基于Mpc823e的bootloader分析和實現

0 引言

在嵌入式系統中，當cpu啟動起來后，首先會在預先設置的地址上執行引導程序，用來加載和啟動系統。通過引導程序，可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環境帶到一個合適的狀態，以便為最終調用操作系統內核準備好正確的環境。引導程序與硬件緊密結合，不同處理芯片體系，不同主板設計，對應不同的引導程序。本系統采用ppcboot作為引導程序。ppcboot的功能強大，而且代碼公開。一般來說，它可以分為兩部分：與硬件相關的代碼，與硬件無關的代碼。在設計時，可以先從其官方網站下載完整的代碼，然后根據自己系統的特點，對與硬件相關代碼部分進行修改，最后進行編譯，燒入 Flash。接下來，將對ppcboot的工作流程和具體的修改過程進行討論

1 ppcboot工作流程

作為ppc體系的引導程序ppcboot上電后,將完成初始化硬件設備,建立內存映射, 啟動系統內核三個任務。

初始化硬件設備：

系統上電復位后，CPU首先從Flash 的0x100處執行第一條指令。該指令跳轉到具體地址后，開始執行部分初始化和真正初始化前的準備工作：屏蔽所有的中斷，設置CPU的速度和時鐘頻率，禁止cache、禁止地址轉換等等。

在這個階段中，執行空間始終在Flash，功能通常都用匯編語言來實現。之后，系統開始建立內存映射。

建立內存映射：

（1）設置系統的內存控制器的功能寄存器以及各內存庫控制寄存器等，使CPU能夠正常運行起來并執行C語言程序，并且為下一步加載引導程序，準備RAM空間。

（2）引導程序重新定位執行空間,ppcboot代碼從flash拷貝到內存，開始在內存中執行。

（3）再次初始化部分硬件設備，并檢測系統內存映射，知道 CPU 預留的全部 RAM 地址空間中的哪些被真正映射到 RAM 地址單元，哪些是處于無狀態的。經過這個階段后，系統建立了內存映射圖（見圖1），并開始在內存里執行程序，能夠執行C語言程序。之后，系統進入啟動操作系統內核階段。

啟動操作系統內核

（1）把內核映像和根文件系統映像從Flash上讀到RAM中。

（2） 為內核設置啟動參數。以標記列表的形式來傳遞。

（3）解壓內核，初始化串口，使解壓后內核獲得CPU的控制權，結束ppcboot的任務。

2 基于MPC823e的ppcboot的具體編寫

在上面提過，由于ppcboot的代碼硬件無關部分是通用的，不需要修改。而硬件相關的代碼部分，與硬件緊密相關，所以需要針對自己具體的硬件進行修改，主要是cpu部分與主板部分的代碼。

2．1 ppcboot中cpu部分的開發

ppcboot的一個任務是初始化CPU內部寄存器，包括：定義中斷向量表、數據和指令cache的設置、內存管理單元MMU的設置、系統接口單元SIU設置、內存控制器和UPM表的設置、時鐘和復位寄存器設置、外部總線接口設置、與編譯器相關的堆棧設置等。

步驟1： 禁止 中斷 -> 禁止cache -> 禁止MMU

啟動過程中無法處理中斷，所以必須關閉中斷；另外，因內存管理、cache尚未設置，所以應先全部禁止，待設置完畢再打開。

步驟2： 初始化內存 init_memc

MPC823e提供了強大的內存接口控制單元，包括一個通用內存接口單元GPCM和兩個用戶可編程內存接口單元UPMA/UPMB。還提供了8個片選信號線與8片獨立的內存接口。

編寫ppcboot時，需要研究SDRAM芯片的時序圖，構造出MPC823e特有的64個時序字，填入MPC823e內部相應的寄存器中。以后，每當發出內存訪問的指令時，硬件就能夠根據設置好的64個時序字，產生正確的讀寫時序。而且要針對具體的設計，編寫片選內存的寄存器BRx和ORx來設置其屬性,包括定義內存片基地址、地址掩碼、讀寫屬性、總線寬度(8位、16位、32位)、控制單元(使用GPCM或UPM)等。如本系統中，使用了CS0 控制16位的Flash存儲器、CS1控制32位的sdram，對CS1進行設置時應設為基地址0x00000000，32位可讀寫，使用UPMA。

步驟3：初始化系統接口單元init_SIU -> 初始化調試寄存器der -> 初始化時鐘 init_clk

系統接口單元主要包含對MPC823e復用引腳的設置寄存器、調試寄存器（該寄存器可用來設置CPU在各種不同的意外情況下是否進入調試狀態）。

初始化時鐘主要是對CPU主頻的設置。MPC823e有一個倍頻率達數千倍的內部倍頻器，本系統中，采用了5MHz的晶振，經過10倍頻后穩定運行在50MHz頻率上。