基于Mpc823e的bootloader分析和实现

0 引言

在嵌入式系统中，当cpu启动起来后，首先会在预先设置的地址上执行引导程序，用来加载和启动系统。通过引导程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。引导程序与硬件紧密结合，不同处理芯片体系，不同主板设计，对应不同的引导程序。本系统采用ppcboot作为引导程序。ppcboot的功能强大，而且代码公开。一般来说，它可以分为两部分：与硬件相关的代码，与硬件无关的代码。在设计时，可以先从其官方网站下载完整的代码，然后根据自己系统的特点，对与硬件相关代码部分进行修改，最后进行编译，烧入 Flash。接下来，将对ppcboot的工作流程和具体的修改过程进行讨论

1 ppcboot工作流程

作为ppc体系的引导程序ppcboot上电后,将完成初始化硬件设备,建立内存映射, 启动系统内核三个任务。

初始化硬件设备：

系统上电复位后，CPU首先从Flash 的0x100处执行第一条指令。该指令跳转到具体地址后，开始执行部分初始化和真正初始化前的准备工作：屏蔽所有的中断，设置CPU的速度和时钟频率，禁止cache、禁止地址转换等等。

在这个阶段中，执行空间始终在Flash，功能通常都用汇编语言来实现。之后，系统开始建立内存映射。

建立内存映射：

（1）设置系统的内存控制器的功能寄存器以及各内存库控制寄存器等，使CPU能够正常运行起来并执行C语言程序，并且为下一步加载引导程序，准备RAM空间。

（2）引导程序重新定位执行空间,ppcboot代码从flash拷贝到内存，开始在内存中执行。

（3）再次初始化部分硬件设备，并检测系统内存映射，知道 CPU 预留的全部 RAM 地址空间中的哪些被真正映射到 RAM 地址单元，哪些是处于无状态的。经过这个阶段后，系统建立了内存映射图（见图1），并开始在内存里执行程序，能够执行C语言程序。之后，系统进入启动操作系统内核阶段。

启动操作系统内核

（1）把内核映像和根文件系统映像从Flash上读到RAM中。

（2） 为内核设置启动参数。以标记列表的形式来传递。

（3）解压内核，初始化串口，使解压后内核获得CPU的控制权，结束ppcboot的任务。

2 基于MPC823e的ppcboot的具体编写

在上面提过，由于ppcboot的代码硬件无关部分是通用的，不需要修改。而硬件相关的代码部分，与硬件紧密相关，所以需要针对自己具体的硬件进行修改，主要是cpu部分与主板部分的代码。

2．1  ppcboot中cpu部分的开发

ppcboot的一个任务是初始化CPU内部寄存器，包括：定义中断向量表、数据和指令cache的设置、内存管理单元MMU的设置、系统接口单元SIU设置、内存控制器和UPM表的设置、时钟和复位寄存器设置、外部总线接口设置、与编译器相关的堆栈设置等。

步骤1：   禁止 中断  ->  禁止cache  ->  禁止MMU

启动过程中无法处理中断，所以必须关闭中断；另外，因内存管理、cache尚未设置，所以应先全部禁止，待设置完毕再打开。

步骤2：   初始化内存 init_memc

MPC823e提供了强大的内存接口控制单元，包括一个通用内存接口单元GPCM和两个用户可编程内存接口单元UPMA/UPMB。还提供了8个片选信号线与8片独立的内存接口。

编写ppcboot时，需要研究SDRAM芯片的时序图，构造出MPC823e特有的64个时序字，填入MPC823e内部相应的寄存器中。以后，每当发出内存访问的指令时，硬件就能够根据设置好的64个时序字，产生正确的读写时序。而且要针对具体的设计，编写片选内存的寄存器BRx和ORx来设置其属性,包括定义内存片基地址、地址掩码、读写属性、总线宽度(8位、16位、32位)、控制单元(使用GPCM或UPM)等。如本系统中，使用了CS0 控制16位的Flash存储器、CS1控制32位的sdram，对CS1进行设置时应设为基地址0x00000000，32位可读写，使用UPMA。

步骤3：初始化系统接口单元init_SIU -> 初始化调试寄存器der -> 初始化时钟 init_clk

系统接口单元主要包含对MPC823e复用引脚的设置寄存器、调试寄存器（该寄存器可用来设置CPU在各种不同的意外情况下是否进入调试状态）。

初始化时钟主要是对CPU主频的设置。MPC823e有一个倍频率达数千倍的内部倍频器，本系统中，采用了5MHz的晶振，经过10倍频后稳定运行在50MHz频率上。[page]

步骤4：初始化cache

MPC823e采用Harvard结构的cache，它的指令cahce和数据cache是独立的；采用最近最少使用法(LRU Least Recently Used)替代算法。在具体编写时，要注意只有在对MMU编程后cache才能工作，应此要采用以下的步骤进行初始化（如图2所示）： 

步骤5：初始化内存管理单元 init_MMU 

MPC823e的MMU的特点主要有：支持多种页面大小、全相联映像规则TLB(Translation Look-aside Buffer)、指令和数据TLB可独立控制等。在编写时，因为启动程序中，不需要虚拟内存到物理内存的地址变换，所以只需对内存属性做一些设置，如回写策略、内存读写保护等

