賈 亮， 岳 瀟， 崔迎煒

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.北京方天長(zhǎng)久科技有限公司 北京 100084）

U-Boot（Universal Boot Loader）是德國(guó) DENX 小組開發(fā)的開放源碼項(xiàng)目，它支持多種CPU體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)板，并且支持多種嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，U-Boot已經(jīng)成為功能最多、靈活性最強(qiáng)的開放源碼BootLoader。作為一種通用的Boot Loader，U-Boot可以非常方便地移植到其他硬件平臺(tái)上[1-2]。文中是基于MPC8548E的嵌入式目標(biāo)板（即FTC7110）和UBoot源碼資源來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，分析了U-Boot的目錄結(jié)構(gòu)和啟動(dòng)流程，同時(shí)對(duì)U-Boot源碼設(shè)計(jì)以及設(shè)備自檢程序的設(shè)計(jì)也做了相關(guān)的介紹，最后講解如何通過(guò)設(shè)置環(huán)境變量來(lái)引導(dǎo)內(nèi)核的啟動(dòng)。

1 開發(fā)板的硬件配置

FTC7110板卡基于mpc8548e作為處理器，板上資源有2個(gè) 網(wǎng) 口 、Nor Flash、Nand Flash、FPGA、CPLD、PHY 芯 片BCM5482s、DDR2、SRIO 交換機(jī)、PCI橋片等。 圖 1是本次設(shè)計(jì)的嵌入式目標(biāo)板卡FTC7110的主要硬件資源結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 FTC7110硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the hardware of FTC7110

2 U-Boot目錄結(jié)構(gòu)

U-Boot源程序包在頂層目錄下一共有17個(gè)子目錄，它們分別用于存放和管理不同的源程序。目錄結(jié)構(gòu)如下[3]：

3 U-Boot啟動(dòng)流程分析

U-Boot的啟動(dòng)大致可以分為兩個(gè)階段。第1個(gè)階段在Nor Flash中執(zhí)行，主要由匯編語(yǔ)言編寫。第2階段主要用C語(yǔ)言編寫的，用于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的硬件設(shè)備的初始化，同時(shí)也增加了代碼的可移植性。

U-Boot運(yùn)行啟動(dòng)流程如圖2所示，U-Boot在復(fù)位啟動(dòng)后執(zhí)行的第1個(gè)文件是 start.s，它位于arch/powerpc/cpu/mpc85xx中，接下來(lái)進(jìn)行U-Boot啟動(dòng)的第1個(gè)階段，完成一些針對(duì)MPC8548E的硬件初始化，主要包括初始化內(nèi)核e500、清楚指令cache和數(shù)據(jù) cache、設(shè)置中斷向量、清除和建立一些寄存器、設(shè)置HID寄存器、配置MMU、初始化堆棧等，為系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)有序可靠的初始環(huán)境，然后就進(jìn)入到U-Boot啟動(dòng)的第2個(gè)階段，首先進(jìn)入第1個(gè)C語(yǔ)言函數(shù)cpu_init_early_f中，在這里主要是來(lái)初始化TLB和LAW，為系統(tǒng)中的硬件設(shè)備來(lái)映射對(duì)應(yīng)的地址空間。接著進(jìn)入到第2個(gè)C語(yǔ)言函數(shù)cpu_init_f中，這里主要是對(duì)TLB和LAW進(jìn)行詳細(xì)的配置以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。之后進(jìn)入比較重要的C語(yǔ)言函數(shù)board_init_f中，這里是對(duì)板上的硬件進(jìn)行第1階段初始化，主要由數(shù)組init_sequence[]完成，該數(shù)組中的相關(guān)硬件初始化可以依據(jù)不同的目標(biāo)板通過(guò)定義相關(guān)的宏定義來(lái)進(jìn)行增加和刪減。數(shù)組中的主要硬件初始化函數(shù)及函數(shù)功能如下：

在完成上述初始化后開始執(zhí)行relocate_code函數(shù)，將代碼從Flash中拷貝到RAM中，并記下當(dāng)前執(zhí)行代碼的偏移，最后跳轉(zhuǎn)到RAM中相應(yīng)的位置繼續(xù)執(zhí)行板上硬件的第二階段初始化，第二階段是在board_init_r函數(shù)中執(zhí)行，主要初始化包括有 PCI，PCIe，網(wǎng)口，Nor Flash，Nand Flash 等。在一切設(shè)備初始化完成之后，就進(jìn)入函數(shù)main_loop中，等待U-Boot下命令的輸入。

