C來(lái)讀取DDR內(nèi)存條上的基本信息，然后根據(jù)這些信息正確配置CPU的DDR控制器。I2C的驅(qū)動(dòng)很容易在開源代碼里面找到，然后根據(jù)所使用的CPU稍微修改就可以。

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　　DDR內(nèi)存初始化完成以后，進(jìn)入步驟S4,返回entry.S。然后執(zhí)行步驟S5,調(diào)用main.c里面的函數(shù)run_into_ram()，目的是實(shí)現(xiàn)代碼的搬移。調(diào)用entry.S里面的relocate_code()函數(shù)，執(zhí)行步驟S6，將代碼從閃存拷貝到DDR RAM里面：global relocate_code。

　　拷貝結(jié)束以后直接跳轉(zhuǎn)到main()函數(shù)：bl main。到這里，CPU和外部基本設(shè)備的初始化都完成了。接下來(lái)就可以正確引導(dǎo)Linux內(nèi)核了。利用代碼拷貝，將存放于閃存的Linux內(nèi)核拷貝到DDR RAM里面，然后直接跳轉(zhuǎn)到該地址，開始執(zhí)行步驟S7。

　　copy_code((void *)dest_addr,(void *)img_begin， img_end - img_begin);

　　jImage=(void (*)(void))dest_addr;

　　(*jImage)();

　　在程序流程圖里面還有步驟S8、S9。它們分別表示在Genesis和Linux下面執(zhí)行復(fù)位命令時(shí)候的指針跳轉(zhuǎn)方向。在復(fù)位時(shí)，程序都是返回entry.S，然后重新執(zhí)行。

　　結(jié)語(yǔ)

　　將按照流程設(shè)計(jì)并編譯好的bin文件下載到目標(biāo)板，經(jīng)過(guò)測(cè)試，它能夠正確引導(dǎo)Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了BootLoader的功能。為了使Genesis的功能更加豐富，還可進(jìn)行一些補(bǔ)充性的開發(fā)，比如增加Genesis命令行編輯;添加設(shè)備地址空間的讀寫命令等?！?/P>

　　參考文獻(xiàn)

　　1.Programming Environments Manual for 32-Bit Implementations of the PowerPC Architecture, Rev. 3, Copyright 9/2005 by Freescale Semiconductor Corporation

　　2.e300 PowerPC Core Reference Manual, Rev. 1, Copyright 8/2005 by Freescale Semiconductor Corporation

　　3.MPC8360E PowerQUICC II Pro Integrated Host Processor Family Reference Manual, Rev. 1, Copyright 2006 by Freescale Semiconductor Corporation