Uboot启动流程分析和移植介绍

基于MPC83xx 的U-boot 启动流程分析和移植

董 闯

北京邮电大学信息与通信工程学院，北京（100876）

E-mail ：donix.dong@https://www.360docs.net/doc/7d11811251.html,

摘 要：本文首先引入Bootloader 的概念，接着介绍U-boot 这种引导程序，并以Freescale 32位微处理器MPC83xx 为例，结合代码详细分析了U-boot 的启动的各个阶段及最终引导Linux 内核的过程，最后，建立交叉编译环境，针对TC8313E 目标板，给出U-boot 移植与编译的基本步骤。

关键词：U-boot；MPC83xx；交叉编译；移植；嵌入式系统

中图分类号：TP393.05

1．引言

引导程序(Bootloader)是系统加电后运行的第一段软件代码，类似于PC 机中的引导加载程序BIOS 。虽然引导程序仅在系统启动时运行非常短的时间，但对于嵌入式系统来说，这是一个非常重要的组成部分。通过这段小程序，初始化必要的硬件设备，创建内核需要的一些信息并将这些信息传递给内核，从而将系统的软、硬件环境配置到一个合适的状态，最终调用操作系统内核，真正起到引导和加载内核的作用。

2. U-boot 介绍

目前，嵌入式领域里出现了很多种类的Bootloader ，如Armboot 、Blob 、Redboot 、vivi 和U-boot 等，其中U-boot 是使用最广泛，功能最完善的。

U-boot (Universal Boot Loader)是从PPCBOOT 发展演化而来[1]

，其源码目录、编译形式与Linux 内核很相似，事实上，不少U-boot 源码就是相应的Linux 内核源程序的简化，尤其是一些设备的驱动程序，这从U-boot 源码的注释中就能体现。U-boot 中Universal 有两层含义，一是U-boot 除了支持PowerPC 系列的处理器外，还能支持MIPS 、x86、ARM 、NIOS 、XScale 等诸多常用系列的处理器；另外一层含义则是U-boot 不仅仅支持嵌入式Linux 操作系统的引导，还支持OpenBSD, NetBSD, FreeBSD, SVR4, Solaris, VxWorks, LynxOS, pSOS, lrix, RTEMS, QNX, ARTOS 等操作系统的引导。这两个特点正是U-boot 项目的开发目标，即支持尽可能多的嵌入式处理器和嵌入式操作系统。就目前来看，U-boot 对PowerPC 系列处理器支持最为丰富，对Linux 的支持最完善。 3. U-boot 启动流程分析

大多数Bootloader 都分为阶段1(stage1)和阶段2(stage2)两大部分，U-boot 也不例外。依赖于CPU 体系结构的代码（如CPU 初始化代码等）通常都放在阶段1 中，这些代码一般由汇编语言实现，有些CPU 还会在这个阶段调用部分的C 函数，例如MPC83xx ；U-boot 的阶段2则用于实现复杂的功能，这部分功能通常用C 语言来实现，具有更好的可读性和移植性。下面结合MPC83xx 的启动流程进行分析：

3.1 U-boot 的stage1

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中国科技论文在线

U-boot stage1的第一段代码通常放在start.S 文件中，它由汇编语言实现。整个stage1都围绕这段汇编代码展开。MPC83xx U-boot stage1的启动流程如图3-1所示：

图3－1 MPC83xx U-boot stage1的启动流程

下面以MPC83xx 的第一段代码（cpu\mpc83xx\start.S ）为例，功能分析如下：

1）上电复位，读取硬件复位配置字(HRCW)；

这个操作是MPC83xx 处理器自定义的，CPU 上电复位之后，对应于启动ROM 的片选信号CS0#有效，首先在Flash 的起始地址处读取硬件复位配置字，每次读8位，每四次组成一个32位的配置字，共读取8次，分别组成低32位配置字和高32位配置字，代码如下： .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(CFG_HRCW_LOW)

_HRCW_TABLE_ENTRY(CFG_HRCW_HIGH)

