基于嵌入式Linux系統(tǒng)的Bootloader模型在MIPS64上的移植設(shè)計淺析

1 引言

Linux具備良好的裁剪性和移植性，并且開源、資源豐富，已成為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)熱點。一個完整的嵌入式Linux系通通常包括Bootloader、內(nèi)核、文件系統(tǒng)三部分，目標(biāo)板上電后由Bootloader初始化硬件，引導(dǎo)內(nèi)核和文件系統(tǒng)來啟動Linux。但由于在嵌入式開發(fā)中基于MIPS體系的Bootloader較少，開發(fā)者在移植MIPS Bootloader需花費大量精力。結(jié)合OCTEON3010（MIPS64）的U-boot移植經(jīng)驗，分析嵌入式LinuxBootloader的工作原理及功能，設(shè)計了一個基于MIPS體系的Bootloader模型。對OCTEON系列的MIPS處理器Bootloader的設(shè)計具有參考價值和指導(dǎo)意義。

2 Bootloader原理分析

Bootloader是在運行操作系統(tǒng)內(nèi)核前所執(zhí)行的一段小程序。通過執(zhí)行這段小程序，實現(xiàn)初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而為系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境設(shè)置一個合適狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確環(huán)境。

大多數(shù)Bootloader包含“啟動加載”和“下載”兩種操作模式。從最終用戶來看，Bootloader就是用來加載操作系統(tǒng)，而無工作模式區(qū)別。其中，啟動加載模式是Bootloader從目標(biāo)機上的某個固態(tài)存儲設(shè)備將操作系統(tǒng)加載到RAM中運行，整個過程并沒有用戶介入。這種模式是Bootloader的正常工作模式。而在下載模式下，目標(biāo)機上的Bootloader通過串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接從主機（Host）下載文件，例如下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等。

由于實現(xiàn)Bootloader依賴CPU的體系結(jié)構(gòu)，因此大多數(shù)Bootloader分為stage1和stage2兩部分，并依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼，例如：設(shè)備初始化代碼等，通常放在stage1中，一般采用匯編語言。而stage2則通常采用C語言實現(xiàn)復(fù)雜功能，而且代碼具有良好的可讀性和移植性。stage1步驟通常包括：硬件設(shè)備初始化；為加載Bootloader的stage2準(zhǔn)備RAM空間；拷貝Bootloader的stage2到RAM空間中；設(shè)置好堆棧；跳轉(zhuǎn)到stage2的C入口點。Bootloader的stage2步驟通常包括：初始化當(dāng)前階段使用的硬件設(shè)備；檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射；將Kernel映像和根文件系統(tǒng)映像從Flash上讀到RAM空間中；為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)；調(diào)用內(nèi)核。

3 設(shè)計移植

3.1 啟動流程

針對具體的硬件內(nèi)容，詳細分析U-Boot的啟動流程后，給出啟動流程中需要修改的代碼。

3.2 移植分析

片級移植主要是針對具體CPU初始化代碼的修改，針對對應(yīng)的MIPS平臺，主要包括：通用寄存器的初始化、CP0的初始化（status，config，watch，count，compare，etc.）、watchdog初始化、Cache初始化、TLB初始化。板級移植包括：串口驅(qū)動、Flash讀寫驅(qū)動（nor，nand）、HD讀寫驅(qū)動、網(wǎng)卡驅(qū)動。而功能層擴展可根據(jù)需求添加新功能或裁減優(yōu)化，包括調(diào)試功能、啟動功能、下載功能等。

3.3 修改代碼

主要修改的代碼為：makefile添加開發(fā)板的編譯支持；Include／configs／myboard.h開發(fā)板的定義，啟動參數(shù)等；cpu／mips／start.s修改初始化代碼和入口；board／myboard／flash.c對應(yīng)的Nor Flash驅(qū)動；board／myboard／myboard.c對應(yīng)的板級初始化代碼；board／myboard／lowlevel_init.s初始化硬件的匯編代碼；board／myboard／serial.c串口驅(qū)動。

4 OCTEON系列CPU的硬件初始化實例

4.1 開發(fā)環(huán)境及硬件平臺簡介

采用的是宿主機+目標(biāo)板的開發(fā)模式，宿主機為PC+FC6，目標(biāo)板的CPU采用基于MIPS64 V2體系結(jié)構(gòu)的處理器OCTEON_CN3010，NOR Flash采用AMD公司8 Mb的AM-29DL640G.SDRAM采用三星公司512 Mb的M378T6553CZ3-CD5（64 Mb×8 bit）。存儲部分的硬件連接如圖1所示。

4.2 具體實現(xiàn)代碼

系統(tǒng)的起始地址統(tǒng)一規(guī)定為0xBFC00000，加電后，CPU從該地址開始執(zhí)行。該地址也就是系統(tǒng)異常處理向量表的第一項（reset）。0xBFC00000處的中斷向量表起始處的跳轉(zhuǎn)命令，跳到了InitTLBStart中，完成了系統(tǒng)的大部分初始化，例如設(shè)置寄存器、CPU、SDRAM、Flash等。以下為具體程序代碼：

系統(tǒng)完成初始化后，跳轉(zhuǎn)到board.c。在board.c中的checkboard（）函數(shù)將進一步設(shè)置CPU、SDRAM、Cache、串口等，并將硬件初始化代碼從Flash拷貝到SDRAM中繼續(xù)運行，最后調(diào)用main_loop（）函數(shù)，進入Bootloader的第一個c函數(shù)-main_loop（）函數(shù)，在這個函數(shù)中將初始化硬件平臺相關(guān)的參數(shù)、模塊，并優(yōu)化參數(shù)，設(shè)置loader參數(shù)等硬件初始化。

4.3 Bootloader的燒錄和啟動

使用Flash燒錄器把生成的u-boot.Bin文件燒錄到flash后，將其放人目標(biāo)板的Flash槽。目標(biāo)板通電后，串口輸出數(shù)據(jù)。至此，Bootloader被成功移植。

5 結(jié)語

通過分析引導(dǎo)轉(zhuǎn)載系統(tǒng)在嵌入式Linux系統(tǒng)中的工作原理及功能，結(jié)合移植經(jīng)驗，設(shè)計了一個基于MIPS體系的引導(dǎo)裝載系統(tǒng)模型，并給出了OCTEON初始化實例。本引導(dǎo)裝載系統(tǒng)已應(yīng)用于目標(biāo)板中，達到了預(yù)期要求效果，由此證明這種引導(dǎo)裝載系統(tǒng)的模型可行，將對OCTEON系列的MIPS處理器Bootloader的設(shè)計有一定參考價值和指導(dǎo)意義。