基于MPC8306的U-Boot启动流程
2019-10-09关志华
文/关志华
1 引言
U-Boot是一款通用型的引导程序，具有良好的兼容性与灵活性，支持PowerPC、X86和ARM等常用系列的处理器。
如需利用PowerPC处理器与Linux系统进行相关设备与产品的开发，必须对U-Boot进行分析与了解。本文以MPC8306为例，对U-Boot的架构与启动流程进行详细分析，MPC8306为Freescale在2010年推出的PowerQUICCⅡPro处理器，具有极高的的性价比与系统稳定性，适合应用于工业及军事设备，具体的系统架构如图1所示。
2 架构简述
如需进行MPC8306的U-Boot移植，必须对其系统架构有一定了解，主要目录介绍如下：
（1）Arch：存放不同型号CPU的库文件。其中，start.S是非常重要的一个文件，贯穿了U-Boot启动的整个流程，主要负责设置系统堆栈以及相关工作方式。
（2）Board：板级配置相关文件。
（3）Common：通用类型的代码文件。
（4）Include：存放头文件的文件夹。子目录 include/configs下与目标板相关的配置头文件是移植过程中经常要修改的文件，可配置目标板的各项参数(如波特率、引导启动参数等)。
3 启动流程
MPC8306的U-Boot启动流程主要分为两个阶段：Stage 1与Stage2。Stage1中，以Start.s文件为基本流程，代码主要由汇编语言组成，也会调用一些C语言；Stage 2主要由C 语言组成，以board.c文件为基本流程，负责完成板级系统的初始化。具体启动流程如图2所示。
图1：MPC8306的系统架构
图2：MPC8306的U-Boot启动流程
3.1 Stage 1
硬件复位完成后，CPU开始读取系统复位向量对应的偏移地址为0x100处的第一条指令，这条指令位于U-Boot中Start.S文件的_Start处。_Start为整个U-Boot的全局入口。
当程序运行到Start.S的bl init_e300_core分支语句时，程序跳转到init_e300_core函数中，这个函数主要进行e300内核的初始化，为系统创建一个干净可靠的初始环境。
内核初始化完成后，需要对启动Rom的绝对地址进行重映射，通过Start.S中的map_flash_by_law1函数和remap_flash_by_law0函数可以完成。
初识化PowerPC内部cache需要通过操作BAT以及TLB来实现，利用Start.S中的setup_bats将IBAT0～7以及DBAT0～7初始化，并禁用TLB。
enable_addr_trans、dcache_enable和lock_ram_in_cache函数负责使能地址翻译与D-Cache，lock_ram_in_cache负责锁定，然后建立堆栈。
堆栈建立完成后，流程跳转到cpu_init.c文件的cpu_init_f()函数。该函数主要负责CPU 寄存器的初始化，尤其是初始化Local Access Windows的值和片选BRx，ORx的值。
执行完CPU寄存器的初始化后，程序返回到Start.S中，并通过分支语句“bl board_init_f”跳转到board.c中的C函数board_init_f()中，为全局变量结构体gd分配内存空间（在global_data.h中可以定义gd_t结构体），并运行初始化序列init_sequence，初始化序列init_sequence主要负责板级硬件相关函数的初始化。
board_init_f()函数之前，U-Boot代码一直在Nor-Flash中运行。内存初始化完成以后，程序返回start.S，然后调用relocate_code()函数完成从Flash到RAM的代码复制，记录目前执行代码的偏移，并跳转到RAM中相应的位置执行。最后还需设置RAM中的堆栈，并跳转到的Stage2。
3.2 Stage2
Stage2的入口点为Start.S的分支语句“bl board_init_r”，由此语句跳转到board.c文件的board_init_r()函数中，并在RAM中运行。该函数主要负责高速缓存器和本阶段相关外设的初始化。主要的子函数如下所示：
mem_malloc_init()：内存分配初始化；
cpu_init_r ()：初始化CPU的高等级部分，比如QE；
flash_init()：初始化Nor Flash，使之支持写入、擦除功能；
env_relocate ()：环境变量功能指针从ROM到bd结构体的搬移；
stdio_init ()：标准化I/O初始化；
console_init_r()：再次初始化控制台串口；
main_loop()：主循环函数。
初始化完成后，程序自动跳转到主循环main_loop()函数，检查环境变量中是否定义bootdelay的值，如果已定义就把值读出来，该环境变量值定义了进入U-Boot的等待时间。如果在此时间内没有按键，从串口查询不到按键输入，则执行设置的缺省命令。若有按键输入则进入命令循环，显示命令行模式的交互界面，接受用户从串口输入的命令。在该界面下，每从串行口读入一个命令行，则调用common/main.c中的run_command()函数完成对命令行的解析，发现相符就以命令行中的参数调用相应的函数。
4 结论
本文结合MPC8306的芯片手册与U-Boot源代码详细分析了U-Boot的启动流程，并对其中各源码文件与重要函数的意义进行说明。为U-Boot在MPC8306相关产品板的移植提供了理论基础，能够有效缩短项目的开发时间。
