U-Boot在MPC8265平台上的移植与分析

系统处理器启动时，首先执行一个预定地址处的指令，通常这个位置是只读内存，存放系统初始化或引导程序，其功能是执行CPU初始化并配置其他硬件，然后copy操作系统到RAM中。
    在嵌入式Linux系统中，这些工作由Bootloacler(引导加载程序)完成，它是在嵌入式系统CPU加电复位和进入操作系统之前运行的代码，主要用于完成由硬件启动到操作系统启动的过渡，为操作系统提供基本的运行环境，如初始化CPU、堆栈、存储器系统等，其数值必须要符合用户的硬件配置，并且按特定顺序写入。嵌入式Linux系统的引导、配置甚至应用程序的运行都与Bootloader有关。
    Bootloader源代码与CPU的内核结构和嵌入式设备的板级配置有关，必须根据具体的系统设计要求进行移植。目前，开源社团已经发展了多种引导Linux内核的bootloader，比如PowerPC体系的U-Boot、miniBoot，ARM体系的blob，Intel x32体系的gurb、openBIOS等。
    以MPC8265微处理器和嵌入式Linux为背景，针对性地提出U-Boot的移植方法并进行分析研究，此方法可广泛用于基于MPC282xx系列处理器的嵌入式Linux系统应用开发中。

1 U-Boot引导加载程序
1．1 U-Boot简介
    U-Boot(Universal Boot Loader)是遵循GPL条款的开放源码项目。它支持多种嵌入式处理器，如ARM、PowerPC、MIPS等，也支持Linux、VxWorks、QNX、RTEMS、ARTOS、LynxOS等多种嵌入式操作系统。这2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。
    U-Boot支持的主要功能如下：1)系统引导：支持NFS挂载、从Flash中引导(压缩或非压缩)系统内核；RAMDISK(压缩或非压缩)形式的根文件系统；2)强大的操作系统接口功能，可灵活设置、传递多个关键参数给操作系统，适合系统在不同开发阶段的调试要求与产品发布：3)支持目标板环境参数多种存储方式(如Flash、NVRAM、EEPROM)；4)CRC32校验，可校验Flash中内核、RAMDISK镜像文件是否完好；5)设备驱动：串口、SDRAM、Flash、以太网、LCD、NVRAM、EEP-ROM、键盘、USB、PCMCIA、PCI、RTC等驱动支持；6)上电自检功能：SDRAM、Flash自动检测，SDRAM故障检测，CPU型号。
1．2 U-Boot主要目录结构
    U-Boot源代码采用高度模块化的编程方式，便于在不同的硬件平台上移植。U-Boot源代码包含多个目录，其中与移植相关的主要有：1)board：目标板相关文件，存放U-Boot支持的所有目标板的子目录。目标板上大部分资源的初始化代码就在这个文件夹中，如SDRAM、Flash驱动；2)common：独立于处理器体系结构的通用代码，实现U-Boot各种公共命令的C文件；3)cpu：存放U-Boot支持的各类型CPU的相关文件，主要是初始化执行环境，比如mpc8260子目录包含串口、网口、LCD驱动及中断初始化等文件；4)drivers：通用设备的驱动程序，如CFI flash驱动；5)fs：U-Boot支持的文件系统，如ext2、cramfs、fat、fdos、jffs2和registerfs等；6)net：与网络功能有关的文件，如B00TP、TFTP、RARP和NFS相关代码；7)include：存放头文件。子目录include／configs下与目标板相关的配置头文件是移植过程中经常要修改的文件，可配置目标板的各项参数(如波特率、引导启动参数等)。还有对各种硬件平台支持的汇编文件、系统的配置文件和对文件系统支持的文件。U-Boot源代码可以从DENX的网站(http：／／www．denx．de)下载，本文使用的版本是U-Boot-1．2．0。

2 U-Boot的运行流程
    U-Boot的运行流程如图1所示，目标板上电，启动MPC8265存储控制器CS0有效，选中Flash，CPU地址线上输出硬件复位中断向量对应的地
址，此时执行第1条指令，对应＼cpu＼mpc8260＼start．S中的_start：开始执行。完成CPU本身基本的初始化后，初始化CPU内部寄存器，设置IMMR、ICTRL等。然后跳转到＼cpu＼mpc8260＼cpu_init．c的函数cpu_init_f处，进行CPU的底层初始化，主要设置watchdog、SIUMCR寄存器、PIT、锁相环、系统定时器、存储控制器和CPM等。从start．S中跳转到＼lib_ppe＼board．c的函数board_init_f处，实现目标板上的第1次初始化，完成SMC初始化和一些硬件测试，尤其是RAM初始化，并分配内存空间，保存板级信息，准备在RAM中重定向U-Boot代码。完成后，跳转到start．S中的函数relocate_code()处，重定向代码，将U-Boot代码搬至SDRAM工作，开始在RAM中运行。然后跳转到board．c文件的函数board_init_r()处，执行板上的第2次初始化，主要完成一些数据结构、高端模块及系统设备的相关初始化。最后，U-Boot执行board_init_r()中的函数main_loop()，根据用户从控制台的输入，完成预先设定的工作。[!--empirenews.page--]

3 U-Boot的移植
    U-Boot在设计时已考虑到支持使用不同CPU处理器的开发板，根据具体板级硬件配置的设计要求，修改与其相关的源代码，将U-Boot移植到新的开发板上。这里开发板TDS8265外围接口主要有100 M网口、RS232串口和JTAG调试接口等。
3．1 修改U-Boot源代码
    为了简化移植工作，可在U-Boot源码中选择一个与开发板接近的参考平台，然后从移植U-Boot的要求和开发板能正常启动的角度出发进行修改。
    这里以在U-Boot／board目录下为TDS8265开发板新建文件夹TDS8265为例进行说明。
    1)修改头文件TDS8265．h路径是U-Boot／include／configs／TDS8265．h，是开发板的主要配置元件，配置CPU、系统时钟、SDRAM、Flash以及其他开发板相关信息。设置CPU寄存器参数，需仔细对照处理器datasheet中各寄存器的定义、参考设置、目标板实际情况等做出选择并测试。MPC82xx系列处理器较为关键的寄存器有SIUMCR、PS-DMR、SCCR、BRx、ORx等。设置CPU寄存器基地址IMMR时，注意与硬件配置相对应。如：
    
