UBOOT+LINUX上电启动

基于MPC8308 uboot全程启动

【本文导读】：本文基于20M项目开发中的一些心得和体会，主要描述UBOOT是如何运转起来的。重点详细的描述uboot的启动流程，为uboot移植做详细的分析笔录及后续调试查找问题提供依据。

【keywords】:配置字，uboot，启动，移植

1 启动配置

1.1启动配置字

CPU根据CFG_RESET_SOURCE[0:3]引脚信号判别从哪处读取重启配置字。根据RRU8B10电路图中的CFG_RESET_SOURCE[0:3]四根线接，即CFG_RESET_SOURCE[0:3]= 0000，可知重启配置字从NOR Flash中加载。根据TEXT_BASE = 0xFE000000定义.text的起始地址。

.text

#define _HRCW_TABLE_ENTRY(w) \

.fill 8,1,(((w)>>24)&0xff); \

.fill 8,1,(((w)>>16)&0xff); \

.fill 8,1,(((w)>> 8)&0xff); \

.fill 8,1,(((w) )&0xff)

_HRCW_TABLE_ENTRY(CONFIG_SYS_HRCW_LOW)

_HRCW_TABLE_ENTRY(CONFIG_SYS_HRCW_HIGH)

CPU读完启动配置字后，主要配置PLL及启动地址。下面是对启动配置字的详细描述。

图1是RCWLR与RCWHR格式。

RCWLR：主要用于PLL比例

RCWHR：主要用于决定从哪里启动及其他

1

图1：重启配置字格式

下面是本项目中对启动配置字的配置

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1.1.1 PLL

图二：时钟子系统

（1） csb_clk = [SYS_CLK_IN] × SPMF 其中SYS_CLK_IN 24-66MHZ and 33.3平均 （2） qe_clk = (QE_CLK_IN × CEPMF) ÷ (1 + CEPDF) （3） ddr_clk = 2*csb_clk; （4） lbc_clk

= csb_clk;

csb_clk = 33.3*4=133Mhz

ddr_clk = 2* csb_clk=266Mhz

以及其他模块可通过SCCR寄存器配置时钟

1.1.2 RCW关键字段

下面重点描述RCWHR的配置某个字段：

RCWHR[ROMLOC]、RCWHR[RLEXT]共同决定设备启动。

RCWHR[BMS]:

从相应的地方读取硬件配置字（RCWL，RCWH）后，会设置相应的寄存器。其中RCWH 中的BMS位值为1，定义了e300核心的MSR[IP]位初始值，如上图所示，MSR[IP]为1决定中断向量的前缀为0xFFF，启动存储空间的位置为0xFF80_0000~0xFFFF_FFFF;SWEN位为0，禁止软件看门狗；ROMLOC位为0b110，RLEXT位为0b00确定了选择local bus GPCM-16bit ROM 为启动ROM。复位向量和本地地址映射的默认启动ROM访问将直接指向ROMLOC指定的接口。选中的启动ROM的本地访问窗口（LBLAW0）将被使能，CPU根据LBLAWBAR0，BR0，OR0确定启动后第一条指定从哪处取，这点在powerpc上电复位过程.docx中有所描述。

中断向量的前缀为0x000，复位向量为100，决定了系统复位后的第一条指令从

0x0000_0100处获得。

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/cpu/mpc83xx/u-boot.lds文件时连接器脚本文件，其中

.text :

{

cpu/mpc83xx/start.o (.text)

…………………….

