u-boot启动分析

背景：

Board →ar7240(ap93)

Cpu →mips

1、首先弄清楚什么是u-boot

Uboot是德国DENX小组的开发，它用于多种嵌入式CPU的bootloader程序, uboot不仅支持嵌入式linux系统的引导，当前，它还支持其他的很多嵌入式操作系统。

除了PowerPC系列，还支持MIPS，x86，ARM，NIOS，XScale。

2、下载完uboot后解压，在根目录下，有如下重要的信息（目录或者文件）：

以下为为每个目录的说明：

Board：和一些已有开发板有关的文件。每一个开发板都以一个子目录出现在当前目录中，子目录存放和开发板相关的配置文件。它的每个子文件夹里都有如下文件(以ar7240/ap93为例)：

Makefile

Config.mk

Ap93.c 和板子相关的代码

Flash.c Flash操作代码

u-boot.lds 对应的链接文件

common：实现uboot命令行下支持的命令，每一条命令都对应一个文件。例如bootm命令对应就是cmd_bootm.c

cpu：与特定CPU架构相关目录，每一款Uboot下支持的CPU在该目录下对应一个子目录，比如有子目录mips等。它的每个子文件夹里都有入下文件：

Makefile

Config.mk

Cpu.c 和处理器相关的代码s

Interrupts.c 中断处理代码

Serial.c 串口初始化代码

Start.s 全局开始启动代码

Disk：对磁盘的支持

Doc：文档目录。Uboot有非常完善的文档。

Drivers：Uboot支持的设备驱动程序都放在该目录，比如网卡，支持CFI的Flash，串口和USB等。

Fs：支持的文件系统，Uboot现在支持cramfs、fat、fdos、jffs2和registerfs。

Include：Uboot使用的头文件，还有对各种硬件平台支持的汇编文件，系统的配置文件和对文件系统支持的文件。该目下configs目录有与开发板相关的配置文件，如

ar7240_soc.h。该目录下的asm目录有与CPU体系结构相关的头文件，比如说mips

对应的有asm-mips。

Lib_xxx：与体系结构相关的库文件。如与ARM相关的库放在lib_arm中。

Net：与网络协议栈相关的代码，BOOTP协议、TFTP协议、RARP协议和NFS文件系统的实现。

Tools：生成Uboot的工具，如：mkimage等等。

3、mips架构u-boot启动流程

u-boot的启动过程大致做如下工作：

1、cpu初始化

2、时钟、串口、内存(ddr ram)初始化

3、内存划分、分配栈、数据、配置参数、以及u-boot代码在内存中的位置。

4、对u-boot代码作relocate

5、初始化malloc、flash、pci以及外设(比如，网口)

6、进入命令行或者直接启动Linux kernel

刚一开始由于参考网上代码，我一个劲的对基于smdk2410的板子，arm926ejs的cpu看了N 久，启动过程和这个大致相同。

整个启动中要涉及到四个文件：

Start.S →cpu/mips/start.S

Cache.S →cpu/mips/cache.S

Lowlevel_init.S →board/ar7240/common/lowlevel_init.S

Board.c →lib_mips/board.c

整个启动过程分为两个阶段来看：

Stage1：系统上电后通过汇编执行代码

Stage2：通过一些列设置搭建了C环境，通过汇编指令跳转到C语言执行.

Stage1：

程序从Start.S的_start开始执行.(至于为什么，参考u-boot.lds分析.doc)

先查看start.S文件吧!~

从_start标记开始会看到一长串莫名奇妙的代码：

RVECENT(reset,0) /* U-boot entry point */ /*U-Boot开始执行的代码起始地址*/ RVECENT(reset,1) /* software reboot */ /*软重启时U-Boot开始执行的起始地址*/ RVECENT(romReserved,2) /*保留本代码所在的地址，重新映射调试异常向量时可以使用该空间*/ RVECENT(romReserved,3)

RVECENT(romReserved,4)

RVECENT(romReserved,5)

RVECENT(romReserved,6)

RVECENT(romReserved,7)

RVECENT(romReserved,8)

RVECENT(romReserved,9)

…

…

回过头看刚开始的定义有这样的代码：

可以找到：

#define RVECENT(f,n) \

b f; nop

原来这只是一个简单的跳转指令，f为一个标记，b为跳转指令。

然后看最后，发现：

romReserved:

b romReserved

romExcHandle:

b romExcHandle

这两个标记都构建了无意义的死循环。

通过_start标记处的语句RVECENT(reset,0) 代码跳转到标记reset的地方，该段代码的操作就是对寄存器的清零操作了。Mfc0和mtc0指令是对寄存器的一些读写.

