基于嵌入式Linux系统的Bootloader模型在MIPS64上的移植设计浅析
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。
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，以便为最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“下载”两种操作模式。从最终用户来看，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。而在下载模式下，目标机上的bootloader通过串口连接或网络连接从主机（host）下载文件，例如下载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。
3.2 移植分析
片级移植主要是针对具体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（status，config，watch，count，compare，etc.）、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（nor，nand）、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、下载功能等。
3.3 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+目标板的开发模式，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第一项（reset）。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：
系统完成初始化后，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，最后调用main_loop（）函数，进入bootloader的第一个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。
5 结语
通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，达到了预期要求效果，由此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。
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大多数bootloader包含“启动加载”和“下载”两种操作模式。从最终用户来看，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。而在下载模式下，目标机上的bootloader通过串口连接或网络连接从主机（host）下载文件，例如下载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。
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5 结语
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