深入MTK平台bootloader启动之【 lk -> kernel】分析笔记

接上一篇分析: 《深入MTK平台bootloader启动之【 Pre-loader -> Lk】分析笔记》

Pre-loader 运行在ISRAM，待完成 DRAM 的初始化后，再将lk载入DRAM中，最后通过特殊sys call手段实现跳转到lk的执行入口，正式进入lk初始化阶段.

一、lk执行入口：

位于.text.boot 这个section(段)，具体定义位置为：

./lk/arch/arm/system-onesegment.ld:10:	.text.boot : { *(.text.boot) }
./lk/arch/arm/system-twosegment.ld:10:	.text.boot : { *(.text.boot) }

该段的代码执行入口是crt0.S文件，位置为：

./lk/arch/arm/crt0.S

crt0.S 中会经过一系列的初始化准备操作，最终跳转到C代码入口kmain函数开始执行，这个是 我们需要重点分析关注的，kmain的位置：

./lk/kernel/main.c

From Lk to Kernel 总时序图

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二、源码分析：

1、crt0.S

.section ".text.boot"

...

.Lstack_setup:
	/* ==set up the stack for irq, fi==q, abort, undefined, system/user, and lastly supervisor mode */
	mrs     r0, cpsr
	bic     r0, r0, #0x1f

	ldr		r2, =abort_stack_top
	orr     r1, r0, #0x12 // irq
	msr     cpsr_c, r1
	ldr		r13, =irq_save_spot		/* save a pointer to a temporary dumping spot used during irq delivery */
	    
	orr     r1, r0, #0x11 // fiq
	msr     cpsr_c, r1
	mov		sp, r2
	            
	orr     r1, r0, #0x17 // abort
	msr     cpsr_c, r1
	mov		sp, r2
	    
	orr     r1, r0, #0x1b // undefined
	msr     cpsr_c, r1
	mov		sp, r2
	    
	orr     r1, r0, #0x1f // system
	msr     cpsr_c, r1
	mov		sp, r2

	orr		r1, r0, #0x13 // supervisor
	msr		cpsr_c, r1
	mov		sp, r2
...

	bl		kmain

crt0.S 小结：

这里主要干的事情就是建立fiq/irq/abort等各种模式的stack，初始化向量表，然后切换到管理模式（pre-loader运行在EL3, lk运行在EL1），最后跳转到C代码入口 kmain 执行.

2、kmain ：

void kmain(void)
{
	boot_time = get_timer(0);

	/* 早期初始化线程池的上下文，包括运行队列、线程链表的建立等，
	   lk架构支持多线程，但是此阶段只有一个cpu处于online，所以也只有一条代码执行路径.
	*/
	thread_init_early();

	/* 架构初始化，包括DRAM,MMU初始化使能，使能协处理器，
	   preloader运行在ISRAM，属于物理地址，而lk运行在DRAM，可以选择开启MMU或者关闭，开启MMU可以加速lk的加载过程.
	*/
	arch_early_init();

	/*
	  平台硬件早期初始化，包括irq、timer，wdt，uart，led，pmic，i2c，gpio等,
	   初始化平台硬件，建立lk基本运行环境。
	*/
	platform_early_init();

	boot_time = get_timer(0);

	// 这个是保留的空函数.
	target_early_init();

	dprintf(CRITICAL, "welcome to lk\n\n");
	
	/*
	  执行定义在system-onesegment.ld 描述段中的构造函数，不太清楚具体机制：
	__ctor_list = .;
	.ctors : { *(.ctors) }
	__ctor_end = .;
	*/
	call_constructors();

	//内核堆链表上下文初始化等.
	heap_init();

	// 线程池初始化,前提是PLATFORM_HAS_DYNAMIC_TIMER需要支持.
	thread_init();

	// dpc系统是什么？据说是一个类似work_queue的东东，dpc的简称是什么就不清楚了.
	dpc_init();

	// 初始化内核定时器
	timer_init();

    // 创建系统初始化工作线程,执行app初始化，lk把业务部分当成一个app.
	thread_resume(thread_create("bootstrap2", &bootstrap2, NULL, DEFAULT_PRIORITY, DEFAULT_STACK_SIZE));

	// 使能中断.
	exit_critical_section();

	// become the idle thread
	thread_become_idle();
}

kmain 小结：

。初始化线程池，建立线程管理链表、运行队列等；

。初始化各种平台硬件，包括irq、timer，wdt，uart，led，pmic，i2c，gpio等，建立lk基本运行环境；

。初始化内核heap、内核timer等；

。创建系统初始化主线程，进入bootstrap2执行，使能中断，当前线程进入idle;

3、bootstrap2 分析：

static int bootstrap2(void *arg)
{
...
/*
  平台相关初始化，包括nand/emmc，LCM显示驱动，启动模式选择，加载logo资源，
  具体代码流程如下时序图.
*/
	platform_init();
...

