系統(tǒng)處理器啟動時，首先執(zhí)行一個預定地址處的指令，通常這個位置是只讀內(nèi)存，存放系統(tǒng)初始化或引導程序，其功能是執(zhí)行CPU初始化并配置其他硬件，然后copy操作系統(tǒng)到RAM中。
在嵌入式Linux系統(tǒng)中，這些工作由Bootloacler(引導加載程序)完成，它是在嵌入式系統(tǒng)CPU加電復位和進入操作系統(tǒng)之前運行的代碼，主要用于完成由硬件啟動到操作系統(tǒng)啟動的過渡，為操作系統(tǒng)提供基本的運行環(huán)境，如初始化CPU、堆棧、存儲器系統(tǒng)等，其數(shù)值必須要符合用戶的硬件配置，并且按特定順序?qū)懭?。嵌入式Linux系統(tǒng)的引導、配置甚至應用程序的運行都與Bootloader有關(guān)。
Bootloader源代碼與CPU的內(nèi)核結(jié)構(gòu)和嵌入式設(shè)備的板級配置有關(guān)，必須根據(jù)具體的系統(tǒng)設(shè)計要求進行移植。目前，開源社團已經(jīng)發(fā)展了多種引導Linux內(nèi)核的bootloader，比如PowerPC體系的U-Boot、miniBoot，ARM體系的blob，Intel x32體系的gurb、openBIOS等。
以MPC8265微處理器和嵌入式Linux為背景，針對性地提出U-Boot的移植方法并進行分析研究，此方法可廣泛用于基于MPC282xx系列處理器的嵌入式Linux系統(tǒng)應用開發(fā)中。
1 U-Boot引導加載程序
1．1 U-Boot簡介
U-Boot(Universal Boot Loader)是遵循GPL條款的開放源碼項目。它支持多種嵌入式處理器，如ARM、PowerPC、MIPS等，也支持Linux、VxWorks、QNX、RTEMS、ARTOS、LynxOS等多種嵌入式操作系統(tǒng)。這2個特點正是U-Boot項目的開發(fā)目標，即支持盡可能多的嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。
U-Boot支持的主要功能如下：1)系統(tǒng)引導：支持NFS掛載、從Flash中引導(壓縮或非壓縮)系統(tǒng)內(nèi)核；RAMDISK(壓縮或非壓縮)形式的根文件系統(tǒng)；2)強大的操作系統(tǒng)接口功能，可靈活設(shè)置、傳遞多個關(guān)鍵參數(shù)給操作系統(tǒng)，適合系統(tǒng)在不同開發(fā)階段的調(diào)試要求與產(chǎn)品發(fā)布：3)支持目標板環(huán)境參數(shù)多種存儲方式(如Flash、NVRAM、EEPROM)；4)CRC32校驗，可校驗Flash中內(nèi)核、RAMDISK鏡像文件是否完好；5)設(shè)備驅(qū)動：串口、SDRAM、Flash、以太網(wǎng)、LCD、NVRAM、EEP-ROM、鍵盤、USB、PCMCIA、PCI、RTC等驅(qū)動支持；6)上電自檢功能：SDRAM、Flash自動檢測，SDRAM故障檢測，CPU型號。
1．2 U-Boot主要目錄結(jié)構(gòu)
U-Boot源代碼采用高度模塊化的編程方式，便于在不同的硬件平臺上移植。U-Boot源代碼包含多個目錄，其中與移植相關(guān)的主要有：1)board：目標板相關(guān)文件，存放U-Boot支持的所有目標板的子目錄。目標板上大部分資源的初始化代碼就在這個文件夾中，如SDRAM、Flash驅(qū)動；2)common：獨立于處理器體系結(jié)構(gòu)的通用代碼，實現(xiàn)U-Boot各種公共命令的C文件；3)cpu：存放U-Boot支持的各類型CPU的相關(guān)文件，主要是初始化執(zhí)行環(huán)境，比如mpc8260子目錄包含串口、網(wǎng)口、LCD驅(qū)動及中斷初始化等文件；4)drivers：通用設(shè)備的驅(qū)動程序，如CFI flash驅(qū)動；5)fs：U-Boot支持的文件系統(tǒng)，如ext2、cramfs、fat、fdos、jffs2和registerfs等；6)net：與網(wǎng)絡功能有關(guān)的文件，如B00TP、TFTP、RARP和NFS相關(guān)代碼；7)include：存放頭文件。子目錄include／configs下與目標板相關(guān)的配置頭文件是移植過程中經(jīng)常要修改的文件，可配置目標板的各項參數(shù)(如波特率、引導啟動參數(shù)等)。還有對各種硬件平臺支持的匯編文件、系統(tǒng)的配置文件和對文件系統(tǒng)支持的文件。U-Boot源代碼可以從DENX的網(wǎng)站(http：／／www．denx．de)下載，本文使用的版本是U-Boot-1．2．0。
2 U-Boot的運行流程
