基于MPC8313E嵌入式系統(tǒng)U-Boot的移植
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引言
進(jìn)入21世紀(jì)以來，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和軟件技術(shù)為核心的信息技術(shù)取得了迅猛的發(fā)展,各種裝備與設(shè)備上的嵌入式計(jì)算與系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,大大地推動了行業(yè)的滲透性應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)由嵌入式硬件和嵌入式軟件兩部分組成。硬件是支撐，軟件是靈魂,幾乎所有的嵌入式產(chǎn)品都需要嵌入式軟件來提供靈活多樣、而且應(yīng)用特制的功能。由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，嵌入式軟件在整個(gè)軟件產(chǎn)業(yè)中占據(jù)了重要地位，并受到世界各國的廣泛關(guān)注；如今已成為信息產(chǎn)業(yè)中最為耀眼的“明星"之一。
Bootloader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過這段小程序可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。U—Boot身為Bootloader的一種，其功能最多，靈活性最強(qiáng)，能夠支持PowerPC,ARM,MPIS,X86體系架構(gòu)的上百種開發(fā)板,并可引導(dǎo)加載Linux,VXWorks,QNX等多種操作系統(tǒng)，有豐富的開發(fā)調(diào)試文檔資料與強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持。本文針對自行開發(fā)的基于MPC8313E的大容量固態(tài)存儲管理系統(tǒng)，利用ELDK開發(fā)套件與FreescaleCodeWar-rior集成開發(fā)環(huán)境，給出了對U-Boot-1.3.0進(jìn)行開發(fā)移植具體方法。
1 硬件平臺簡介
基于MPC8313E的大容量固態(tài)存儲管理系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。
該系統(tǒng)采用飛思卡爾MPC8313E芯片能以極低的價(jià)位，來簡化大量高速外圍設(shè)備的部署。除了GigE與USB2.0w/phy集成之外,MPC8313E還提供有32位的雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR1/DDR2)存儲器控制器、16位局部總線和4個(gè)直接存儲器訪問(DMA)通道工。
本系統(tǒng)可以使MPC8313E從FPGA中的雙口RAM中高速讀取數(shù)據(jù),然后通過千兆網(wǎng)將其上傳至上位機(jī)并接受上位機(jī)的相關(guān)命令，最后將解析命令并下發(fā)給FPGA。
2 U-Boot簡介
U-Boot全稱為UniversalBootLoader,是遵循GPLCGeneralPublicLicense)條款的開放源碼項(xiàng)目。起初,DENX軟件工程中心的WolfgangDenk基于8xxrom的源碼創(chuàng)建了PPCBOOT工程，并且不斷的添加處理器支持。后來,SysgoGmbh把ppcboot移植到ARM平臺上，并創(chuàng)建了ARMBOOTI程。然后以PPCBOOT工程和ARMBOOT工程為基礎(chǔ)，創(chuàng)建了U—Boot工程。目前,U-Boot仍然由DENX的WolfgangDenk等人維護(hù)，從DENX的官方ftp中可知,U-Boot的最新穩(wěn)定版本為U-Boot-2010.12。2.1U-Boot相關(guān)源碼結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)釆用U—Boot的版本為1.3.0,它支持Freescale的MPC8313ERDB開發(fā)板，其中與移植相關(guān)的主要目錄如表1所列。
2.2 U-Boot啟動流程
硬件復(fù)位中斷向量位于NOR-Flash的0x0100地址(即OxFEOO0100)o
當(dāng)MPC8313E±電復(fù)位后，CPU將根據(jù)RST_CFG_SRC：0:3］的值從數(shù)據(jù)總線上讀取硬件配置字或者采用默認(rèn)硬件配置字，根據(jù)配置字來設(shè)置相應(yīng)的時(shí)鐘頻率、器件等。之后轉(zhuǎn)向硬件復(fù)位向量,其具體步驟如下：
(1) 從U-boot中的cpu/mpc83xx/start,s的—start開始執(zhí)行,主要是初始化CPU的一些內(nèi)部寄存器的狀態(tài)；
(2) 之后隨著blcpu_init_f跳轉(zhuǎn)到cpu/mpc83xx/cpu_init.c中的cpu_init_f()函數(shù)開始對CPU底層進(jìn)行初始化，并在退出時(shí)將地址返回到r3寄存器中(mrr3,r21)；
