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@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：TP393.051．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*/nopb boot_cold. = EXC_OFF_SYS_RESET + 0x10 中国科技论文在线.globl _start_warm_start_warm:li r19, BOOTFLAG_WARM /* Software reboot */b boot_warmboot_cold:lis r4, CONFIG_DEFAULT_IMMR@hnopboot_warm:mfmsr r5 /* save msr contents */lis r3, CFG_IMMR@hori r3, r3, CFG_IMMR@lstw 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, 0x4beq 1fxor r4, r4, r4stw r4, SWCRR(r3)然后关闭所有的TLB，代码如下：/* invalidate all tlb's */li r3, 32mtctr r3li r3, 01: tlbie r3addi r3, r3, 0x1000bdnz 1bSYNC4）重新映射闪存的绝对地址；代码如下：bl map_flash_by_law1lis r4, (CFG_MONITOR_BASE)@hori r4, r4, (CFG_MONITOR_BASE)@laddi r5, r4, in_flash - _start + EXC_OFF_SYS_RESETmtlr r5blrin_flash:#if 1 /* Remapping flash with LAW0. */bl remap_flash_by_law05）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_transsync/* enable and invalidate the data cache */bl dcache_enablesync/* Cache must be enabled here for stack-in-cache trick */bl lock_ram_in_cachesync6）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：¾ 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；¾ get_clocks：获得并设置CPU和BUS时钟；¾ init_timebase：初始化计数器；¾ env_init：设置环境变量,初始化环境；¾ init_baudrate：指定串口的波特率；¾ 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；¾ console_init_f：设置gd->have_console=1,表示可以使用串口通讯控制台；¾ display_banner：在控制台输出 U-boot 信息；¾ checkcpu：检查CPU版本信息；¾ checkboard：检查board信息；¾ init_func_i2c：初始化i2c接口；¾ 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。