圖2 U-Boot啟動(dòng)運(yùn)行流程Fig.2 Booting mechanism of U-Boot

4 U-Boot源碼的設(shè)計(jì)及編譯

U-Boot中由于沒有針對(duì)本目標(biāo)板的源碼，所以本次移植依據(jù)該源碼的目錄層次結(jié)構(gòu)需要在U-Boot的board目錄下為FTC7110嵌入式目標(biāo)板新建FTC文件夾，添加FTC文件夾的目的是在該文件夾下可以建立基于CPU和硬件資源比較接近的FTC系列的其他板卡文件夾目錄，所以這里需要在FTC文件夾下添加針對(duì)本次所采用的嵌入式板卡FTC7110文件夾，具體主要步驟如下：

1）添加include/configs/FTC7110.h。這個(gè)文件是開發(fā)板的配置文件。它主要是添加定義開發(fā)板硬件資源的映射地址和大小以及添加針對(duì)目標(biāo)板的資源信息的來(lái)進(jìn)行增加，比如實(shí)現(xiàn)MPC8548e對(duì)Nand Flash的訪問，這里需要添加對(duì)MPC8548e的BR和OR寄存器的配置[4]。

2）添加位于board/FTC/FTC7110/下的 tlb.c和 law.c。第1個(gè)tlb.c文件是設(shè)置開發(fā)板硬件資源對(duì)應(yīng)的映射地址和映射大小。第2個(gè)law.c文件是控制是否使能訪問這些映射的地址空間。

3）添加board/FTC/FTC7110/FTC7110.c。該文件主要是完成對(duì)FTC7110目標(biāo)板上相關(guān)硬件的初始化工作。

4）在FTC目錄下添加common文件夾，該文件夾用于存放一些FTC系列板卡都支持的硬件配置代碼或者是相關(guān)的硬件初始化代碼，其主要目的是增加U-Boot源碼的可擴(kuò)展性。這里根據(jù)具體的實(shí)際需求，需要添加針對(duì)MPC8548E支持的PCI、Nand Flash和時(shí)鐘等的相關(guān)配置代碼。

5）U－Boot源碼不支持對(duì)本目標(biāo)板Nor Flash的支持，需要自己添加編寫針對(duì)該Nor Flash的驅(qū)動(dòng)程序。

6）根據(jù)對(duì)板卡其他功能的設(shè)置和需求來(lái)對(duì)U－Boot源代碼進(jìn)行進(jìn)一步的增加刪除。

在進(jìn)行完前五步后就已經(jīng)可以進(jìn)行編譯，實(shí)現(xiàn)對(duì)U－Boot的啟動(dòng)。其中第6步主要是完善優(yōu)化U－Boot的啟動(dòng)界面和根據(jù)實(shí)際的需求增加相應(yīng)的功能和命令。截止到這里就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了針對(duì)目標(biāo)板資源的配置。這里編譯的操作系統(tǒng)是RHEL5.0，交叉編譯環(huán)境是 ppc_85xx－gcc。 編譯 U－Boot分為兩步，第1步是配置編譯的板卡，由于這里的FTC7110板卡目錄是新增加的，所以需要在U－Boot根目錄下的boards.cfg中添加相關(guān)配置文件以及在FTC7110和common文件夾下添加相應(yīng)的Makefile文件，配置完成后在U－Boot源碼根目錄下輸入make FTC7110_config命令。第2步編譯，直接輸入make命令即可。編譯完成后在U－Boot頂層目錄下會(huì)生成幾個(gè)映像文件，這里通常采用將u－boot.bin二進(jìn)制文件燒入到Bootrom中。目標(biāo)板重新上電啟動(dòng)后，在超級(jí)終端下顯示如下信息表示啟動(dòng)成功：

5 設(shè)備自檢程序的設(shè)計(jì)

針對(duì)本目標(biāo)板的實(shí)際設(shè)計(jì)需求，對(duì)Nor Flash、SRIO總線等進(jìn)行了自檢程序的設(shè)計(jì)，確保各個(gè)設(shè)備和相關(guān)總線在UBoot在啟動(dòng)后可以正常工作。

5.1 Nor Flash自檢程序設(shè)計(jì)

本目標(biāo)板采用Nor Flash自檢的原理是首先將NorFlash中的內(nèi)容暫存到內(nèi)存中去，接著依次對(duì)Nor Flash中的每個(gè)扇區(qū)采用flash_write接口函數(shù)向Nor Flash地址中寫入固定值，然后再?gòu)脑摰刂分凶x取，將讀取的值與寫入的固定值作比較，兩值相等表示Nor Flash設(shè)備工作正常，否則表示異常，當(dāng)然在向Nor Flash中寫入數(shù)據(jù)之前須對(duì)Nor Flash進(jìn)行擦除操作。最后將Nor Flash中原有內(nèi)容再?gòu)膬?nèi)存中存入到Nor Flash中去。