(3) 在CPU底層初始化完成程序返回start,s后，緊跟著是blboard_init_f跳轉(zhuǎn)到lib_ppc/board.c中的board_init_￡()函數(shù)，對目標(biāo)板的第一次初始化，以完成對RAM的初始化，并分配內(nèi)存空間；
(4) 程序再次返回start,s中進(jìn)行必要的設(shè)置，直到執(zhí)行到relocate_code,再代碼搬運(yùn)到DDR2SDRAM中,并調(diào)整全局偏移量表(GOT),對存儲空間進(jìn)行重定位；
(5) 當(dāng)代碼搬運(yùn)完畢后，程序?qū)⒃贒DR2SDRAM中運(yùn)行，此時(shí)調(diào)用lib_ppc/board.c中的board_init_r()可對目標(biāo)板進(jìn)行第二次初始化，以完成一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、高端模塊和系統(tǒng)設(shè)備的初始化；
(6) board_init_r初始化完畢，調(diào)用commom/main,c中的mainloop()函數(shù)并等待用戶輸入命令，同時(shí)通過調(diào)用run_command()函數(shù)對命令進(jìn)行解析已完成相應(yīng)的操作；
(7) 至此,U-boot啟動完成。
3 U-boot的移植
對于U-Boot的移植可采用主機(jī)一目標(biāo)板模式，開發(fā)主機(jī)是X86構(gòu)架下的WindowsXPSP3操作系統(tǒng),并通過虛擬機(jī)VMware安裝Linux操作系統(tǒng)(RedHat9.0),目標(biāo)板是PowerPC構(gòu)架下的Linux操作系統(tǒng)。主機(jī)和目標(biāo)板之間可通過串口與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，其連接方式如圖2所示。
3.1 交叉開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建
交叉編譯是指在一種計(jì)算機(jī)環(huán)境中運(yùn)行的編譯程序能編譯出在另外一種環(huán)境下運(yùn)行的代碼。簡單地說，就是在一個(gè)平臺上生成另一個(gè)平臺上的可執(zhí)行代碼。這里需要注意的是，所謂平臺，實(shí)際上包含兩個(gè)概念:體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)。同一個(gè)體系結(jié)構(gòu)可以運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)；同樣，同一個(gè)操作系統(tǒng)也可以在不同的體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行。
由于開發(fā)主機(jī)使用的是X86構(gòu)架的Linux,目標(biāo)板是PowePC構(gòu)架，我們需要首先搭建交叉的編譯環(huán)境。ELDK(EmbeddedLinuxDevelopmentKit)是德國denx提供的可供PowerPC嵌入式Linux移植的完整開發(fā)環(huán)境編譯套件，在開發(fā)主機(jī)上構(gòu)建交叉編譯環(huán)境的主要過程如下：
(1) ./install—d/usr/ppc/eldkppc_6xx;
(2) 編輯自己的帳戶目錄，并在.bashrc(例如:/root/)中加入下面內(nèi)容：
CROSS_COMPILE=ppc_6xx—
PATH=$PATH：/usr/ppc/eldk/usr/bin：/usr/ppc/el-dk/bin
exportCROSS.COMPILEPATH
(3) 保存。然后執(zhí)行source.bashrc
(4) 驗(yàn)證安裝，執(zhí)行下列命令：
powerpc一linux—gcc—v
同時(shí)輸出gcc和glibc的版本號，例如：gccver-sion4.0.0(DENXELDK4.14.0.0),至此表明ELDK已安裝成功，交叉開發(fā)環(huán)境構(gòu)建完成。
3.2 U-Boot的移植
在修改U-Boot代碼之前,首先要做好系統(tǒng)地址空間的分配，而我們的目標(biāo)板是由MPC8313ERDB開發(fā)板裁剪后并添加與FPGA中雙口RAM接口產(chǎn)生的，所以只需要去掉MPC8313ERDB開發(fā)板中不用的部分并添加DPRAM的驅(qū)動即可，因此，設(shè)計(jì)時(shí)主要修改U—Boot—l.3.0中與MPC8313ERDB開發(fā)板有關(guān)的代碼就可以了，這樣既可提高移植后U-Boot的穩(wěn)定性，又可縮短開發(fā)時(shí)間。目標(biāo)板的系統(tǒng)地址空間的分配如表2所列。
(1) 修改頂層Makefile"1〕文件為目標(biāo)板添加新的規(guī)則：
MPC8313EMYB_33_con￡ig:unconfig
@mkdir—p$(obj)include
@echo"〉$(obj)include/config,h;\
echo—n”...33M...”;\
echo"#defineCFG_33MHZ”〉〉$(obj)include/con-fig.h;
