uboot研读笔记 | 02 - 详细探索uboot启动过程（基于S3C2410处理器）
项目开源地址：https://github.com/Mculover666/uboot-jz2440
0. 教程完整目录
- 00 - 嵌入式Linux系统中Bootloader的作用和基本运行原理
- 01 - 下载uboot源码并使用VSCode远程查看源码、编译uboot（2012.04.01版本）
- 02 - 详细探索uboot启动过程（基于S3C2410处理器）
- 03 - 初步移植uboot 2012.04到JZ2440（修改时钟，配置串口）
- 04 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（支持Nor Flash读写）
- 05 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（支持Nand Flash读写）
- 06 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（支持DM9000C网卡）
- 07 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（裁剪uboot大小）
- 08 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（设置mtd分区表）
- 09 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（设置默认环境变量参数）
- 10 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（烧写Linux内核、烧写yaffs2文件系统）
- 11 - 移植uboot 2012.04到JZ2440（移植完成，制作uboot补丁）
1. 启动流程分析方法
uboot的文件太多了，要从文件着手学习是非常困难的，最好的办法是：
选择一款已经默认支持的处理器，然后去研究针对该款处理器的启动过程，以及使用到了哪些问文件，重点掌握需要自己修改哪些文件即可。
这里我选择和开发板S3C2440近似的一款已有处理器：S3C2410，然后研读针对该款处理器的源代码。
首先放上我分析出的结果：
2. 单板配置文件
在研读uboot源码的时候，很多配置项都取决于单板配置文件中的宏定义，比如smdk2410这个单板的配置文件是include\configs\smdk2410.h文件，在查看源码时，可以在此文件中查看宏定义是否存在。
3. start.S文件
在编译产生的链接文件uboot.lds中可以看到，0地址处存放的是arch/arm/cpu/arm920t/start.S文件编译产生的内容：
进入该文件查看内容：
接着阅读代码，找到start_code，内容如下（重点）：
/*
* the actual start code
* 实际启动代码
*/
start_code:
/*
* set the cpu to SVC32 mode
*1. 设置CPU为SVC32模式
*/
mrs r0, cpsr
bic r0, r0, #0x1f
orr r0, r0, #0xd3
msr cpsr, r0
/* S3C2410的内核是ARM920T，这段代码用不到 */
#if defined(CONFIG_AT91RM9200DK) || defined(CONFIG_AT91RM9200EK)
/*
* relocate exception table
*/
ldr r0, =_start
ldr r1, =0x0
mov r2, #16
copyex:
subs r2, r2, #1
ldr r3, [r0], #4
str r3, [r1], #4
bne copyex
#endif
#ifdef CONFIG_S3C24X0
/* turn off the watchdog */
/* 2. 关看门狗 */
//经过查看S3C2410/S3C2440数据手册，寄存器地址一致，不用修改
# if defined(CONFIG_S3C2400)
# define pWTCON 0x15300000
# define INTMSK 0x14400008 /* Interrupt-Controller base addresses */
# define CLKDIVN 0x14800014 /* clock divisor register */
#else
# define pWTCON 0x53000000
# define INTMSK 0x4A000008 /* Interrupt-Controller base addresses */
# define INTSUBMSK 0x4A00001C
# define CLKDIVN 0x4C000014 /* clock divisor register */
# endif
ldr r0, =pWTCON
mov r1, #0x0
str r1, [r0]
/*
* mask all IRQs by setting all bits in the INTMR - default
* 3. 屏蔽所有中断
*/
mov r1, #0xffffffff
ldr r0, =INTMSK
str r1, [r0]
# if defined(CONFIG_S3C2410)
ldr r1, =0x3ff
ldr r0, =INTSUBMSK
str r1, [r0]
# endif
/* 4. 设置系统时钟分频系数 */
/* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 */
/* default FCLK is 120 MHz ! */
ldr r0, =CLKDIVN
mov r1, #3
str r1, [r0]
#endif /* CONFIG_S3C24X0 */
/*
* we do sys-critical inits only at reboot,
* not when booting from ram!
