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嵌入式Linux Bootloader在MIPS64上的移植

2013-11-11 10:50
seele_jin
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  1 引言

  Linux具备良好的裁剪性和移植性,并且开源、资源丰富,已成为嵌入式系统的开发热点。一个完整的嵌入式Linux系通通常包括Bootloader、内核、文件系统三部分,目标板上电后由Bootloader初始化硬件,引导内核和文件系统来启动Linux。但由于在嵌入式开发中基于MIPS体系的Bootloader较少,开发者在移植MIPS Bootloader需花费大量精力。结合OCTEON3010(MIPS64)的U-boot移植经验,分析嵌入式LinuxBootloader的工作原理及功能,设计了一个基于MIPS体系的Bootloader模型。对OCTEON系列的MIPS处理器Bootloader的设计具有参考价值和指导意义。

  2 Bootloader原理分析

  Bootloader是在运行操作系统内核前所执行的一段小程序。通过执行这段小程序,实现初始化硬件设备、建立内存空间的映射图,从而为系统的软硬件环境设置一个合适状态,以便为最终调用操作系统内核准备好正确环境。

  大多数Bootloader包含"启动加载"和"下载"两种操作模式。从最终用户来看,Bootloader就是用来加载操作系统,而无工作模式区别。其中,启动加载模式是Bootloader从目标机上的某个固态存储设备将操作系统加载到RAM中运行,整个过程并没有用户介入。这种模式是Bootloader的正常工作模式。而在下载模式下,目标机上的Bootloader通过串口连接或网络连接从主机(Host)下载文件,例如下载内核映像和根文件系统映像等。

  由于实现Bootloader依赖CPU的体系结构,因此大多数Bootloader分为stage1和stage2两部分,并依赖于CPU体系结构的代码,例如:设备初始化代码等,通常放在stage1中,一般采用汇编语言。而stage2则通常采用C语言实现复杂功能,而且代码具有良好的可读性和移植性。stage1步骤通常包括:硬件设备初始化;为加载Bootloader的stage2准备RAM空间;拷贝Bootloader的stage2到RAM空间中;设置好堆栈;跳转到stage2的C入口点。Bootloader的stage2步骤通常包括:初始化当前阶段使用的硬件设备;检测系统内存映射;将Kernel映像和根文件系统映像从Flash上读到RAM空间中;为内核设置启动参数;调用内核。

  3 设计移植

  3.1 启动流程

  针对具体的硬件内容,详细分析U-Boot的启动流程后,给出启动流程中需要修改的代码。

  3.2 移植分析

  片级移植主要是针对具体CPU初始化代码的修改,针对对应的MIPS平台,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。板级移植包括:串口驱动、Flash读写驱动(nor,nand)、HD读写驱动、网卡驱动。而功能层扩展可根据需求添加新功能或裁减优化,包括调试功能、启动功能、下载功能等。

  3.3 修改代码

  主要修改的代码为:makefile添加开发板的编译支持;Include/configs/myboard.h开发板的定义,启动参数等;cpu/mips/start.s修改初始化代码和入口;board/myboard/flash.c对应的Nor Flash驱动;board/myboard/myboard.c对应的板级初始化代码;board/myboard/lowlevel_init.s初始化硬件的汇编代码;board/myboard/serial.c串口驱动。

  4 OCTEON系列CPU的硬件初始化实例

  4.1 开发环境及硬件平台简介

  采用的是宿主机+目标板的开发模式,宿主机为PC+FC6,目标板的CPU采用基于MIPS64 V2体系结构的处理器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)。存储部分的硬件连接如图1所示。

嵌入式Linux Bootloader在MIPS64上的移植

  4.2 具体实现代码

  系统的起始地址统一规定为0xBFC00000,加电后,CPU从该地址开始执行。该地址也就是系统异常处理向量表的第一项(reset)。0xBFC00000处的中断向量表起始处的跳转命令,跳到了InitTLBStart中,完成了系统的大部分初始化,例如设置寄存器、CPU、SDRAM、Flash等。以下为具体程序代码:

嵌入式Linux Bootloader在MIPS64上的移植

  系统完成初始化后,跳转到board.c。在board.c中的checkboard()函数将进一步设置CPU、SDRAM、Cache、串口等,并将硬件初始化代码从Flash拷贝到SDRAM中继续运行,最后调用main_loop()函数,进入Bootloader的第一个c函数-main_loop()函数,在这个函数中将初始化硬件平台相关的参数、模块,并优化参数,设置loader参数等硬件初始化。

  4.3 Bootloader的烧录和启动

  使用Flash烧录器把生成的u-boot.Bin文件烧录到flash后,将其放人目标板的Flash槽。目标板通电后,串口输出数据。至此,Bootloader被成功移植。

  5 结语

  通过分析引导转载系统在嵌入式Linux系统中的工作原理及功能,结合移植经验,设计了一个基于MIPS体系的引导装载系统模型,并给出了OCTEON初始化实例。本引导装载系统已应用于目标板中,达到了预期要求效果,由此证明这种引导装载系统的模型可行,将对OCTEON系列的MIPS处理器Bootloader的设计有一定参考价值和指导意义。

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