U-Boot的運行流程如圖1所示，目標板上電，啟動MPC8265存儲控制器CS0有效，選中Flash，CPU地址線上輸出硬件復位中斷向量對應的地
址，此時執(zhí)行第1條指令，對應＼cpu＼mpc8260＼start．S中的_start：開始執(zhí)行。完成CPU本身基本的初始化后，初始化CPU內(nèi)部寄存器，設(shè)置IMMR、ICTRL等。然后跳轉(zhuǎn)到＼cpu＼mpc8260＼cpu_init．c的函數(shù)cpu_init_f處，進行CPU的底層初始化，主要設(shè)置watchdog、SIUMCR寄存器、PIT、鎖相環(huán)、系統(tǒng)定時器、存儲控制器和CPM等。從start．S中跳轉(zhuǎn)到＼lib_ppe＼board．c的函數(shù)board_init_f處，實現(xiàn)目標板上的第1次初始化，完成SMC初始化和一些硬件測試，尤其是RAM初始化，并分配內(nèi)存空間，保存板級信息，準備在RAM中重定向U-Boot代碼。完成后，跳轉(zhuǎn)到start．S中的函數(shù)relocate_code()處，重定向代碼，將U-Boot代碼搬至SDRAM工作，開始在RAM中運行。然后跳轉(zhuǎn)到board．c文件的函數(shù)board_init_r()處，執(zhí)行板上的第2次初始化，主要完成一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、高端模塊及系統(tǒng)設(shè)備的相關(guān)初始化。最后，U-Boot執(zhí)行board_init_r()中的函數(shù)main_loop()，根據(jù)用戶從控制臺的輸入，完成預先設(shè)定的工作。[!--empirenews.page--]
3 U-Boot的移植
U-Boot在設(shè)計時已考慮到支持使用不同CPU處理器的開發(fā)板，根據(jù)具體板級硬件配置的設(shè)計要求，修改與其相關(guān)的源代碼，將U-Boot移植到新的開發(fā)板上。這里開發(fā)板TDS8265外圍接口主要有100 M網(wǎng)口、RS232串口和JTAG調(diào)試接口等。
3．1 修改U-Boot源代碼
為了簡化移植工作，可在U-Boot源碼中選擇一個與開發(fā)板接近的參考平臺，然后從移植U-Boot的要求和開發(fā)板能正常啟動的角度出發(fā)進行修改。
這里以在U-Boot／board目錄下為TDS8265開發(fā)板新建文件夾TDS8265為例進行說明。
1)修改頭文件TDS8265．h路徑是U-Boot／include／configs／TDS8265．h，是開發(fā)板的主要配置元件，配置CPU、系統(tǒng)時鐘、SDRAM、Flash以及其他開發(fā)板相關(guān)信息。設(shè)置CPU寄存器參數(shù)，需仔細對照處理器datasheet中各寄存器的定義、參考設(shè)置、目標板實際情況等做出選擇并測試。MPC82xx系列處理器較為關(guān)鍵的寄存器有SIUMCR、PS-DMR、SCCR、BRx、ORx等。設(shè)置CPU寄存器基地址IMMR時，注意與硬件配置相對應。如：
設(shè)置與Flash控制相關(guān)的寄存器BR0、OR0時，根據(jù)目標板所用Flash的數(shù)據(jù)手冊與BR0和OR0的相關(guān)位含義合理設(shè)置，這不僅關(guān)系到Flash能否正常工作，而且與串口調(diào)試直接相關(guān)。設(shè)置Flash、SDRAM，包括基址、大小、環(huán)境變量的偏移，內(nèi)存刷新周期。設(shè)置環(huán)境變量，網(wǎng)絡接口，IP地址，MAC地址，用于網(wǎng)絡下載和啟動；設(shè)置Linux內(nèi)核啟動參數(shù)init=／sbin／init。
2)編寫tds8265．c文件 路徑是U-Boot／board／tds8265／tds8265.c。tds8265．c是目標板的SDRAM的驅(qū)動程序，涉及I／0端口表、相關(guān)寄存器的設(shè)置及SDRAM上電初始化過程3個主要部分。任何一部分有問題，都會影響U-Boot、嵌入式操作系統(tǒng)甚至應用程序的運行，所以SDRAM的驅(qū)動不僅關(guān)系到U-Boot本身能否正常運行，而且還與后續(xù)部分相關(guān)。根據(jù)MPC8265處理器datasheet和開發(fā)板的硬件電路圖，配置8265的I／0端口表；設(shè)置寄存器PSDMR和BRl、0R1；向SDRAM中寫入8次以初始化SDRAM等。SDRAM的初始化是由／lib_ppc／board．c中的board_init_f()調(diào)用的，入口為tds8265．c的函數(shù)initdram。