* 5. CPU内部初始化
*/
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
bl cpu_init_crit
#endif
/* Set stackpointer in internal RAM to call board_init_f */
/* 6. 设置好栈顶指针sp = 0x30000f80，然后调用C程序中的board_init_f 函数 */
call_board_init_f:
ldr sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
bic sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */
ldr r0,=0x00000000
bl board_init_f
大概总结一下这段代码，其实就是上一篇文章中讲述的，bootloader的 stage1 阶段，这段代码做了如下的事情：
- 设置CPU为SVC32模式
- 关看门狗
- 屏蔽所有中断
- 设置系统时钟分频系数
- CPU内部初始化
- 设置好栈顶指针sp，调用C程序中的board_init_f 函数
4. cpu_init_crit函数
在start_code中，未定义CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT 这个宏，所以执行cpu_init_crit函数。
cpu_init_crit函数的主要功能是：
- 设置CPU中重要的寄存器
- 设置内存控制器时序
4.1. 设置CPU中重要的寄存器
这段函数的代码同样在start.S文件中，如下：
/*
*************************************************************************
*
* CPU_init_critical registers
*
* setup important registers
* setup memory timing
*
*************************************************************************
*/
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
cpu_init_crit:
/*
* flush v4 I/D caches
*/
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* flush v3/v4 cache */
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* flush v4 TLB */
/*
* disable MMU stuff and caches
*/
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS)
bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM)
orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 2 (A) Align
orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-Cache
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
/*
* before relocating, we have to setup RAM timing
* because memory timing is board-dependend, you will
* find a lowlevel_init.S in your board directory.
*/
mov ip, lr
bl lowlevel_init
mov lr, ip
mov pc, lr
#endif /* CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT */
4.2. 调用lowlevel_init函数设置内存控制器
每个单板的内存控制器设置代码都是不一样的，所以 lowlevel_init 函数放在了单板目录中的lowlevel_init.S文件中，smdk2410单板中此文件的目录为 board\samsung\smdk2410\lowlevel_init.S。
在该文件中实现的 lowlevel_init 函数源码如下：
_TEXT_BASE:
.word CONFIG_SYS_TEXT_BASE
.globl lowlevel_init
lowlevel_init:
/* memory control configuration */
/* make r0 relative the current location so that it */
/* reads SMRDATA out of FLASH rather than memory ! */
ldr r0, =SMRDATA
ldr r1, _TEXT_BASE
sub r0, r0, r1
ldr r1, =BWSCON /* Bus Width Status Controller */
add r2, r0, #13*4
0:
ldr r3, [r0], #4
str r3, [r1], #4
cmp r2, r0
bne 0b
/* everything is fine now */
mov pc, lr
其中 SMRDATA 就是具体的参数配置，定义如下：
SMRDATA:
.word (0+(B1_BWSCON<<4)+(B2_BWSCON<<8)+(B3_BWSCON<<12)+(B4_BWSCON<<16)+(B5_BWSCON<<20)+(B6_BWSCON<<24)+(B7_BWSCON<<28))
.word ((B0_Tacs<<13)+(B0_Tcos<<11)+(B0_Tacc<<8)+(B0_Tcoh<<6)+(B0_Tah<<4)+(B0_Tacp<<2)+(B0_PMC))
.word ((B1_Tacs<<13)+(B1_Tcos<<11)+(B1_Tacc<<8)+(B1_Tcoh<<6)+(B1_Tah<<4)+(B1_Tacp<<2)+(B1_PMC))
.word ((B2_Tacs<<13)+(B2_Tcos<<11)+(B2_Tacc<<8)+(B2_Tcoh<<6)+(B2_Tah<<4)+(B2_Tacp<<2)+(B2_PMC))
.word ((B3_Tacs<<13)+(B3_Tcos<<11)+(B3_Tacc<<8)+(B3_Tcoh<<6)+(B3_Tah<<4)+(B3_Tacp<<2)+(B3_PMC))
.word ((B4_Tacs<<13)+(B4_Tcos<<11)+(B4_Tacc<<8)+(B4_Tcoh<<6)+(B4_Tah<<4)+(B4_Tacp<<2)+(B4_PMC))
.word ((B5_Tacs<<13)+(B5_Tcos<<11)+(B5_Tacc<<8)+(B5_Tcoh<<6)+(B5_Tah<<4)+(B5_Tacp<<2)+(B5_PMC))
.word ((B6_MT<<15)+(B6_Trcd<<2)+(B6_SCAN))
.word ((B7_MT<<15)+(B7_Trcd<<2)+(B7_SCAN))
.word ((REFEN<<23)+(TREFMD<<22)+(Trp<<20)+(Trc<<18)+(Tchr<<16)+REFCNT)
.word 0x32
.word 0x30
.word 0x30
5. board_init_f 函数
经过在VSCode中全局查找 board_init_f 函数，找到其在arch/arm/lib/board.c中定义，这个函数足足有200行，开始研究！
5.1. gd指针
/* Pointer is writable since we allocated a register for it */
gd = (gd_t *) ((CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR) & ~0x07);
gd指针变量是一个寄存器变量，在arch/arm/include/asm/global_data.h文件中定义：
#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR register volatile gd_t *gd asm ("r8")
这个宏定义将gd定义为一个指向gd_t类型的寄存器变量（优势：读写效率高），并将这个寄存器指定为CPU寄存器组中的r8寄存器。
那么，gd变量指向内存中的哪个地址呢？
在stage1阶段跳转到 board_init_f 函数之前，使用汇编指令将 sp 设置为CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR，通过直接查看反汇编代码，得到该值为0x30000f80。
接下来具体研究一下CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR是如何计算出来的，在include/configs/smdk2410.h文件中可以看到计算公式：
/* additions for new relocation code, must be added to all boards */
//为了新的重定位代码添加
#define CONFIG_SYS_SDRAM_BASE PHYS_SDRAM_1
#define CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR (CONFIG_SYS_SDRAM_BASE + 0x1000 - \
GENERATED_GBL_DATA_SIZE)
同样在该配置文件中，定义了 PHYS_SDRAM_1 的大小：
/*-----------------------------------------------------------------------
* Physical Memory Map
*/
#define CONFIG_NR_DRAM_BANKS 1 /* we have 1 bank of DRAM */
#define PHYS_SDRAM_1 0x30000000 /* SDRAM Bank #1 */
#define PHYS_SDRAM_1_SIZE 0x04000000 /* 64 MB */
#define PHYS_FLASH_1 0x00000000 /* Flash Bank #0 */
#define CONFIG_SYS_FLASH_BASE PHYS_FLASH_1
5.2. 执行init_sequence（初始化序列）中的所有函数
接下来继续研读uboot源代码，在设置完gd指针之后，uboot调用执行了 init_sequence中的所有函数：
for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
hang ();
}
}
这个函数指针数组init_sequence具体的定义如下（方便起见，我将其中没有用到的代码标示了“未用到”）：
init_fnc_t *init_sequence[] = {
/*未用到*/
#if defined(CONFIG_ARCH_CPU_INIT)
arch_cpu_init, /* basic arch cpu dependent setup */
