基于嵌入式Linux系统的Bootloader模型在MIPS64上的移植设计浅析

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。

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：

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。