其中起始地址.text 由board\mpc83xx_board\config.mk 文件定义。配置字读完，PLL 开始锁定。

2）入口启动，开始执行；

一个可执行的Image 必须有一个入口点，并且只能有一个全局入口ENTRY(_start)，这个全局入口由链接脚本board\mpc83xx_board\U-boot.lds 确定。PLL 锁定后，CS0#再次有效，选中Flash ，CPU 地址线上输出mpc83xx 处理器系统复位异常向量对应的地址，开始执行第1条指令，代码如下：

globl _start

_start:

li r19, BOOTFLAG_COLD /* Normal Power-On: Boot from FLASH*/

nop

b boot_cold

. = EXC_OFF_SYS_RESET + 0x10

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.globl _start_warm

_start_warm:

li r19, BOOTFLAG_WARM /* Software reboot */

b boot_warm

boot_cold:

lis r4, CONFIG_DEFAULT_IMMR@h

nop

boot_warm:

mfmsr r5 /* save msr contents */

lis r3, CFG_IMMR@h

ori r3, r3, CFG_IMMR@l

stw r3, IMMRBAR(r4)

3）CPU内核初始化（init_e300_core）：首先初始化机器状态；接着关闭看门狗，屏蔽所有中断，代码如下：

/* Disable Wathcdog */

lwz r4, SWCRR(r3)

/* Check to see if its enabled for disabling, once disabled by SW you can't re-enable */ andi. r4, r4, 0x4

beq 1f

xor r4, r4, r4

stw r4, SWCRR(r3)

然后关闭所有的TLB，代码如下：

/* invalidate all tlb's */

li r3, 32

mtctr r3

li r3, 0

1: tlbie r3

addi r3, r3, 0x1000

bdnz 1b

SYNC

4）重新映射闪存的绝对地址；

代码如下：

bl map_flash_by_law1

lis r4, (CFG_MONITOR_BASE)@h

ori r4, r4, (CFG_MONITOR_BASE)@l

addi r5, r4, in_flash - _start + EXC_OFF_SYS_RESET

mtlr r5

blr

in_flash:

#if 1 /* Remapping flash with LAW0. */

bl remap_flash_by_law0

5）使能地址翻译，使能D-Cache并锁定，在CPU内部的Data Cache中，建立堆栈（stack-in-cache）。因为在没有初始化外部SDRAM之前，只能利用CPU内部的Cache作为内存来继续下一步的初始化，即这一步是为了进一步调用C语言函数进行初始化而建立堆栈，代码如下：

/* enable address translation */

bl enable_addr_trans

sync

/* enable and invalidate the data cache */

bl dcache_enable

sync

/* Cache must be enabled here for stack-in-cache trick */

bl lock_ram_in_cache

sync

6）堆栈（stack-in-cache）建立好以后，它通过“bl cpu_init_f 语言跳转到

\cpu\mpc83xx\cpu_ini.c中的cpu_init_f()函数, 开始第二部分的CPU初始化，这是个C函数，但仍然在Flash中运行。该函数对所有的CPU内部的寄存器进行初始化，包括初始化内存控制器；

7）当寄存器初始化结束以后，它通过“bl board_init_f” 语言跳转到lib_ppc\Board.c中的board_init_f()函数，为全局变量结构体gd分配内存空间，进行初始化序列init_sequence，这些C函数仍然在Flash中运行，目的是：a）为了输出打印信息而尽早提供串口，b）为准备重定位而初始化SDRAM。然后指针返回到start.S执行。

全局变量结构体gd 主要用来保存开发板信息、终端存在标志位、环境变量结构体起始地址、环境变量校验标志位、frame buffer 基地址等。它是指向gd_t 结构体的指针，gd_t 结构体定义在Include\asm-ppc\global_data.h中。