#endif
#if defined(CONFIG_BOARD_EARLY_INIT_F)
board_early_init_f,
#endif
/*未用到*/
#ifdef CONFIG_OF_CONTROL
fdtdec_check_fdt,
#endif
timer_init, /* initialize timer */
/*未用到*/
#ifdef CONFIG_FSL_ESDHC
get_clocks,
#endif
env_init, /* initialize environment */
init_baudrate, /* initialze baudrate settings */
serial_init, /* serial communications setup */
console_init_f, /* stage 1 init of console */
display_banner, /* say that we are here */
#if defined(CONFIG_DISPLAY_CPUINFO)
print_cpuinfo, /* display cpu info (and speed) */
#endif
/*未用到*/
#if defined(CONFIG_DISPLAY_BOARDINFO)
checkboard, /* display board info */
#endif
/*未用到*/
#if defined(CONFIG_HARD_I2C) || defined(CONFIG_SOFT_I2C)
init_func_i2c,
#endif
dram_init, /* configure available RAM banks */
NULL,
};
接下来挨个查看这些函数的源码。
5.2.1. board_early_init_f
这个函数在board/samsung/smdk2410/smdk2410.c文件中定义，是一些与硬件平台相关的初始化，包括时钟初始化、GPIO初始化：
/*
* Miscellaneous platform dependent initialisations
* 各种各样的硬件平台相关初始化
*/
int board_early_init_f(void)
{
struct s3c24x0_clock_power * const clk_power =
s3c24x0_get_base_clock_power();
struct s3c24x0_gpio * const gpio = s3c24x0_get_base_gpio();
/* to reduce PLL lock time, adjust the LOCKTIME register */
writel(0xFFFFFF, &clk_power->locktime);
/* configure MPLL */
writel((M_MDIV << 12) + (M_PDIV << 4) + M_SDIV,
&clk_power->mpllcon);
/* some delay between MPLL and UPLL */
pll_delay(4000);
/* configure UPLL */
writel((U_M_MDIV << 12) + (U_M_PDIV << 4) + U_M_SDIV,
&clk_power->upllcon);
/* some delay between MPLL and UPLL */
pll_delay(8000);
/* set up the I/O ports */
writel(0x007FFFFF, &gpio->gpacon);
writel(0x00044555, &gpio->gpbcon);
writel(0x000007FF, &gpio->gpbup);
writel(0xAAAAAAAA, &gpio->gpccon);
writel(0x0000FFFF, &gpio->gpcup);
writel(0xAAAAAAAA, &gpio->gpdcon);
writel(0x0000FFFF, &gpio->gpdup);
writel(0xAAAAAAAA, &gpio->gpecon);
writel(0x0000FFFF, &gpio->gpeup);
writel(0x000055AA, &gpio->gpfcon);
writel(0x000000FF, &gpio->gpfup);
writel(0xFF95FFBA, &gpio->gpgcon);
writel(0x0000FFFF, &gpio->gpgup);
writel(0x002AFAAA, &gpio->gphcon);
writel(0x000007FF, &gpio->gphup);
return 0;
}
5.2.2. timer_init初始化
这个函数在arch/arm/cpu/arm920t/s3c24x0/timer.c中定义，用来初始化系统定时器：
int timer_init(void)
{
struct s3c24x0_timers *timers = s3c24x0_get_base_timers();
ulong tmr;
/* use PWM Timer 4 because it has no output */
/* prescaler for Timer 4 is 16 */
writel(0x0f00, &timers->tcfg0);
if (gd->tbu == 0) {
/*
* for 10 ms clock period @ PCLK with 4 bit divider = 1/2
* (default) and prescaler = 16. Should be 10390
* @33.25MHz and 15625 @ 50 MHz
