基于PowerPC的微型BootLoader在Linux中的應用

　　摘 要：本文介紹一款結構簡單、功能完善的微型BootLoader在Linux系統中的應用。它主要適用于PowerPC e300系列處理器，也能很容易地進行修改，以適應其他嵌入式處理器。

　　關鍵詞：Linux;嵌入式系統;BootLoader;Genesis;DDR

　　引言

　　引導裝載程序(BootLoader)通常是在硬件上執行的第一段代碼。雖然目前在Linux開源社區里有大量的引導裝載程序，但是對于很多嵌入式設備上的應用來說，這些引導裝載程序都顯得過于復雜和冗長。為此，本文專門針對PowerPC E300系列處理芯片，設計了一款小型BootLoader程序，并命名為Genesis。該程序結構簡單、功能完善，能很好地引導Linux內核以及文件系統。

　　環境要求及系統映像

　　硬件環境

　　本文中開發的硬件環境如下：處理器采用MPC83xx系列;內存采用512M的DDR2內存;閃存采用8MB的閃存;串口采用uart16550;波特率采用115200。

　　編譯環境

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

　　系統文件存放映像

　　Genesis程序存放在一塊閃存里面。對于小型的Linux系統，包括內核和文件系統都和裝載引導程序BootLoader一起編譯產生二進制文件，最后存放在閃存中，在上電之后搬移到內存執行。圖1就是編譯產生的系統文件代碼在閃存中以及搬移到內存以后的示意圖。

　　圖1 系統文件映像

　　Genesis的實現

　　Genesis的主體結構

　　功能完善的引導裝載程序BootLoader必須經過以下幾個步驟，即：初始化CPU;初始化內存，包括啟用內存庫、初始化內存配置寄存器等;初始化串行端口(如果在目標板上有的話);啟用指令/數據高速緩存;設置堆棧指針;設置參數區域并構造參數結構和標記(這是重要的一步，因為內核在標識根設備、頁面大小、內存大小以及更多內容時要使用引導參數);打開/關閉看門狗;調用主體入口函數;跳轉到內核的開始。

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　　程序模型的建立

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

　　圖2 程序執行順序示意圖

　　程序設計

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

　　cpu.c的功能是初始化CPU內核，CPU主要控制器以及系統時鐘控制器;board.c主要是初始化跟目標板密切相關的外圍設備，包括閃存、CPLD以及系統內存等;console.c是目標板的串口初始化程序，它對CPU的串口進行初始化，并配置串口的速率;main.c的功能就是引導Linux內核以及文件系統。

　　當CPU上電或者施加復位信號時，CPU通過讀取數據總線D[0：3l]上的值或根據內部的缺省常數D[0：31]=0x00000000，來確定它的狀態。如果CPU在讀取總線值時，信號引腳RSTCONF#為低電平，則硬件復位配置字(HRCW)從總線上讀取;若RSTCONF#為高電平，則HRCW選用內部的默認值。上電后，啟動存儲控制器CSO#(對應于閃存的片選信號)有效，選中閃存，CPU地址線上輸出硬件復位中斷向量對應的地址0x00000100，開始讀第1條指令。在Genesis中，這條指令對應于entry.S中_start：標號處。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)

　　接下來對CPU CORE進行初始化配置。首先是關閉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地址：

　　map_flash_by_law1:

　　remap_flash_by_law0:

　　在CPU內部開放的高速緩存區設置堆棧。未初始化設備外部DRAM之前，只能利用CPU內部的cache作為內存。下一步就可以進入第二階段的CPU初始化，即C語言環境：

　　setup_stack_in_data_cache_on_r1:

　　堆棧建立好以后，馬上進入步驟S1,它跳轉到cpu.c里面的cpu_init()函數。在這段代碼里面，配置所有的CPU控制寄存器。在匯編里面調用C函數語句是bl cpu_init。

　　當配置結束以后，進入步驟S2,指針返回到entry.S。緊接著執行調用board_init函數，進入步驟S3,跳轉到board.c里面，執行board_init()函數。在這個函數里面包括了幾個重要部分。

　　1)get_clocks()函數

　　初始化CPU的PLL和系統時鐘寄存器。

　　2 ) init_timebase()初始化計數器

　　3)初始化串口：serial_init (port,baudrate)

　　越早開通串口，對后面的工作越有好處。serial_init()調用的是console.c。對于E300內核的MPC83xx系列處理器，一般都提供兩組UART接口，支持RS232、UART16550、HDLC等應用。本文將UART1用作串行輸出接口，使用PC16550協議。由于后面很多調試都要依賴調試接口，因此，對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)

　　這是很重要的一個步驟。如果DDR RAM配置不對，那么后面的工作將無法進行。在目標板上用到了DDR2類型的內存條。這樣的設計可以動態調整使用內存的大小，也大大減少對DDR內存的配置工作。一般來說DDR內存條上都有一塊eeprom，是存儲基本DDR信息的。它提供了標準的I2C接口，供CPU來訪問。所以在本系統里，就是通過I2C來讀取DDR內存條上的基本信息，然后根據這些信息正確配置CPU的DDR控制器。I2C的驅動很容易在開源代碼里面找到，然后根據所使用的CPU稍微修改就可以。

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　　DDR內存初始化完成以后，進入步驟S4,返回entry.S。然后執行步驟S5,調用main.c里面的函數run_into_ram()，目的是實現代碼的搬移。調用entry.S里面的relocate_code()函數，執行步驟S6，將代碼從閃存拷貝到DDR RAM里面：global relocate_code。

　　拷貝結束以后直接跳轉到main()函數：bl main。到這里，CPU和外部基本設備的初始化都完成了。接下來就可以正確引導Linux內核了。利用代碼拷貝，將存放于閃存的Linux內核拷貝到DDR RAM里面，然后直接跳轉到該地址，開始執行步驟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下面執行復位命令時候的指針跳轉方向。在復位時，程序都是返回entry.S，然后重新執行。

　　結語

　　將按照流程設計并編譯好的bin文件下載到目標板，經過測試，它能夠正確引導Linux內核和文件系統，實現了BootLoader的功能。為了使Genesis的功能更加豐富，還可進行一些補充性的開發，比如增加Genesis命令行編輯;添加設備地址空間的讀寫命令等。■

　　參考文獻

　　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