}

………………

ENTRY(_start)

规定了代码段从/cpu/mpc83xx/start.s开始。而ENTRY(_start)这一句告诉编译器uboot.bin的镜像入口点为start.s中的_start标号。

UBOOT内存映射：

Range Start Range End Definition Size

0x0000_0000 0x07ff_ffff DDR 128M

0xa000_0000 0xafff_ffff PCI Express 1 Mem 256M

0xb000_0000 0xb0ff_ffff PCI Express 1 Config 16M

0xb100_0000 0xb17f_ffff PCI Express 1 IO 8M

0xe000_0000 0xe00f_ffff IMMR 1M

0xfe00_0000 0xffff_ffff NOR Flash (CS0) 32M

The 32M NOR flash starts at address 0xfe000000:

Range Start Range End Definition

0xfe00_0000 0xfe05_ffff U-Boot

0xfe0a_0000 0xfe2f_ffff Kernel

0xfe30_0000 0xfe7f_ffff Ramdisk file system

0xfe80_0000 0xfe81_0000 DTB

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下面通过uboot源码实现看看这些实现过程；

2 U-Boot 启动流程

2.1 总体启动流程

1. /cpu/mpc83xx/u-boot.lds文件时连接器脚本文件，其中

.text :

{

cpu/mpc83xx/start.o (.text)

…………..

}

………ENTRY(_start)

规定了代码段从/cpu/mpc83xx/start.s开始。而ENTRY(_start)这一句告诉编译器uboot.bin的镜像入口点为start.s中的_start标号。

2.CPU入口函数_start（FLASH中运行）：/cpu/mpc83xx/start.S

主要功能：

（1）设置IMMRBAR

（2）初始化E300处理器内核

（3）初始化并使能MMU

（4）使能数据cache

（5）调用CPU初始化函数cpu_init_f

（6）调用主板初始化函数board_init_f

3.CPU初始化函数cpu_init_f（FLASH中运行）：/cpu/mpc83xx/cpu_init.c

主要功能：

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（1）初始化CPU相关寄存器

（2）建立系统内存映射

4.主板初始化函数一board_init_f（FLASH中运行）：/lib_ppc/board.c

主要功能：

（1）初始化Time Base

（2）初始化串口

（3）初始化console

（4）检查CPU型号

（5）初始化DDR内存

（6）将U-Boot重定位到内存中

5.主板初始化函数二board_init_r（内存中运行）：/lib_ppc/board.c

主要功能：

（1）使能指令cache

（2）初始化FLASH驱动

（3）初始化中断

（4）初始化以太网

（5）进入main主循环处理用户命令

（6）从FLASH中加载Linux内核、文件系统以及DTB

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2.2init_e300_core函数

初始化e300核心，禁止中断响应，只允许machine check中断和system reset中断，禁止指令和数据地址转换，即关闭MMU，进行实地址转换，设置为supervisor级别，禁止看门狗，无效指令和数据cache，等，为系统创建一个干净可靠的初始环境。

2.3 窗口重映射

从前面MPC8308上电流程可以看出，上电之后，第一条代码是从0xFFF0_0100的地方开始执行的，但是flash并不一定会分配在0xFF00_0000到0xFFFF_FFFF的地方（以32M的为例）。在本系统中，Flash的地址就被分配到了0xFE00_0000到0xFFFF_FFFF的地方。所以这其中需要做一个跳转，这正是这段代码中map_flash_by_law1，remap_flash_by_law0等函数要做的，具体的流程可以由下面的五张图来说明：

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1 开始时，BR0，OR0为全零，4G全是重复的Flash，CPU通过LBLAW0访问Flash空间FF80_0000到FFFF_FFFF。

2 map_flash_by_law1函数使用LBLAW1映射FE00_0000到FEFF_FFFF这段空间。

3 跳转到FE00_0000这段空间执行代码，由于4G空间重复，只要偏移地址计算正确就会顺序执行。

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4 remap_flash_by_law0函数设置BR0为FE00_0000，OR0大小为32M。

5 remap_flash_by_law0函数设置LBLAW0窗口映射FE00_0000到FFFF_FFFF区域，并

清除LBLAW1。

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2.4 Dcache 中分配空间做堆栈

程序跑到这里，就要进入第一个C函数了，C函数的运行需要堆栈空间，但这时，RAM 还没有初始化，只能在Dcache中锁定一定的空间，用于C的堆栈空间。

lock_ram_in_cache函数在Dcache中锁定4k的空间。

下面的几行代码将堆栈指针指向刚刚分配好的Dcache空间。

lis r1, (CFG_INIT_RAM_ADDR + CFG_GBL_DATA_OFFSET)@h

ori r1, r1, (CFG_INIT_RAM_ADDR + CFG_GBL_DATA_OFFSET)@l

li r0, 0

stwu r0, -4(r1)