*/
gd->tbu = get_PCLK() / (2 * 16 * 100);
gd->timer_rate_hz = get_PCLK() / (2 * 16);
}
/* load value for 10 ms timeout */
writel(gd->tbu, &timers->tcntb4);
/* auto load, manual update of timer 4 */
tmr = (readl(&timers->tcon) & ~0x0700000) | 0x0600000;
writel(tmr, &timers->tcon);
/* auto load, start timer 4 */
tmr = (tmr & ~0x0700000) | 0x0500000;
writel(tmr, &timers->tcon);
gd->lastinc = 0;
gd->tbl = 0;
return 0;
}
5.2.3. 设备初始化
这些函数用来初始化需要用到的设备，在通用设备驱动文件中定义：
env_init, /* initialize environment */
init_baudrate, /* initialze baudrate settings */
serial_init, /* serial communications setup */
console_init_f, /* stage 1 init of console */
display_banner, /* say that we are here */
5.2.4. print_cpuinfo
这个函数用来打印CPU信息，在arch/arm/cpu/arm920t/s3c24x0/cpu_info.c文件中：
int print_cpuinfo(void)
{
int i;
char buf[32];
/* the S3C2400 seems to be lacking a CHIP ID register */
#ifndef CONFIG_S3C2400
ulong cpuid;
struct s3c24x0_gpio * const gpio = s3c24x0_get_base_gpio();
cpuid = readl(&gpio->gstatus1);
printf("CPUID: %8lX\n", cpuid);
#endif
for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(freq_f); i++)
printf("%cCLK: %8s MHz\n", freq_c[i], strmhz(buf, freq_f[i]()));
return 0;
}
5.2.5. dram_init
这个用来初始化SDRAM，在board/samsung/smdk2410/smdk2410.c文件中：
int dram_init(void)
{
/* dram_init must store complete ramsize in gd->ram_size */
gd->ram_size = PHYS_SDRAM_1_SIZE;
return 0;
}
PHYS_SDRAM_1_SIZE宏定义在上文中已经分析过了，为64MB：
#define PHYS_SDRAM_1_SIZE 0x04000000 /* 64 MB */
总结一下，初始化序列 init_sequence 主要是设备初始化工作：
- ① 硬件平台初始化：时钟系统初始化，GPIO初始化；
- ② 定时器初始化；
- ③ 外围设备初始化：串口、Flash等；
- ④ 打印CPU信息；
- ⑤ 初始化DRAM（SDRAM）；
5.3. 准备内存空间
在 board_init_f 函数中，接下来的内容都是在准备内存空间，详细的代码和SDRAM中uboot准备的内存分布图如下：
补充，我移植uboot成功后，使用bdinfo命令查看当前信息，结果如下（可以与上图对比进行理解）：
5.4. 重定位代码
在准备完内存空间之后，就进入了这个函数的最末端，重定位代码，代码如下：
gd->relocaddr = addr;
gd->start_addr_sp = addr_sp;
gd->reloc_off = addr - _TEXT_BASE;
debug("relocation Offset is: %08lx\n", gd->reloc_off);
memcpy(id, (void *)gd, sizeof(gd_t));
//重定位代码
relocate_code(addr_sp, id, addr);
关于重定位代码的函数 relocate_code 是用汇编语言编写的，下一小节重点讲述，至此，board_init_f 函数研读完毕。
6. 重定位代码（relocate_code）
relocate_code的函数体是在start.S中用汇编语言编写的。
6.1. 复制Flash代码到SDRAM中
根据ARM子程序调用规则，C语言调用relocate_code函数时，传入的三个参数分别存放在R0、R1、R2寄存器中，所以在汇编代码被调用时，首先将这三个重要参数保存：
.globl relocate_code
relocate_code:
mov r4, r0 /* save addr_sp 保存栈顶指针的值到r4寄存器中 */
mov r5, r1 /* save addr of gd 保存gd指针的值到r5寄存器中 */
mov r6, r2 /* save addr of destination 保存addr的值到r6寄存器中*/
然后设置栈顶指针sp：
/* Set up the stack */
stack_setup:
mov sp, r4
bss段中存放的都是初始值为0的全局变量或者静态变量，不会包含在二进制文件中，所以拷贝程序时只需要拷贝到bss端的起始地址结束即可：