/*
  app初始化，跳转到mt_boot_init入口开始执行,对应的 ".apps" 这个section.
*/
	apps_init();

	return 0;
}

platform_init 时序图：

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这里的 apps_init 跳转机制还有点特别：

extern const struct app_descriptor __apps_start;
extern const struct app_descriptor __apps_end;
void apps_init(void)
{
	const struct app_descriptor *app;

	/* 这里具体干了什么？如何跳转到mt_boot_init入口？有点不知所云 
	   依次遍历 从__apps_start 到__apps_end 又是什么东东？
	*/
	for (app = &__apps_start; app != &__apps_end; app++) {
		if (app->init)
			app->init(app);
	}

...
}

这个__apps_start 跟 __apps_end哪里定义的？ 是怎么回事呢？ 这里就需要了解一点编译链接原理跟memory 布局的东东， 这个实际上是指memory中的一个只读数据段的起始&结束地址区间， 它定义在这个文件中：

./lk/arch/arm/system-onesegment.ld:47:		__apps_start = .;

.rodata : { 
...
	. = ALIGN(4);
	__apps_start = .;
	KEEP (*(.apps))
	__apps_end = .;
	. = ALIGN(4); 
	__rodata_end = . ;		
}

该mem地址区间是[__apps_start, __apps_end]，显然区间就是“.apps” 这个section内容了. 那么这个section是在哪里初始化的呢？继续看：

./lk/app/mt_boot/mt_boot.c:1724:

APP_START(mt_boot)
.init = mt_boot_init,
 APP_END

展开APP_START：

#define APP_START(appname) struct app_descriptor _app_##appname __SECTION(".apps") = { .name = #appname,
#define APP_END };

到这里就很明显了，编译链接系统会将mt_boot_init这个地址记录到".apps"这个section中！所以下面代码要干的事情就很清晰了，执行app->init(app)后就等价于调用了void mt_boot_init(const struct app_descriptor *app) 函数.

for (app = &__apps_start; app != &__apps_end; app++) {
	if (app->init)
		app->init(app);
}

bootstrap2 函数小结：

。平台相关初始化，包括nand/emmc，显现相关驱动，启动模式选择，加载logo资源 检测是否DA模式，检测分区中是否有KE信息，如果就KE信息，就从分区load 到DRAM， 点亮背光，显示logo，禁止I/D-cache和MMU,跳转到DA（??）,配置二级cache的size 获取bat电压，判断是否低电量是否显示充电logo等，总之此函数干的事情比较多.时序图(platform_init)可以比较清晰直观的描述具体细节

。跳转到到mt_boot_init函数,对应的 ".apps" 这个section，相关机制上面已经详细描述，不再复述.

4、mt_boot_init 分析

void mt_boot_init(const struct app_descriptor *app)
{
	unsigned usb_init = 0;
	unsigned sz = 0;
	int sec_ret = 0;
	char tmp[SN_BUF_LEN+1] = {0};
	unsigned ser_len = 0;
	u64 key;
	u32 chip_code;
	char serial_num[SERIALNO_LEN];

	/* 获取串号字符串 */
	key = get_devinfo_with_index(13);
	key = (key << 32) | (unsigned int)get_devinfo_with_index(12);

    /* 芯片代码 */
	chip_code = board_machtype();

	if (key != 0)
		get_serial(key, chip_code, serial_num);
	else
		memcpy(serial_num, DEFAULT_SERIAL_NUM, SN_BUF_LEN);
	/* copy serial from serial_num to sn_buf */
	memcpy(sn_buf, serial_num, SN_BUF_LEN);
	dprintf(CRITICAL,"serial number %s\n",serial_num);

    /* 从特定分区获取产品sn号，如果获取失败就使用默认值 DEFAULT_SERIAL_NUM */
#ifdef SERIAL_NUM_FROM_BARCODE
	ser_len = read_product_info(tmp);
	if (ser_len == 0) {
		ser_len = strlen(DEFAULT_SERIAL_NUM);
		strncpy(tmp, DEFAULT_SERIAL_NUM, ser_len);
	}
	memset( sn_buf, 0, sizeof(sn_buf));
	strncpy( sn_buf, tmp, ser_len);
#endif
	sn_buf[SN_BUF_LEN] = '\0';
	surf_udc_device.serialno = sn_buf;

/* mtk平台默认不支持 fastboot */
	if (g_boot_mode == FASTBOOT)
		goto fastboot;

/* secure boot相关 */
#ifdef MTK_SECURITY_SW_SUPPORT
#if MTK_FORCE_VERIFIED_BOOT_SIG_VFY
	g_boot_state = BOOT_STATE_RED;
#else
	if (0 != sec_boot_check(0)) {
		g_boot_state = BOOT_STATE_RED;
	}
#endif
#endif

/* 这里干的事情就比较多了，跟进g_boot_mode选择各种启动模式，例如：
normal、facotry、fastboot、recovery等,然后从ROM中的boot.img分区找到(解压)
ramdisk跟zImage的地址loader到DRAM的特定地址中，kernel最终load到DRAM中的地址
(DRAM_PHY_ADDR + 0x8000) == 0x00008000.
read the data of boot (size = 0x811800)
*/
	boot_linux_from_storage();

fastboot:
	target_fastboot_init();
	if (!usb_init)
		/*Hong-Rong: wait for porting*/
		udc_init(&surf_udc_device);

	mt_part_dump();
	sz = target_get_max_flash_size();
	fastboot_init(target_get_scratch_address(), sz);
	udc_start();

}

mt_boot_init 分析小结：

。获取设备串号字符串、芯片代码、sn号等.