2.5 cpu_init_f 函数

该函数是系统执行的第一个C语言的函数，主要是做一些CPU寄存器的初始化，其中最重要的部分是初始化Local Access Windows的值和Local Bus上的片选BR，OR的值。这些值需要在/include/configs/MPC8308rru.h中配置好。

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2.6 board_init_f 函数

该函数为板级初始化的第一个函数，会对板子上很多硬件外设做初始化，其中最重要的为init_sequence数组，该数组里面包含了很多板级的硬件初始化函数，在

board_init_f函数中会依次的调用该数组中的函数去初始化各个硬件，该数组如下：init_fnc_t *init_sequence[] = {

#if defined(CONFIG_BOARD_EARLY_INIT_F)

board_early_init_f,

#endif

#if !defined(CONFIG_8xx_CPUCLK_DEFAULT)

get_clocks, /* get CPU and bus clocks (etc.) */

#if defined(CONFIG_TQM8xxL) && !defined(CONFIG_TQM866M) /

&& !defined(CONFIG_TQM885D)

adjust_sdram_tbs_8xx,

#endif

init_timebase,

#endif

#ifdef CFG_ALLOC_DPRAM

#if !defined(CONFIG_CPM2)

dpram_init,

#endif

#endif

#if defined(CONFIG_BOARD_POSTCLK_INIT)

board_postclk_init,

#endif

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env_init,

#if defined(CONFIG_8xx_CPUCLK_DEFAULT)

get_clocks_866, /* get CPU and bus clocks according to the environment variable */

sdram_adjust_866, /* adjust sdram refresh rate according to the new clock */

init_timebase,

#endif

init_baudrate,

serial_init,

console_init_f,

display_options,

#if defined(CONFIG_8260)

prt_8260_rsr,

prt_8260_clks,

#endif /* CONFIG_8260 */

#if defined(CONFIG_MPC83XX)

prt_83xx_rsr,

#endif

checkcpu,

#if defined(CONFIG_MPC5xxx)

prt_mpc5xxx_clks,

#endif /* CONFIG_MPC5xxx */

#if defined(CONFIG_MPC8220)

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prt_mpc8220_clks,

#endif

checkboard,

INIT_FUNC_WATCHDOG_INIT

#if defined(CONFIG_MISC_INIT_F)

misc_init_f,

#endif

INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET

#if defined(CONFIG_HARD_I2C) || defined(CONFIG_SOFT_I2C)

init_func_i2c,

#endif

#if defined(CONFIG_DTT) /* Digital Thermometers and Thermostats */ dtt_init,

#endif

#ifdef CONFIG_POST

post_init_f,

#endif

INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET

init_func_ram,

#if defined(CFG_DRAM_TEST)

testdram,

#endif /* CFG_DRAM_TEST */

INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET

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NULL, /* Terminate this list */

};

可以看到时钟，内存，串口，控制台等初始化函数的调用，其中串口的初始化要先于内存初始化。

2.7 relocate_code 函数

到目前为止，boot代码都是在Flash中运行，但是代码最终是要到RAM中运行的，在上面的board_init_f函数中已经将RAM初始化好了，具备了在RAM中运行程序的能力，现在relocate_code函数需要做两个事情：

1 从Flash中拷贝uboot的代码到RAM

2记下现在执行代码的偏移，跳转到RAM中相应的位置执行。

2.8 board_init_r 函数

该函数为板级初始化的第二阶段，主要是初始化PCI，PCIE，网口，Flash等设备，关闭看门狗，把前面借dcache做堆栈的空间解锁，还给cache。在一切设备都初始化好后，便会进去main_loop的死循环中。