adr r0, _start //_start是程序起始地址
cmp r0, r6 //和要拷贝的目的地址比较一下
beq clear_bss //如果相同，跳过拷贝，直接跳到clear_bss处
mov r1, r6 //把目的地址加载到r1中
ldr r3, _bss_start_ofs //加载
add r2, r0, r3 /* r2 <- source end address */
copy_loop:
ldmia r0!, {r9-r10} /* copy from source address [r0] */
stmia r1!, {r9-r10} /* copy to target address [r1] */
cmp r0, r2 /* until source end address [r2] */
blo copy_loop
6.2. 修改变量和函数的链接地址
存放在Flash中的程序中，函数和变量的调用地址是基于0地址，现在拷贝到了SDRAM中，而SDRAM的基地址是0x3000_0000，所以需要对拷贝程序中所有的调用链接地址进行修改。
修改程序如下：
#ifndef CONFIG_SPL_BUILD
/*
* fix .rel.dyn relocations
*/
ldr r0, _TEXT_BASE /* r0 <- Text base */
sub r9, r6, r0 /* r9 <- relocation offset */
ldr r10, _dynsym_start_ofs /* r10 <- sym table ofs */
add r10, r10, r0 /* r10 <- sym table in FLASH */
ldr r2, _rel_dyn_start_ofs /* r2 <- rel dyn start ofs */
add r2, r2, r0 /* r2 <- rel dyn start in FLASH */
ldr r3, _rel_dyn_end_ofs /* r3 <- rel dyn end ofs */
add r3, r3, r0 /* r3 <- rel dyn end in FLASH */
fixloop:
ldr r0, [r2] /* r0 <- location to fix up, IN FLASH! */
add r0, r0, r9 /* r0 <- location to fix up in RAM */
ldr r1, [r2, #4]
and r7, r1, #0xff
cmp r7, #23 /* relative fixup? */
beq fixrel
cmp r7, #2 /* absolute fixup? */
beq fixabs
/* ignore unknown type of fixup */
b fixnext
fixabs:
/* absolute fix: set location to (offset) symbol value */
mov r1, r1, LSR #4 /* r1 <- symbol index in .dynsym */
add r1, r10, r1 /* r1 <- address of symbol in table */
ldr r1, [r1, #4] /* r1 <- symbol value */
add r1, r1, r9 /* r1 <- relocated sym addr */
b fixnext
fixrel:
/* relative fix: increase location by offset */
ldr r1, [r0]
add r1, r1, r9
fixnext:
str r1, [r0]
add r2, r2, #8 /* each rel.dyn entry is 8 bytes */
cmp r2, r3
blo fixloop
#endif
6.3. 清除BSS
接下来是清除BSS的代码：
clear_bss:
#ifndef CONFIG_SPL_BUILD
ldr r0, _bss_start_ofs
ldr r1, _bss_end_ofs
mov r4, r6 /* reloc addr */
add r0, r0, r4
add r1, r1, r4
mov r2, #0x00000000 /* clear */
clbss_l:str r2, [r0] /* clear loop... */
add r0, r0, #4
cmp r0, r1
bne clbss_l
bl coloured_LED_init
bl red_led_on
#endif
7. 调用C函数board_init_r—进入stage2阶段
首先计算调用地址，存放到lr寄存器中，然后设置向该函数传入的参数（gd_t地址和dest_addr地址），最后加载lr寄存器的值到pc中，成功调用board_init_r函数：
ldr r0, _board_init_r_ofs
adr r1, _start
add lr, r0, r1
add lr, lr, r9
/* setup parameters for board_init_r */
mov r0, r5 /* gd_t */
mov r1, r6 /* dest_addr */
/* jump to it ... */
mov pc, lr
_board_init_r_ofs:
.word board_init_r - _start
这个函数在arch\arm\lib\board.c文件中：
调用该函数开始uboot的stage2阶段——由C语言实现的复杂功能，在此不做深入的分析，在移植过程中会详细的进行研读。
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