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基于PowerPC的微型BootLoader在Linux中的应用

   日期:2008-01-07     作者:管理员    

  引言

  引导装载程序(BootLoader)通常是在硬件上执行的第一段代码。虽然目前在Linux开源社区里有大量的引导装载程序,但是对于很多嵌入式设备上的应用来说,这些引导装载程序都显得过于复杂和冗长。为此,本文专门针对PowerPC E300系列处理芯片,设计了一款小型BootLoader程序,并命名为Genesis。该程序结构简单、功能完善,能很好地引导Linux内核以及文件系统。

  环境要求及系统映像

  硬件环境

  本文中开发的硬件环境如下:处理器采用MPC83xx系列;内存采用512M的DDR2内存;闪存采用8MB的闪存;串口采用uart16550;波特率采用115200。

  编译环境

  程序在mvl-linux、linux-kernal-2.6.10和gcc编译器环境下编译。

  系统文件存放映像

  Genesis程序存放在一块闪存里面。对于小型的Linux系统,包括内核和文件系统都和装载引导程序BootLoader一起编译产生二进制文件,最后存放在闪存中,在上电之后搬移到内存执行。图1就是编译产生的系统文件代码在闪存中以及搬移到内存以后的

示意图。

基于PowerPC的微型BootLoader在Linux中的应用如图

图1 系统文件映像

  Genesis的实现

  Genesis的主体结构

  功能完善的引导装载程序BootLoader必须经过以下几个步骤,即:初始化CPU;初始化内存,包括启用内存库、初始化内存配置寄存器等;初始化串行端口(如果在目标板上有的话);启用指令/数据高速缓存;设置堆栈指针;设置参数区域并构造参数结构和标记(这是重要的一步,因为内核在标识根设备、页面大小、内存大小以及更多内容时要使用引导参数);打开/关闭看门狗;调用主体入口函数;跳转到内核的开始。

  程序模型的建立

  根据Genesis的主体架构,本文在程序体内分别建立了几个最为重要的code程序:entry.S;board.c;cpu.c;console.c;main.c。这些程序的执行顺序如图2所示。

基于PowerPC的微型BootLoader在Linux中的应用如图

图2 程序执行顺序示意图

  程序设计

  这里,entry.S是程序的入口。entry.S中的代码全部是汇编指令。整个程序都围绕这些汇编代码展开。

  cpu.c的功能是初始化CPU内核,CPU主要控制器以及系统时钟控制器;board.c主要是初始化跟目标板密切相关的外围设备,包括闪存、CPLD以及系统内存等;console.c是目标板的串口初始化程序,它对CPU的串口进行初始化,并配置串口的速率;main.c的功能就是引导Linux内核以及文件系统。

  当CPU上电或者施加复位信号时,CPU通过读取数据总线D[0:3l]上的值或根据内部的缺省常数D[0:31]=0x00000000,来确定它的状态。如果CPU在读取总线值时,信号引脚RSTCONF#为低电平,则硬件复位配置字(HRCW)从总线上读取;若RSTCONF#为高电平,则HRCW选用内部的默认值。上电后,启动存储控制器CSO#(对应于闪存的片选信号)有效,选中闪存,CPU地址线上输出硬件复位中断向量对应的地址0x00000100,开始读第1条指令。在Genesis中,这条指令对应于entry.S中_start:标号处。代码段如下。

  _start:

  b boot_cold

  boot_cold:

  lis r4, DEFAULT_IMMR_ BASE@h

  nop

  boot_warm:

  mfmsr r5

  lis r3, IMMR_BASE@h

  ori r3, r3, IMMR_BASE@l

  stw r3, IMMR(r4)

  接下来对CPU CORE进行初始化配置。首先是关闭CPU的看门狗。代码如下:

  xor r4, r4, r4

  stw r4, SWCRR(r3)

  屏蔽所有的中断寄存器,并初始化高速缓存D-CACHE和I-CACHE:

