基于Mpc823e的bootloader分析和实现

0 引言

在嵌入式系统中，当cpu启动起来后，首先会在预先设置的地址上执行引导程序，用来加载和启动系统。通过引导程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。引导程序与硬件紧密结合，不同处理芯片体系，不同主板设计，对应不同的引导程序。本系统采用ppcboot作为引导程序。ppcboot的功能强大，而且代码公开。一般来说，它可以分为两部分：与硬件相关的代码，与硬件无关的代码。在设计时，可以先从其官方网站下载完整的代码，然后根据自己系统的特点，对与硬件相关代码部分进行修改，最后进行编译，烧入 Flash。接下来，将对ppcboot的工作流程和具体的修改过程进行讨论

1 ppcboot工作流程

作为ppc体系的引导程序ppcboot上电后,将完成初始化硬件设备,建立内存映射, 启动系统内核三个任务。

初始化硬件设备：

系统上电复位后，CPU首先从Flash 的0x100处执行第一条指令。该指令跳转到具体地址后，开始执行部分初始化和真正初始化前的准备工作：屏蔽所有的中断，设置CPU的速度和时钟频率，禁止cache、禁止地址转换等等。

在这个阶段中，执行空间始终在Flash，功能通常都用汇编语言来实现。之后，系统开始建立内存映射。

建立内存映射：

（1）设置系统的内存控制器的功能寄存器以及各内存库控制寄存器等，使CPU能够正常运行起来并执行C语言程序，并且为下一步加载引导程序，准备RAM空间。

（2）引导程序重新定位执行空间,ppcboot代码从flash拷贝到内存，开始在内存中执行。

（3）再次初始化部分硬件设备，并检测系统内存映射，知道 CPU 预留的全部 RAM 地址空间中的哪些被真正映射到 RAM 地址单元，哪些是处于无状态的。经过这个阶段后，系统建立了内存映射图（见图1），并开始在内存里执行程序，能够执行C语言程序。之后，系统进入启动操作系统内核阶段。

启动操作系统内核

（1）把内核映像和根文件系统映像从Flash上读到RAM中。

（2） 为内核设置启动参数。以标记列表的形式来传递。

（3）解压内核，初始化串口，使解压后内核获得CPU的控制权，结束ppcboot的任务。

2 基于MPC823e的ppcboot的具体编写

在上面提过，由于ppcboot的代码硬件无关部分是通用的，不需要修改。而硬件相关的代码部分，与硬件紧密相关，所以需要针对自己具体的硬件进行修改，主要是cpu部分与主板部分的代码。

2．1 ppcboot中cpu部分的开发

ppcboot的一个任务是初始化CPU内部寄存器，包括：定义中断向量表、数据和指令cache的设置、内存管理单元MMU的设置、系统接口单元SIU设置、内存控制器和UPM表的设置、时钟和复位寄存器设置、外部总线接口设置、与编译器相关的堆栈设置等。

步骤1： 禁止 中断 -> 禁止cache -> 禁止MMU

启动过程中无法处理中断，所以必须关闭中断；另外，因内存管理、cache尚未设置，所以应先全部禁止，待设置完毕再打开。

步骤2： 初始化内存 init_memc

MPC823e提供了强大的内存接口控制单元，包括一个通用内存接口单元GPCM和两个用户可编程内存接口单元UPMA/UPMB。还提供了8个片选信号线与8片独立的内存接口。

编写ppcboot时，需要研究SDRAM芯片的时序图，构造出MPC823e特有的64个时序字，填入MPC823e内部相应的寄存器中。以后，每当发出内存访问的指令时，硬件就能够根据设置好的64个时序字，产生正确的读写时序。而且要针对具体的设计，编写片选内存的寄存器BRx和ORx来设置其属性,包括定义内存片基地址、地址掩码、读写属性、总线宽度(8位、16位、32位)、控制单元(使用GPCM或UPM)等。如本系统中，使用了CS0 控制16位的Flash存储器、CS1控制32位的sdram，对CS1进行设置时应设为基地址0x00000000，32位可读写，使用UPMA。

步骤3：初始化系统接口单元init_SIU -> 初始化调试寄存器der -> 初始化时钟 init_clk

系统接口单元主要包含对MPC823e复用引脚的设置寄存器、调试寄存器（该寄存器可用来设置CPU在各种不同的意外情况下是否进入调试状态）。

初始化时钟主要是对CPU主频的设置。MPC823e有一个倍频率达数千倍的内部倍频器，本系统中，采用了5MHz的晶振，经过10倍频后稳定运行在50MHz频率上。