    设置与Flash控制相关的寄存器BR0、OR0时，根据目标板所用Flash的数据手册与BR0和OR0的相关位含义合理设置，这不仅关系到Flash能否正常工作，而且与串口调试直接相关。设置Flash、SDRAM，包括基址、大小、环境变量的偏移，内存刷新周期。设置环境变量，网络接口，IP地址，MAC地址，用于网络下载和启动；设置Linux内核启动参数init=／sbin／init。
    2)编写tds8265．c文件 路径是U-Boot／board／tds8265／tds8265.c。tds8265．c是目标板的SDRAM的驱动程序，涉及I／0端口表、相关寄存器的设置及SDRAM上电初始化过程3个主要部分。任何一部分有问题，都会影响U-Boot、嵌入式操作系统甚至应用程序的运行，所以SDRAM的驱动不仅关系到U-Boot本身能否正常运行，而且还与后续部分相关。根据MPC8265处理器datasheet和开发板的硬件电路图，配置8265的I／0端口表；设置寄存器PSDMR和BRl、0R1；向SDRAM中写入8次以初始化SDRAM等。SDRAM的初始化是由／lib_ppc／board．c中的board_init_f()调用的，入口为tds8265．c的函数initdram。
    3)修改config．mk文件 路径是U-Boot／board／tds8265／config．mk。修改中，对该文件中的TEXT_BASE赋值应与TDS8265．h中对CF-G_FLASH_BASE的赋值保持一致。
    4)编写flash．c文件 路径是U-Boot／board／tds8265／flash．c。flash．c是Flash的驱动程序，是U-Boot读／写、删除Flash的源代码
文件，其中包括多个函数，以实现不同的操作。如：
    
    编写flash．c文件时需参考Flash的数据手册，严格按照其中的说明实现Flash的各种操作。
    5)创建U-boot．lds，U-boot．lds．debug，makefile文件 这些文件均在目录U-Boot／board／tds8265之下。设置U-boot中各个目标文件的连接地址。
    6)修改MAKEALL文件 路径是U-Boot／MAKEALL。因为使用的是MPC8265，属于82xx系列，所以在“LIST_82xx”下加入目标板名称“TDS8265”。
    7)修改Makefile文件 路径是U-Boot／Makefile。在Makefile文件中增加TDS8265开发板的配置行，指定交叉编译器的完整路径名。
   
[!--empirenews.page--]3．2 编译U-Boot和移植镜像文件
    在源代码修改完成后，即可进行编译。编译U-Boot需要在Linux主机上建立交叉编译环境，本文使用Montavista公司的Montavista Linux Pro 4．0。在Linux主机上安装Montavista交叉编译工具后，设置环境变量，将Montavista工具链路径导入到主机系统的环境变量中。如：#gedit．／．bash_profile，打开文件．bash_profile，增加PATH=$PATH：／opt／montavista／pro／devrocket／ppc／82xx／bin，然后删除之前可能错误创建的所有目标文件，并针对目标板编译。如下所示：
    
    编译完成后，得到3个文件：1)u-boot：ELF格式的文件，可被多数Debug程序识别；2)u-boot．bin：二进制bin文件，U-boot的二进制执行代码，可通过JTAG接口下载到开发板；3)u-boot．srec: Motorola的S-Record格式文件，可通过BDM接口下载到开发板。
    不同开发板对U-Boot镜像文件在Flash中的存放地址要求不同，这是由处理器中断复位向量决定的，与开发板硬件相关，源代码中U-Boot起始地址必须与硬件复位向量相符合。
    使用MPC82xx系列处理器的主板是由硬件配置字(HRCW)决定的，如RPXlite板的中断复位向量设置为Ox00000100，因此U-B00t镜像文件必须烧写到Flash的起始位置。多数的PPC系列的处理器中断复位向量是Ox00000100和Oxfff00100，即高位启动和低位启动的Bootloader所在位置。U-boot镜像文件在Flash中的存放地址可通过设置U-Boot源码的<目标板>．h头文件中CFG_MONITOR_BASE以及board／<目标板>／confi-g．mk中的TEXT_BASE来与硬件配置相对应。
    U-Boot镜像文件在Flash中烧录完成后，将目标板和主机的串口连接起来，目标板上电复位，即可在主机终端窗口看到串口回显的开发板上U-Boot的启动引导信息，如图2所示。

    在终端窗口中输入help，可以列出U-Boot所有命令列表。然后测试网口和Flash读写，工作正常，则可以认为U-Boot移植工作基本完成，接下来可以添加一些其他功能，并进行Linux内核的引导和文件系统的移植。

4 结束语
    Bootloader在嵌入式开发中是操作系统和硬件的枢纽。在U-Boot移植过程中，不仅要掌握U-Boot的结构和工作流程外还需要对硬件有一定了解。本文移植的U-Boot已稳定运行在开发板上，而且可以通过FIash和网络加载Linux内核和NFS文件系统，为后续开发奠定了良好的基础。对于不同的CPU和开发板，基本方法和步骤是相同的，本文的工作对于基于MPC82xx系列处理器的硬件平台的U-Boot移植具有借鉴意义，并对嵌入式Linux系统的开发提供了有益的技术参考。