初始化序列init_sequence中各函数的作用如下所示：

? board_early_init_f：基本的板级相关配置，主要包括设置处理器类型和启动参数地址；

? get_clocks：获得并设置CPU和BUS时钟；

? init_timebase：初始化计数器；

? env_init：设置环境变量,初始化环境；

? init_baudrate：指定串口的波特率；

? serial_init：串口初始化设置；选择通讯端口，设置串口波特率和工作方式，越早开通串口，对后面的工作越有好处；

? console_init_f：设置gd->have_console=1,表示可以使用串口通讯控制台；

? display_banner：在控制台输出 U-boot 信息；

? checkcpu：检查CPU版本信息；

? checkboard：检查board信息；

? init_func_i2c：初始化i2c接口；

? init_func_ram：初始化SDRAM；

8）内存初始化完成以后，返回start.S，重定位，调用relocate_code()函数，将stage2代码从闪存拷贝到RAM里面。

.globl relocate_code

relocate_code:

mr r1, r3 /* Set new stack pointer */

mr r9, r4 /* Save copy of Global Data pointer */

mr r10, r5 /* Save copy of Destination Address */

mr r3, r5 /* Destination Address */

9）设置RAM中的堆栈，清bss段。

clear_bss:

lwz r3,GOT(__bss_start) /* Now clear BSS segment */

10）指针跳转到第二阶段C 程序入口点。至此阶段1 完毕。

3.2 U-boot的阶段2

U-boot stage2的启动流程如图3－2所示：

图3－2 U-boot阶段2的启动流程

U-boot stage2的运行过程分析如下：

1）lib_ppc\board.c 中的board_init_r()是第二阶段C 语言开始的函数，它在SDRAM里运行，该函数主要是调用一系列的初始化函数，初始化高速缓存器和本阶段所用到的外围硬件设备。board_init_r()里主要包含以下子函数：

? watchdog_reset()：复位看门狗；

? icache_enable()：初始化I-Cache；

? unlock_ram_in_cache()：解锁D-Cache；

? flash_init()：初始化Nor Flash，使之支持写入、擦除功能；

? nand_init()：初始化Nand Flash；

? console_init_r()：再次初始化控制台串口；

? eth_initialize()：初始化以太网口；

2）跳到主循环main_loop()函数，检查环境变量中有没有定义bootdelay的值，如果定义过就把值读出来，该环境变量值定义了进入U-boot的等待时间。如果在此时间内没有按键，从串口查询不到按键输入，则执行设置的缺省命令（本系统执行的缺省命令是bootm命令，启动操作系统内核）。若按键则进入命令循环，显示命令行模式的交互界面，接受用户从串口输入的命令。在该界面下，每从串行口读入一个命令行，就与U-boot所提供的命令对比，发现相符就以命令行中的参数调用相应的函数。

3）确定目标板是进入下载操作模式还是启动加载模式，如果是启动加载模式，则将内核映像和根文件系统映像从Flash 上读到SDRAM 空间中；如果是下载操作模式，则通过网口或者串口将内核映像和根文件系统下载到SDRAM里；

4）为内核设置启动参数；

5）调用内核。

4. 交叉编译环境的建立

在嵌入式系统开发中，通常主机（PC宿主机，host）与目标板（目标系统电路板，target）的CPU 体系结构都不相同，所以需要进行交叉编译，交叉编译的目标是把U-boot、Linux内核以及其他代码编译成目标板CPU格式（例如PowerPC）的目标代码。GNU GCC是Linux的首选开发工具，它是一个跨平台、支持交叉编译的编译工具。所有源代码可以从

ftp://https://www.360docs.net/doc/7d11811251.html,/gnu/下载。但是从零开始制作一整套交叉编译工具，是一个比较复杂而且辛苦的事情。在此，本文使用Denx公司发布的开放源码的ELDK(Embedded Linux Development Kit)工具，它不仅包括一整套交叉编译工具，例如GCC、Binutils、GDB，而且还拥有适用ARM、MIPS、PowerPC等不同CPU体系结构的版本[2]。可以从http://ftp.denx.de/pub/eldk/下载你需要的版本，这里我们下载适合Freescale公司PowerPC的ppc-2008-04-01_freescale.iso。下载安装完成后，设置CROSS_COMPILE环境变量：