在接下来是对协处理器的操作了，其中包括：

CP0_WATCHLO,

CP0_WATCHHI,

CP0_CAUSE,

CP0_COUNT,

CP0_COMPARE

之后，配置寄存器CP0_STATUS，设置所使用的协处理器，中断以及cpu运行级别（核心级）。配置gp寄存器，把GOT段的地址赋给gp寄存器。（gp寄存器的用处会在后面relocate code 部分详细解释）

接下来执行lowlevle_init.S的lowlevel_init函数，主要目的是工作频率配置，比如cpu的主频，总线(AHB)，DDR 工作频率等。

然后执行cache.S中的mips_cache_reset对cache进行初始化。接着调用mips_cache_lock

(这个调用的目的：当代码执行到这个时候，ddr ram还没有配置好，而如果直接调用C语言的函数必须完成栈的设置，而栈必定要在ram中。所以，只有先把一部分cache拿来当做ram 用。做法就是把一部分cache配置为栈的地址，锁定。这样，当读写栈的内存空间时，只会访问cache，而不会访问真的ram地址了。)

这时，配置栈的地址，进行调用函数board_init_f(board.c)进入函数board_init_f后，首先做一些列的初始化：

Timer_init 时钟初始化

Env_init 环境变量初始化(取得环境变量存放的地址)

Init_baudrate 串口速率

Serial_init 串口初始化

Console_init_f 配置控制台

Display_banner 显示u-boot启动信息，版本号等。

Checkboard 执行board相关的操作

Init_func_ram 初始化内存，配置ddr controller

这一系列工作完成后，串口和内存都已经可以用了。

然后，就要把内存进行划分，在内存的最后一部分，留出u-boot代码大小的空间，准备把u-boot代码从flash搬移到这里。

然后，是堆的空间，malloc的内存就来自于这里。

紧接着放两个全局数据结构bd_infoglobal_data和环境变量boot_params。

最后，是栈的空间。

当内存划分好后，就准备进行relocate code了。

(relocate code含义：

通常u-boot的执行代码肯定是在flash上(调试可以在ram上).当启动起来之后，要把它从flash 上搬移到ram里运行

)

但是，存在的问题是，flash地址和ram地址是不同的。当我们把代码从flash搬移到ram中后，当执行函数跳转时，代码里的函数地址还是flash的地址，一跳，又重新跳回去了(跳回了flash)。

IPC(position-independent code) 由此引出了。

原理：

当使用IPC方式时，在用gcc编译时需要加上-fpic的选项。编译器会为你的可执行代码建立一个GOT(global offset table)的段。一个地址在GOT表中有一项，里面存放地址的信息，在使用这个地址时，只要根据这个地址的编号(也可以叫做偏移量offset)找到表中相应的项目，就可以取得那个地址了。

而如果位置发生变化，只要对GOT 表中的地址进行修改就可以了。

例：

Lw t9,1088(gp)

Jalr t9

这里，gp存放的就是GOT表的起始地址，而1088就是要调用函数offset，也就说GOT表的那个位置存放着它的地址。Lw t9,1088(gp)把函数地址放入t9寄存器，然后调用就可以了。

Relocate code说简单一点就是：把u-boot的执行代码直接从flash里copy到ram的相应区域。然后，把GOT表中的地址都加上一个偏移量，这个偏移量就是flash里的地址与ram里的地址差。

这里完成的操作还有一些其他工作，比如：设置新的栈指针，从flash代码里跳转到ram代码里等等.

之后，进入board.c的board_init_r函数。进入stage2。

Stage2：

在board_init_f函数中初始化malloc，flash，pci以及外设(如：网口)，最后进入命令行或者直接启动Linux Kernel.

这样，u-boot的启动工作完成。

流程分析

1、最开始系统加电。

ENTRY(_start)程序入口点是_start (原因参考u-boot.lds分析.doc)

2、_start：cpu/mips/start.S

3、la t9,board_init_f ;将函数board_init_f地址赋给t9寄存器

J t9 ;程序调转到t9寄存器中保存的地址指向的指令

注：(这里有点小疑问：代码运行到这里，pc指向的应该是cache中划分出来的临时ram?)

a) board_inif_f() lib_mips/board.c 初始化外部内存

relocate_code()回到cpu/mps/start.S中继续执行

4、la t9,board_init_r cpu/mips/start.S 将函数board_init_r地址赋给t9寄存器

J t9 跳转到t9寄存器中保存的地址指向的指令

a) board_init_r()函数lib_mips/board.c

b) main_loop()common/main.c

s = getenv(“bootcmd”) 取得环境变量中的启动命令行，

如：

bootcmd = bootm 0xbf020000

run_command(s,0); //执行这个命令行，即bootm

c) do_bootm() command/cmd_bootm.c

//printf(“##Booting image at %08lx…\n”,addr);

5、bootm启动内核

a) do_bootm_linux() lib_mips/mips_linux.c

函数解析

1、board_init_f()

a)void board_init_f(ulong bootflag)

{

For (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++ init_fnc_ptr)

{

If ((*init_fnc_ptr)() != 0)

{

Hang();