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3 U-Boot 关键的数据结构

U-boot的主要功能是用于引导OS的，但是本身也提供了许多强大的功能，可以通过输入命令行来完成许多操作。所以它本身也是一个很完备的系统。U-boot的大部分操作都是围绕它自身的数据结构，这些数据结构是通用的，但是不同的板子初始化这些数据就不一样了。所有U-boot的通用代码是依赖于这些重要的数据结构的。

3.1 gd全局数据变量指针

它保存了U-boot运行需要的全局数据，类型定义：

typedef struct global_data {

bd_t *bd; //board data pointor板子数据指针

unsigned long flags; //指示标志，如设备已经初始化标志等。

unsigned long baudrate; //串口波特率

unsigned long have_console; //串口初始化标志

unsigned long reloc_off; //重定位偏移，就是实际定向的位置与编译连接时指定的位置之差，一般为0

unsigned long env_addr; //环境参数地址

unsigned long env_valid; //环境参数CRC检验有效标志

unsigned long fb_base; //base address of frame buffer

#ifdef CONFIG_VFD

unsigned char vfd_type; //display type

#endif

void **jt; //跳转表

} gd_t;

3.2 bd 板子数据指针

板子很多重要的参数。类型定义如下：

typedef struct bd_info {

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int bi_baudrate; //串口波特率

unsigned long bi_ip_addr; //IP地址

unsigned char bi_enetaddr[6]; //MAC地址

struct environment_s *bi_env;

ulong bi_arch_number; //unique id for this board

ulong bi_boot_params; //启动参数

struct //RAM配置

{

ulong start;

ulong size;

} bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS];

} bd_t;

3.3环境变量指针

env_t *env_ptr = (env_t *)(&environment[0]); (common/Env_nand.c)

env_ptr指向环境参数区，系统启动是默认的环境参数environment[],定义在common/environment.c中。

参数解释：

bootdelay 定义执行自动启动的等候秒数

baudrate 定义串口控制台的波特率

netmask 定义以太网接口的掩码

ethaddr 定义以太网接口的MAC地址

bootfile 定义缺省的下载文件

bootargs 定义传递给Linux内核的命令行参数

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bootcmd 定义自动启动时执行的几条命令

serverip 定义tftp服务器段的IP地址

ipaddr 定义本地的IP地址

stdin 定义标准输入设备，一般是串口

stdout 定义标准输出设备，一般是串口

stderr 定义标准错误信息输出设备，一般是串口

3.4设备相关

标准IO设备数组evice_t *stdio_devices[] = {NULL, NULL, NULL};

设备列表list_t devlist = 0;

device_t的定义：include/devices.h

typedef struct {

int flags; /* Device flags: input/output/system */

int ext; /* Supported extensions */

char name[16]; /*Device name */

/* GENERAL functions */

int (*start)(void); /* To start the device */

int (*stop)(void); /* To stop the device */

/* 输出函数*/

void (*putc)(const char c); /* To put a char */

void (*puts)(const char *s); /* To put a string(accelerator) */

/* 输入函数*/

int (*tstc)(void); /* To test if a char is ready… */

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int (*getc)(void); /* To get that char */

/* Other functions */

void *priv; /* Private extensions */\ } device_t;

U-boot把可以用为控制台输入输出的设备添加到设备列表devlist，并把当前用作标准IO的设备指针加到stdio_devices数组中。

在调用标准IO函数如printf()时将调用stdio_devices数组对应设备的IO函数如putc()。

3.5命令结构体类型定义：include/command.h

struct cmd_tbl_s {

char *name; /* Command Name 命令名*/

int maxargs; /* maximum number of arguments 最大参数个数*/

int repeatable; /* autorepeat allowed? */

/* Implementation function 命令执行函数*/

int (*cmd)(struct cmd_tbl_s *, int, int, char *[]);

char *usage; /* Usage message (short) */

#ifdef CFG_LONGHELP

char *help; /* Help message (long) */

#endif

#ifdef CONFIG_AUTO_COMPLETE

/* do auto completion on the arguments */

int (*complete)(int argc, char *argv[], char last_char, int maxv, char *cmdv[]);

#endif

};

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