@$(MKCONFIG)—aMPC8313EMYBppcmpc83xxmpc8313emyb
(2) 在board目錄中創(chuàng)建mpc8313emyb目錄，將board/freescale/mpc8313erdb目錄中的全部文件復(fù)制到該目錄中并將mpc8313erdb.c文件重命名為mpc8313emyb.co修改mpc8313emyb.c文件，去掉PCI相關(guān)代碼(〃mpc83xx_pci_init(1,reg,warm-boot)；);
(3) 將include/configs目錄中MPC8313ERDB.h的內(nèi)容復(fù)制到MPC8313EMYB.h中，并作如下修改：
//#defineCONFIG_PCI
//#defineCONFIG_83XX_GENERIC_PCI
//并defineCONFIG_CMD_PCI
//井defineCONFIG_CMD_I2C
# defineCFG_SICRL(SICRL_USBDR|0x003C0000)
〃使能GPIO30和GPIO31
甘defineCFG_DPRAM_BASEOxFO000000
井defineCONFIG_DPRAM_ENET
/*DPRAMethernetsupport*/
# defineCFG_BR2_PRELIM0xf0001001
/*DPRAMBaseaddress*/
甘defineCFG_OR2_PRELIM0xf￡fe0033
/*DPRAM,128Kbytes*/
# defineCFG LBLAWBAR2 PRELIMCFG DPRAM_BASE
并defineCFG_LBLAWAR2_PRELIM0x80000010
# defineCONFIG_IPADDR192.168.0.10
# defineCONFIG_SERVERIP192.168.0.155
# defineCONFIG_GATEWAYIP192.168.0.1
# defineCONFIG_NETMASK255.255.255.0
(4) 編譯生成U-Boot鏡像：
makeMPC8313EMYB_config
make
編譯完成后生成U-boot.bin文件；
(5) 燒寫鏡像到目標(biāo)板上
利用ftp將VMware中Linux中的u—boot,bin文件下載到Windows下，用FreescaleCodeWarrior中內(nèi)嵌的FlashProgramer將U—Boot鏡像燒寫到目標(biāo)板的NOR-Flash中。
4 U-Boot的調(diào)試
利用Freescale的CodeWarrior軟件和USBTAP可以很方便地在目標(biāo)板上對U-Boot經(jīng)行調(diào)試。調(diào)試U-Boot首先要在其鏡像文件中添加一些調(diào)試信息,在編譯U-Boot鏡像之前需要對代碼樹作如下修改":
(1) 修改U-Boot源碼根目錄下的config,mk文件；
DBGFLAGS=—g2-gdwarf-2
AFLAGS_DEBUG=_Wa,_gdwarf2OPTFLAGS=-O1
(2) 在libppc/board.c中找到debug("nowrunninginram…")；語句并將debug改為printf；
(3) 編譯U-Boot,得到包含調(diào)試信息的ELF格式U-Boot文件。
利用第3步得到的ELF格式的U-Boot文件建立CodeWarrior工程。
U-Boot的調(diào)試分為三個(gè)階段：MMU開啟前的NOR-Flash運(yùn)行階段、MMU開啟后的NOR-Flash運(yùn)行階段和在RAM中的運(yùn)行階段。MPC8313E±電復(fù)位配置后(讀取完硬件復(fù)位配置字)，程序指針(PC)將跳轉(zhuǎn)到BR0+0x100映射的地址去取第一條指令，這里就是NOR-Flash中的0x100地址(_Start：)，之后會在NOR—Flash中運(yùn)行(NOR—Flash具有片內(nèi)執(zhí)行(eXecuteInPlace：芯片內(nèi)執(zhí)行)的特性)最初的初始化程序(主要是初始化RAM),直到程序被搬運(yùn)到RAM中。程序在NOR-Flash中運(yùn)行階段還可細(xì)分為兩個(gè)階段:MMUEna-ble前和MUUEnable后。
調(diào)試完U-Boot后，就可以將內(nèi)核鏡像、扁平設(shè)備樹文件和文件系統(tǒng)鏡像分別加載到目標(biāo)板上，至此，一套基于MPC8313E微處理器的Linux嵌入式系統(tǒng)就移植完成了。
5 結(jié)語
U-Boot作為一個(gè)通用的Bootloader軟件，可以穩(wěn)定的應(yīng)用到多種構(gòu)架的微處理器嵌入式平臺上，在作者開發(fā)的基于MPC8313E微處理器的大規(guī)模固態(tài)存儲管理系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用，已經(jīng)成功的將linux—2,6.23內(nèi)核和Ramdisk格式的文件系統(tǒng)移植到目標(biāo)板上，并測試了DPRAM驅(qū)動，本套系統(tǒng)現(xiàn)已成功的在實(shí)際應(yīng)用中使用。
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