}

}

}

/*

调用init_sequence函数队列，对板子进行一些初始化，详细见后面初始化external memory，初始化堆栈用cache作堆栈

*/

relocate_code(addr_sp,id,addr); //回到cpu/mips/start.S中

/*NOTREACHED-relocate_code() does not return*/

b)typedef int (init_fnc_t) (void);

init_fnc_t * init_sequence[] =

{

/* Clx_board_init, //初始化GPIO,CPU速度，PLL，SDRAM等*/ Timer_init, //时钟初始化

Env_init, //环境变量初始化

Incaip_set_cpuclk, //根据环境变量设置CPU时钟

Init_baudrate, //初始化串口波特率

Serial_init, /* serial communicatioins setup */

Console_init_f, //串口初始化，后面才能显示

Display_banner, //在屏幕上输出一些显示信息

Checkboard,

Init_func_ram,

NULL,

};

2、board_init_r()

a)调用一些列的初始化函数

b)初始化Flash设备

c)初始化系统内存分配函数

d)如果目标系统拥有NAND设备，则初始化NAND设备

e)如果目标系统有显示设备，则初始化该类设备

f)初始化相关网络设备，填写IP、MAC地址等

g)进去命令循环(即整个boot的工作循环)，接受用户从串口输入的命令，然后进行相

应的工作

Void board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr)

{

/*configure available FLASH banks*/ //配置可用的flash单元

Size = flash_init(); //初始化flash

Display_flash_config(size); //显示flash的大小

/*initialize malloc() area*/

Mem_malloc_init();

Malloc_bin_reloc();

Puts(“NAND”);

Nand_init(); /*go init the NAND*/ //NAND初始化

/*relocate environment function pointers etc.*/

Env_relocate(); //初始化环境变量

/*board MAC addresss*/

S = getenv(“ethaddr”); //以太网MAC地址

For (I = 0;I < 6; ++i)

{

Bd->bi_enetaddr[i] = s?simple_strtoul(s,&e,16):0;

If (s)

S = (*e)?e + 1:e;

}

/*IP Address*/

Bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr(“ipaddr”);

Pci_init(); //pci初始化配置

/**leave this here (after malloc(),environment and PCI are working **/

/*initialize devices*/

Devices_init();

Jumptable_init();

/*initialize the console (after the relocation and deivces init)*/

Console_init_t(); //串口初始化

/miscellaneous platform dependent initialisationss/

Misc_init_r();

Puts(“Net”);

Eth_initialize(gd->bd);

/*main_loop() can return to retry autoboot,if so just run it again.*/

For (;;)

{

Main_loop();

/*循环执行，试图自动启动，接受用户从串口输入的命令，然后进行相应的工

作，设置延时时间，确定目标板是进入下载模式还是启动加载模式

*/

}

/* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */ }

3、main_loop()

void main_loop(void)

{

S = getenv(“bootdelay”); //从环境变量中取得bootdelay内核等待延时

Bootdelay = s ? (int)simple_strtol(s,NULL,10) : CONFIG_BOOTDELAY;

Debug(“###main_loop entered:bootdelay = %d\n\n”, bootdelay);

S = getenv(“bootcmd”); //从环境变量中取得bootcmd启动命令行

/*

例：

bootcmd = tftp;

bootm或者bootcmd = bootm 0xbf020000

*/

Char *s1 = getenv(“bootargs”); //从环境变量中取得bootargs启动参数

Debug(“###main_loop:bootcmd = \”%s\”\n”, s ? s : “”);

Run_command(s, 0); //执行启动命令

//手动输入命令

For (;;)

{

Len = readline(CFG_PROMPT); //读取键入的命令道CFG_PROMPT中

Rc = run_command(lashcommand, flag); //执行这个命令

}

#endif /*CFG_HUSH_PARSER*/

}

4、do_bootm()

int do_bootm(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])

这个函数看着挺长的，作用是将内核解压缩，然后调用do_bootm_linux引导内核

5、do_bootm_linux() lib_mips/mips_linux.c

打印信息Starting kernel …

Void do_bootm_linux(cmd_tbl_t * cmd tp, int flag, int argc, char *argv[],

Ulong addr, ulong * len_ptr, int verify)

{

Char * commandline = getenv(“bootargs”);

theKernel =

(void (*)(int ,char **, char **, int *)) ntohl(hdr->ih_ep);

//hdr为指向image header的指针，hr->ih_ep就是我们用mkimage创建image时-e

选项的参数：内核的入口地址

Linux_params_init(UNCACHED_SDRAM(gd->bd->bi_boot_params),commandline);

/*we assume that the kernel is in place*/

Printf(“\nStarting kernel … \n\n”);

theKernel(linux_argc, linux_argv, linux_env,0); //启动内核}

u-boot向内核传递启动参数由一系列在include/configs.h中的宏控制，启动参数传递的地址在board_init中初始化