基于MPC8306的U-Boot啟動流程

文/關志華

1 引言

U-Boot是一款通用型的引導程序，具有良好的兼容性與靈活性，支持PowerPC、X86和ARM等常用系列的處理器。

如需利用PowerPC處理器與Linux系統進行相關設備與產品的開發，必須對U-Boot進行分析與了解。本文以MPC8306為例，對U-Boot的架構與啟動流程進行詳細分析，MPC8306為Freescale在2010年推出的PowerQUICCⅡPro處理器，具有極高的的性價比與系統穩定性，適合應用于工業及軍事設備，具體的系統架構如圖1所示。

2 架構簡述

如需進行MPC8306的U-Boot移植，必須對其系統架構有一定了解，主要目錄介紹如下：

（1）Arch：存放不同型號CPU的庫文件。其中，start.S是非常重要的一個文件，貫穿了U-Boot啟動的整個流程，主要負責設置系統堆棧以及相關工作方式。

（2）Board：板級配置相關文件。

（3）Common：通用類型的代碼文件。

（4）Include：存放頭文件的文件夾。子目錄 include/configs下與目標板相關的配置頭文件是移植過程中經常要修改的文件，可配置目標板的各項參數(如波特率、引導啟動參數等)。

3 啟動流程

MPC8306的U-Boot啟動流程主要分為兩個階段：Stage 1與Stage2。Stage1中，以Start.s文件為基本流程，代碼主要由匯編語言組成，也會調用一些C語言；Stage 2主要由C 語言組成，以board.c文件為基本流程，負責完成板級系統的初始化。具體啟動流程如圖2所示。

圖1：MPC8306的系統架構

圖2：MPC8306的U-Boot啟動流程

3.1 Stage 1

硬件復位完成后，CPU開始讀取系統復位向量對應的偏移地址為0x100處的第一條指令，這條指令位于U-Boot中Start.S文件的_Start處。_Start為整個U-Boot的全局入口。

當程序運行到Start.S的bl init_e300_core分支語句時，程序跳轉到init_e300_core函數中，這個函數主要進行e300內核的初始化，為系統創建一個干凈可靠的初始環境。

內核初始化完成后，需要對啟動Rom的絕對地址進行重映射，通過Start.S中的map_flash_by_law1函數和remap_flash_by_law0函數可以完成。

初識化PowerPC內部cache需要通過操作BAT以及TLB來實現，利用Start.S中的setup_bats將IBAT0～7以及DBAT0～7初始化，并禁用TLB。

enable_addr_trans、dcache_enable和lock_ram_in_cache函數負責使能地址翻譯與D-Cache，lock_ram_in_cache負責鎖定，然后建立堆棧。

堆棧建立完成后，流程跳轉到cpu_init.c文件的cpu_init_f()函數。該函數主要負責CPU 寄存器的初始化，尤其是初始化Local Access Windows的值和片選BRx，ORx的值。

執行完CPU寄存器的初始化后，程序返回到Start.S中，并通過分支語句“bl board_init_f”跳轉到board.c中的C函數board_init_f()中，為全局變量結構體gd分配內存空間（在global_data.h中可以定義gd_t結構體），并運行初始化序列init_sequence，初始化序列init_sequence主要負責板級硬件相關函數的初始化。

board_init_f()函數之前，U-Boot代碼一直在Nor-Flash中運行。內存初始化完成以后，程序返回start.S，然后調用relocate_code()函數完成從Flash到RAM的代碼復制，記錄目前執行代碼的偏移，并跳轉到RAM中相應的位置執行。最后還需設置RAM中的堆棧，并跳轉到的Stage2。

3.2 Stage2

Stage2的入口點為Start.S的分支語句“bl board_init_r”，由此語句跳轉到board.c文件的board_init_r()函數中，并在RAM中運行。該函數主要負責高速緩存器和本階段相關外設的初始化。主要的子函數如下所示：

mem_malloc_init()：內存分配初始化；

cpu_init_r ()：初始化CPU的高等級部分，比如QE；

flash_init()：初始化Nor Flash，使之支持寫入、擦除功能；

env_relocate ()：環境變量功能指針從ROM到bd結構體的搬移；

stdio_init ()：標準化I/O初始化；

console_init_r()：再次初始化控制臺串口；

main_loop()：主循環函數。

初始化完成后，程序自動跳轉到主循環main_loop()函數，檢查環境變量中是否定義bootdelay的值，如果已定義就把值讀出來，該環境變量值定義了進入U-Boot的等待時間。如果在此時間內沒有按鍵，從串口查詢不到按鍵輸入，則執行設置的缺省命令。若有按鍵輸入則進入命令循環，顯示命令行模式的交互界面，接受用戶從串口輸入的命令。在該界面下，每從串行口讀入一個命令行，則調用common/main.c中的run_command()函數完成對命令行的解析，發現相符就以命令行中的參數調用相應的函數。

4 結論

本文結合MPC8306的芯片手冊與U-Boot源代碼詳細分析了U-Boot的啟動流程，并對其中各源碼文件與重要函數的意義進行說明。為U-Boot在MPC8306相關產品板的移植提供了理論基礎，能夠有效縮短項目的開發時間。