如果該Nor Flash具有寫保護(hù)功能時(shí)，在擦除Flash時(shí)，先檢測(cè)寫保護(hù)是否關(guān)閉。本目標(biāo)板設(shè)計(jì)檢測(cè)Flash寫保護(hù)是通過(guò)讀取FPGA的某一寄存器的值是否為0來(lái)進(jìn)行判斷，具體如下：

如果Nor Flash中已經(jīng)存在內(nèi)容，則需先將內(nèi)容暫存到內(nèi)存中，然后在一塊內(nèi)存區(qū)域中寫入一個(gè)Nor Flash扇區(qū)大小的固定值來(lái)作為寫入Nor Flash的值，采用memset函數(shù)實(shí)現(xiàn)，具體設(shè)計(jì)如下：

上述完成之后采用flash_erase函數(shù)、flash_write函數(shù)等來(lái)進(jìn)行擦除寫入驗(yàn)證該Nor Flash是否正常，具體設(shè)計(jì)如下：

最后驗(yàn)證確定無(wú)誤后，再將之前暫存到內(nèi)存的內(nèi)容存回到Nor Flash中去。

5.2 SRIO自檢程序設(shè)計(jì)

本目標(biāo)板采用的SRIO交換機(jī)芯片是IDT公司的TSI578。對(duì)于SRIO自檢的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用的原理是通過(guò)配置SRIO總線來(lái)讀取TSI578的ID號(hào)，以此來(lái)驗(yàn)證SRIO總線工作是否正常。

首先需要對(duì)SRIO總線進(jìn)行必要的配置，通常分為3步：第1步配置TLB；第2步配置LAW；第3步配置Maintenance Window[5－6]。由于前兩步在U－Boot固件的時(shí)候已經(jīng)做了相關(guān)的配置，所以這里只需對(duì)Maintenance Window進(jìn)行相關(guān)的配置，具體設(shè)計(jì)如下：

這里把通過(guò)SRIO總線對(duì)TSI578芯片的讀操作叫做維護(hù)讀。然后需要編寫維護(hù)讀的接口函數(shù)，這里采用宏定義的方法，函數(shù)名稱為MAINT_READ，具體設(shè)計(jì)如下：

最后調(diào)用MAINT_READ函數(shù)通過(guò)SRIO總線來(lái)讀取TSI578設(shè)備的ID號(hào)，以此做出相應(yīng)的判斷，這里假定TSI578的ID號(hào)是0x0578000d，具體如下：

6 操作系統(tǒng)的引導(dǎo)設(shè)計(jì)

U－Boot修改配置的最終目的是引導(dǎo)VxWorks操作系統(tǒng)內(nèi)核，由于該VxWorks操作系統(tǒng)內(nèi)核文件是ELF格式，而對(duì)于 ELF文件格式主要由 ELF Header、Program Header Table、Section Header Table組成，所以本設(shè)計(jì)在 U－Boot下采用bootelf命令來(lái)引導(dǎo)。

bootelf命令首先檢測(cè)該ELF文件是否有效，具體參考代碼如下：

對(duì)于上述valid_elf_image接口函數(shù)中的參數(shù) addr就是VxWorks系統(tǒng)內(nèi)核所存放的具體地址。接著bootelf命令開始解析該 ELF格式內(nèi)核文件的 ELF Header、Section Header Table和Program Header Table部分，這一部分主要通過(guò)load_elf_image_phdr和load_elf_image_shdr這兩個(gè)接口函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。最后通過(guò)設(shè)置環(huán)境變量來(lái)引導(dǎo)啟動(dòng)該操作系統(tǒng)內(nèi)核，假設(shè)這里通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載到Nor Flash中然后來(lái)引導(dǎo)啟動(dòng)vxworks.st內(nèi)核。具體輸入以下命令：

0xf0000000是本目標(biāo)板的操作系統(tǒng)鏡像文件的起始地址。

7 結(jié)束語(yǔ)

文中研究分析了將U－Boot成功移植到目標(biāo)板FTC7110上，在U－Boot源碼中添加FTC7110板卡的相關(guān)文件，同時(shí)該設(shè)計(jì)支持在線更新固件等功能，并在此基礎(chǔ)上成功的引導(dǎo)了VxWorks操作系統(tǒng)，為后面的應(yīng)用程序的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。對(duì)于不同的CPU和開發(fā)板，本U－Boot的啟動(dòng)原理分析和移植有一定的借鑒意義。

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[5]Freescale Semiconductor Inc.MPC8548E PowerQUICC III Integrated Processor Hardware Specifications[EB/OL].（2012－09－02）.http://cache.freescale.com/files/32bit/doc/data_sheet/MPC8548EEC.pdf pspll=1.pdf.

[6]Freescale Semiconductor Inc.RapidIO Bring-Up Procedure on PowerQUICC III reference manual[EB/OL].（2004－01－11）.http://cache.freescale.com/files/32bit/doc/app_note/AN2753.pdf fsrch=1&sr=2.pdf.