# export CROSS_COMPILE=ppc_6xx- （注：ppc_6xx=e603内核，e300内核）这样设置的环境变量，只能此次生效，如果要永久生效，需要更改用户目录下的.bashrc文件，用vi打开.bashrc，在里面添加如下的语句：

export CROSS_COMPILE=ppc_6xx-

export PATH=$PATH:/opt/eldk/usr/bin

然后运行source .bashrc，或者重启Linux操作系统，使之生效。

5. U-boot的移植与编译

U-boot的源代码包含对几十种处理器、数百种开发板的支持，因此对于特定的目标板，配置、编译过程只需要修改其中部分的程序。这里以mpc8313e处理器为例，具体分析

mpc8313erdb开发板和mpc8313e处理器所依赖的程序，并针对TC8313E目标板，给出U-boot 移植与编译的基本步骤[3]：

1）选择U-boot移植参考板。

这是进行U-boot移植首先要明确的，可以根据目标板上CPU、FLASH、DDR2-SDRAM 的情况，以尽可能相一致为原则，先找出一个与所移植目标板为同一个或同一系列处理器的

U-boot支持板为移植参考板。例如，TC8313E目标板可选择U-boot源码中mpc8313erdb开发板作为U-boot移植参考板。在实际移植过程中，可用Linux命令查找移植参考板的特定代码，如grep –r mpc8313erdb可确定出在U-boot中与mpc8313erdb板有关的代码，依此对照目标板实际进行移植。

2）在顶层Makefile中为目标板添加新的配置选项；

阅读Makefile文件，在Makefile文件中添加两行，如下所示：

TC8313E_config: unconfig

@$(MKCONFIG) -a TC8313E ppc mpc83xx TC8313E freescale

其中ppc是CPU的种类，mpc83xx是ppc CPU对应的代码目录，TC8313E是自己主板对应的目录，freescale是相似开发板MPC8313ERDB的提供厂家。

3）创建一个新目录存放目标板相关的代码；

然后在board/freescale目录下，把参考板mpc8313erdb文件夹复制为tc8313e文件夹，根据目标板的具体情况修改Makefile、config.mk、mpc8313erdb.c等文件。

4）为目标板添加新的配置文件；

把include/configs/mpc8313erdb.h拷贝为tc8313e.h并进行修改，它是目标板的配置文件，实现CPU、时钟系统、Flash系统、RAM系统等所有目标板信息的配置，是需要修改的最重要的一个文件。

5）添加驱动或者功能选项；

例如，要实现U-boot的以太网口，Flash的擦写等功能的驱动，需要在drivers文件夹下添加、修改相应的代码。

6）编译U-boot；

当把U-boot代码移植之后，就可以编译并得到最后运行的二进制代码了：

# make distclean /* 清除 */

# make TC8313E_config /* 配置 */

# make all /* 编译 */

7）调试U-boot代码，直到U-boot可以在目标板上正常启动。

6. 总结

U-boot是一个功能强大、应用广泛的Bootloader，它支持上百种开发板和多种嵌入式操作系统，可方便地移植到各种硬件平台上。目前，笔者移植的U-boot已可靠地运行在目标板上，并在此基础上成功地加载了Linux内核和根文件系统，为后续的驱动和应用程序开发奠定了基础。对于不同的CPU和开发板，U-Boot的启动原理和移植步骤大致相同。希望本文能对PowerPC 开发和U-boot移植的朋友有所帮助。

参考文献

[1]Wolfgang Denk. The Universal Boot Loader[EB/OL]. http://www.denx.de/wiki/publish/UBootdoc/, 2005.10.

[2]漆昭铃．《基于PowerPC的嵌入式Linux》[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2004.3.

[3]孙琼．《嵌入式Linux应用程序开发详解》[M]，北京：高等教育出版社，2006.7.

Analysis of U-boot startup and Porting based on MPC83xx

Dong Chuang

School of Information and Communication Engineering,

Beijing University of Posts and Telecommunications, (100876)

Abstract

Bootloader is a startup code, which initializes the inside registers and the function block of the embedded processor. U-boot has been widely used and is becoming more and more popular. By using the startup code of MPC83xx, the paper explains all the stages of the process and the ultimate load of the Linux kernel in detail. Further, the building of the cross-compile tool and the basic routine of porting and compiling the U-boot code in the target (TC8313E) is introduced.

Keywords: U-boot, MPC83xx, Cross-compile, Port, Embedded system