步骤6：设置中断向量表 b vector_reloc      

中断向量表用于嵌入式Linux启动代码，在启动过程中，最主要的就是设置复位中断。可以在LILO(Linux bootloader)中填写0x100复位中断向量。当发生复位时，MPC823e自动读取复位配置字，通过相应的配置，MPC823e会读取复位中断向量0x100处的指令，进行正确引导过程。

步骤7：init_stack初始化堆栈 -> 初始化编译相关寄存器

此外，在运行C语言编译的程序前必须先定义这些与编译相关的寄存器，如堆栈指针寄存器、代码段、数据段指针寄存器等。Mpc823e针对不同的编译器使用不一样寄存器的规则，如diab编译器和gcc编译器，在编写时，需要仔细查阅编译器手册。

2．2  ppcboot中主板部分的开发

ppcboot支持数十种主板，可以在其中寻找与自己设计的主板相近的主板，并以其的ppcboot的主板代码部分为模板，进行必要的修改来移植。本系统采用的主板HD823e与其中的RPXlite板十分相近，在其基础上进行调整。接下来，将讨论如何进行修改。

(1)在Makefile文件中，添加硬件基本配置信息，如cpu型号，主板类型，cpu体系

如本系统添加：

HD823e_config:  unconfig

echo "ARCH  = ppc"      > config.mk ;\\   

echo "BOARD = HD823e"    >>config.mk ; \\

echo "CPU   = mpc8xx"   >>config.mk ;   \\ 

echo "#include " >config.h

(2) 修改开发板的配置文件.包括 CPU，调试串口，内存映射，Flash与SDRAM等多部分配置参数进行修改。以下给出部分重要的参数。

CPU部分配置：

#define CONFIG_MPC823   1                        /* CPU类型   */

#define CFG_RTCSC   (RTCSC_SEC | RTCSC_RTE)     /*配置cpu内部时钟*/

#define CFG_PLPRCR  ( (0x00900000) | PLPRCR_TEXPS )

#define CONFIG_8xx_GCLK_FREQ  50000000 /*设置CPU运行频率*/

调试串口的部分配置：

#define CONFIG_BAUDRATE  9600      /*   串口波特率 = 9600bps   */ 

#define CONFIG_8xx_CONS_SMC1   1   /*   串口使用 SMC1口         */

内存映射的部分配置：

#define CFG_IMMR  0xFF000000        /*  Internel Memory Mapped Register */

#define CFG_LOAD_ADDR     0x100000  /*  ppcboot缺省的引导地址   */      

由于篇幅的关系，其他部分参数不介绍了，可以根据CPU的使用手册和ppcboot手册进行配置，注意的是，这些参数都需要严格的确定，不能出错，否则，无法正确引导系统。

(3) 修改 include /commproc.h

该文件包含与通信接口相关的一些参数，由于本系统需要网络来下载内核，需要对网络接口引脚进行相关的定义。

#ifdef CONFIG_HD823e    

#define PROFF_ENET PROFF_SCC2  #define  CPM_CR_ENET  CPM_CR_CH_SCC2

#define SCC_ENET    1            #define PA_ENET_RXD    0x0004                         

#define PA_ENET_TXD 0x0008      #define PA_ENET_TCLK   0x0800

#define PA_ENET_RCLK 0x0200      #define PB_ENET_TENA   0x2000

#define PC_ENET_CLSN 0x0040      #define PC_ENET_RENA   0x0080

#define SICR_ENET_MASK  0xff00   #define SICR_ENET_CLKRT   0x2f00

#endif

2.3 编译ppcboot

修改完成后，可以使用下列命令进行编译，一般说来，都可以编译成功，得到适合自己系统的ppcboot。本系统，在原有RPXLite的模板基础上，通过上修改，编译成功，顺利的引导了系统。

make clean

make HD823e_config

make all

3 结束语

本文根据所选用的嵌入式系统的特点，概述了ppcboot的启动流程，对Mpc823e下的ppcboot体系进行了介绍，并针对自己的开发板，详细的说明了如何开发适应自己系统的ppcboot。代码已通过了系统的调试，成功的引导了linux内核，达到设计的目的。

本文作者的创新点是：在分析嵌入式系统在Linux下的引导程序工作流程和ppcboot源代码基础上，开发了特定的、适合本文系统硬件的引导程序。参考ppcboot中支持RPLite主板的相关代码，给出了将ppcboot移植到本文所使用的HD823e主板的修改方案。

参考文献

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[2]毛德操，胡希明. Linux内核源代码情景分析[M].杭州：浙江大学出版社，2001.663-737.

[3]王学龙. 嵌入式Linux系统设计与应用[M].北京：清华大学出版社，2001.35-69.

[4]万永波，张根宝.基于ARM的嵌入式系统Bootloader启动流程分析 微计算机信息 2005.11-2

[5]motorola Inc.MPC823e User’S Manual[EB/OL].