嵌入式Linux Bootloader在MIPS64的移植

Linux简介：

　　Linux是一类Unix计算机操作系统的统称。Linux操作系统的内核的名字也是“Linux”。Linux操作系统也是自由软件和开放源代码发展中着名的例子。严格来讲，Linux这个词本身只表示Linux内核，但在实际上人们已经习惯了用Linux来形容整个基于Linux内核，并且使用GNU 工程各种工具和数据库的操作系统。Linux得名于计算机业余爱好者Linus Torvalds。

　　Linux 操作系统是UNIX 操作系统的一种克隆系统。它诞生于1991 年的10 月5 日。以后借助于Internet 网络，并经过全世界各地计算机爱好者的共同努力下，现已成为今天世界上使用多的一种UNIX 类操作系统，并且使用人数还在迅猛增长。

　　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。但是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。

　　BootLoader简介：

　　简单地说，BootLoader就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态，以便为终调用操作系统内核准备好正确的环境。在嵌入式系统中，通常并没有像BIOS那样的固件程序，因此整个系统的加载启动任务就完全由BootLoader来完成。比如在一个基于ARM7TDMI core的嵌入式系统中，系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。

　　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""两种操作模式。从终用户来看，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。而在模式下，目标机上的Bootloader通过串口连接或网络连接从主机(Host)文件，例如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。

　　3.2Linux bootloader 编写方法引导过程概述

　　首先需要把linux内核的setup部分拷贝到9020H:0开始的地址，然后把保护模式内核拷贝到1MB开始的地址，然后根据Linux Boot Protocol 2.03的内容设定参数区的内容，基地址就是9000H：0，使用一条ljmp $0x9020,$0跳转到setup段，

　　3.3 移植分析

      片级移植针对具体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、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、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、功能等。

　　3.4 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项。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，调用main_loop()函数，进入Bootloader的个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。

　　在专用的嵌入式板子运行GNU/Linux系统已经变得越来越流行。一个嵌入式Linux系统从软件的角度看通常可以分为四个层次：

　　1、 引导加载程序。包括固化在固件（firmware）中的boot代码，和BootLoader两大部分。

　　2、 Linux内核。特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。

　　3、 文件系统。包括根文件系统和建立于Flash内存设备之上文件系统。通常用ramdisk来作为rootfs。

　　4、 用户应用程序。特定于用户的应用程序。有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。常用的嵌入式GUI有：MicroWindows和MiniGUI等。

　　5 结语

      经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，达到了预期效果，这样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。