  .globl icache_enable

  .globl icache_disable

  .globl icache_status

  .globl dcache_enable

  .globl dcache_disable

  .globl dcache_status

  然后使用如下代码重新映射闪存的绝对地址:

  map_flash_by_law1:

  remap_flash_by_law0:

  在CPU内部开放的高速缓存区设置堆栈。未初始化设备外部DRAM之前,只能利用CPU内部的cache作为内存。下一步就可以进入第二阶段的CPU初始化,即C语言环境:

  setup_stack_in_data_ca

che_on_r1:

  堆栈建立好以后,马上进入步骤S1,它跳转到cpu.c里面的cpu_init()函数。在这段代码里面,配置所有的CPU控制寄存器。在汇编里面调用C函数语句是bl cpu_init。

  当配置结束以后,进入步骤S2,指针返回到entry.S。紧接着执行调用board_init函数,进入步骤S3,跳转到board.c里面,执行board_init()函数。在这个函数里面包括了几个重要部分。

  1)get_clocks()函数

  初始化CPU的PLL和系统时钟寄存器。

  2 ) init_timebase()初始化计数器

  3)初始化串口:serial_init (port,baudrate)

  越早开通串口,对后面的工作越有好处。serial_init()调用的是console.c。对于E300内核的MPC83xx系列处理器,一般都提供两组UART接口,支持RS232、UART16550、HDLC等应用。本文将UART1用作串行输出接口,使用PC16550协议。由于后面很多调试都要依赖调试接口,因此,对串口的配置和初始化是比较重要的。这里

主要是注意UART1和UART2的偏移地址分别是0x4500和0x4600,它们的波特率都是从CSB_CLK时钟分频得到的。

  4) DDR RAM初始化:long int initdram (int board_type)

  这是很重要的一个步骤。如果DDR RAM配置不对,那么后面的工作将无法进行。在目标板上用到了DDR2类型的内存条。这样的设计可以动态调整使用内存的大小,也大大减少对DDR内存的配置工作。一般来说DDR内存条上都有一块eeprom,是存储基本DDR信息的。它提供了标准的I2C接口,供CPU来访问。所以在本系统里,就是通过I2C来读取DDR内存条上的基本信息,然后根据这些信息正确配置CPU的DDR控制器。I2C的驱动很容易在开源代码里面找到,然后根据所使用的CPU稍微修改就可以。

  DDR内存初始化完成以后,进入步骤S4,返回entry.S。然后执行步骤S5,调用main.c里面的函数run_into_ram(),目的是实现代码的搬移。调用entry.S里面的relocate_code()函数,执行步骤S6,将代码从闪存拷贝到DDR RAM里面:global relocate_code。

  拷贝结束以后直接跳转到main()函数:bl main。到这里,CPU和外部基本设备的初始化都完成了。接下来就可以正确引导Linux内核了。利用代码拷贝,将存放于闪存的Linux内核拷贝到DDR RAM里面,然后直接跳转到该地址,开始执行步骤S7。

  copy_code((void *)dest_addr,(void *)img_begin, img_end - img_begin);

  jImage=(void (*)(void))dest_addr;

  (*jImage)();

  在程序流程图里面还有步骤S8、S9。它们分别表示在Genesis和Linux下面执行复位命令时候的指针跳转方向。在复位时,程序都是返回entry.S,然后重新执行。

  结语

  将按照流程设计并编译好的bin文件下载到目标板,经过测试,它能够正确引导Linux内核和文件系统,实现了BootLoader的功能。为了使Genesis的功能更加丰富,还可进行一些补充性的开发,比如增加Genesis命令行编辑;添加设备地址空间的读写命令等。■

  参考文献

  1.Programming Environments Manual for 32-Bit Implementations of the PowerPC Architecture, Rev. 3, Copyright 9/2005 by Freescale Semiconductor Corporation

  2.e300 PowerPC Core Reference Manual, Rev. 1, Copyright 8/2005 by Freescale Semiconductor Corporation

  3.MPC8360E PowerQUICC II Pro Integrated Host Processor Family Reference Manual, Rev. 1, Copyright 2006 by Freescale Semiconductor Corporation
 
 

 
  
  
  
  
 
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