3)修改config．mk文件 路徑是U-Boot／board／tds8265／config．mk。修改中，對該文件中的TEXT_BASE賦值應與TDS8265．h中對CF-G_FLASH_BASE的賦值保持一致。
4)編寫flash．c文件 路徑是U-Boot／board／tds8265／flash．c。flash．c是Flash的驅(qū)動程序，是U-Boot讀／寫、刪除Flash的源代碼
文件，其中包括多個函數(shù)，以實現(xiàn)不同的操作。如：
編寫flash．c文件時需參考Flash的數(shù)據(jù)手冊，嚴格按照其中的說明實現(xiàn)Flash的各種操作。
5)創(chuàng)建U-boot．lds，U-boot．lds．debug，makefile文件 這些文件均在目錄U-Boot／board／tds8265之下。設(shè)置U-boot中各個目標文件的連接地址。
6)修改MAKEALL文件 路徑是U-Boot／MAKEALL。因為使用的是MPC8265，屬于82xx系列，所以在“LIST_82xx”下加入目標板名稱“TDS8265”。
7)修改Makefile文件 路徑是U-Boot／Makefile。在Makefile文件中增加TDS8265開發(fā)板的配置行，指定交叉編譯器的完整路徑名。
[!--empirenews.page--]3．2 編譯U-Boot和移植鏡像文件
在源代碼修改完成后，即可進行編譯。編譯U-Boot需要在Linux主機上建立交叉編譯環(huán)境，本文使用Montavista公司的Montavista Linux Pro 4．0。在Linux主機上安裝Montavista交叉編譯工具后，設(shè)置環(huán)境變量，將Montavista工具鏈路徑導入到主機系統(tǒng)的環(huán)境變量中。如：#gedit．／．bash_profile，打開文件．bash_profile，增加PATH=$PATH：／opt／montavista／pro／devrocket／ppc／82xx／bin，然后刪除之前可能錯誤創(chuàng)建的所有目標文件，并針對目標板編譯。如下所示：
編譯完成后，得到3個文件：1)u-boot：ELF格式的文件，可被多數(shù)Debug程序識別；2)u-boot．bin：二進制bin文件，U-boot的二進制執(zhí)行代碼，可通過JTAG接口下載到開發(fā)板；3)u-boot．srec: Motorola的S-Record格式文件，可通過BDM接口下載到開發(fā)板。
不同開發(fā)板對U-Boot鏡像文件在Flash中的存放地址要求不同，這是由處理器中斷復位向量決定的，與開發(fā)板硬件相關(guān)，源代碼中U-Boot起始地址必須與硬件復位向量相符合。
使用MPC82xx系列處理器的主板是由硬件配置字(HRCW)決定的，如RPXlite板的中斷復位向量設(shè)置為Ox00000100，因此U-B00t鏡像文件必須燒寫到Flash的起始位置。多數(shù)的PPC系列的處理器中斷復位向量是Ox00000100和Oxfff00100，即高位啟動和低位啟動的Bootloader所在位置。U-boot鏡像文件在Flash中的存放地址可通過設(shè)置U-Boot源碼的<目標板>．h頭文件中CFG_MONITOR_BASE以及board／<目標板>／confi-g．mk中的TEXT_BASE來與硬件配置相對應。
U-Boot鏡像文件在Flash中燒錄完成后，將目標板和主機的串口連接起來，目標板上電復位，即可在主機終端窗口看到串口回顯的開發(fā)板上U-Boot的啟動引導信息，如圖2所示。
在終端窗口中輸入help，可以列出U-Boot所有命令列表。然后測試網(wǎng)口和Flash讀寫，工作正常，則可以認為U-Boot移植工作基本完成，接下來可以添加一些其他功能，并進行Linux內(nèi)核的引導和文件系統(tǒng)的移植。
4 結(jié)束語
Bootloader在嵌入式開發(fā)中是操作系統(tǒng)和硬件的樞紐。在U-Boot移植過程中，不僅要掌握U-Boot的結(jié)構(gòu)和工作流程外還需要對硬件有一定了解。本文移植的U-Boot已穩(wěn)定運行在開發(fā)板上，而且可以通過FIash和網(wǎng)絡加載Linux內(nèi)核和NFS文件系統(tǒng)，為后續(xù)開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。對于不同的CPU和開發(fā)板，基本方法和步驟是相同的，本文的工作對于基于MPC82xx系列處理器的硬件平臺的U-Boot移植具有借鑒意義，并對嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)提供了有益的技術(shù)參考。
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