u-boot启动分析

背景：Boardar7240(ap93)Cpumips1、首先弄清楚什么是u-bootUboot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）：根目录(u-boot)boardcommoncpudiskDocdriversfsincludeLib_xxxnettools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)：MakefileConfig.mkAp93.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.ccpu：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：MakefileConfig.mkCpu.c和处理器相关的代码sInterrupts.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relocate5、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.Scpu/mips/start.SCache.Scpu/mips/cache.SLowlevel_init.Sboard/ar7240/common/lowlevel_init.SBoard.clib_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 romReservedromExcHandle: 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：Lwt9,1088(gp)Jalrt9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。Lwt9,1088(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.S3、lat9,board_init_f;将函数board_init_f地址赋给t9寄存器Jt9;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、lat9,board_init_r cpu/mips/start.S将函数board_init_r地址赋给t9寄存器Jt9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.cb)main_loop()common/main.cs = getenv(“bootcmd”)取得环境变量中的启动命令行，如：bootcmd = bootm 0xbf020000run_command(s,0);/执行这个命令行，即bootmc)do_bootm()command/cmd_bootm.c/printf(“#Booting image at %08lxn”,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flashDisplay_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 bi_enetaddri = 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 = %dnn”, 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(l