。如果实现了secure boot则进行sec boot的check工作；

。进入 boot_linux_from_storage 函数初始化,该函数很重要，干了很多事情，如下分析.

5、boot_linux_from_storage 分析：

int boot_linux_from_storage(void)
{
	int ret=0;
...

	switch (g_boot_mode) {
		case NORMAL_BOOT:
		case META_BOOT:
		case ADVMETA_BOOT:
		case SW_REBOOT:
		case ALARM_BOOT:
		case KERNEL_POWER_OFF_CHARGING_BOOT:
		case LOW_POWER_OFF_CHARGING_BOOT:
                        /* 检查boot分区的头部是否有bootopt标识，如果没有就报错 */
			ret = mboot_android_load_bootimg_hdr("boot", CFG_BOOTIMG_LOAD_ADDR);
			if (ret < 0) {
				msg_header_error("Android Boot Image");
			}
			
                       /* 64bit & 32bit kimg地址获取不一样*/
			if (g_is_64bit_kernel) {
				kimg_load_addr = (unsigned int)target_get_scratch_address();
			} else {
				kimg_load_addr = (g_boot_hdr!=NULL) ? g_boot_hdr->kernel_addr : CFG_BOOTIMG_LOAD_ADDR;
			}
			
                       /* 
                        从EMMC的boot分区取出bootimage载入到DRAM  
                        dprintf(CRITICAL, " > from - 0x%016llx (skip boot img hdr)\n",start_addr);
                        dprintf(CRITICAL, " > to   - 0x%x (starts with kernel img hdr)\n",addr);
                        len = dev->read(dev, start_addr, (uchar*)addr, g_bimg_sz); <<= 系统调用load到DRAM

                       开机log：
                              [3380]  > from - 0x0000000001d20800 (skip boot img hdr)
                              [3380]  > to   - 0x80008000 (starts with kernel img hdr)
                       */
			ret = mboot_android_load_bootimg("boot", kimg_load_addr);
			if (ret < 0) {
				msg_img_error("Android Boot Image");
			}

			dprintf(CRITICAL,"[PROFILE] ------- load boot.img takes %d ms -------- \n", (int)get_timer(time_load_bootimg));

			break;

		case RECOVERY_BOOT:
...
			break;

		case FACTORY_BOOT:
		case ATE_FACTORY_BOOT:
...

			break;
...

	}

	/* 重定位根文件系统（ramdisk）地址 */
	memcpy((g_boot_hdr!=NULL) ? (char *)g_boot_hdr->ramdisk_addr : (char *)CFG_RAMDISK_LOAD_ADDR, (char *)(g_rmem_off), g_rimg_sz);
	g_rmem_off = (g_boot_hdr!=NULL) ? g_boot_hdr->ramdisk_addr : CFG_RAMDISK_LOAD_ADDR;

...

/* 传入cmdline，设置selinux */
#if SELINUX_STATUS == 1
	cmdline_append("androidboot.selinux=disabled");
#elif SELINUX_STATUS == 2
	cmdline_append("androidboot.selinux=permissive");
#endif

/* 准备启动linux kernel */
	boot_linux((void *)CFG_BOOTIMG_LOAD_ADDR, (unsigned *)CFG_BOOTARGS_ADDR,
	           (char *)cmdline_get(), board_machtype(), (void *)CFG_RAMDISK_LOAD_ADDR, g_rimg_sz);

	while (1) ;

	return 0;
}

boot_linux_from_storage 小结：

。跟据g_boot_mode选择各种启动模式，例如： normal、facotry、fastboot、recovery等,然后从EMMC中的boot分区找到(解压) ramdisk跟zImage的地址通过read系统调用load到DRAM址中， kernel最终load到DRAM的地址：(DRAM_PHY_ADDR + 0x8000)；

。重定位根文件系统地址；

。跳转到 boot_linux，正式拉起kernel；

6、boot_linux 分析： 

boot_linux 实际上跑的是boot_linux_fdt,这个函数有对dtb的加载做出来，期间操作相当复杂，这里只简单关注主流程.

void boot_linux(void *kernel, unsigned *tags,
                char *cmdline, unsigned machtype,
                void *ramdisk, unsigned ramdisk_size)
{
...
// 新架构都是走fdt分支.
#ifdef DEVICE_TREE_SUPPORT
	boot_linux_fdt((void *)kernel, (unsigned *)tags,
	               (char *)cmdline, machtype,
	               (void *)ramdisk, ramdisk_size);

	while (1) ;
#endif
...

int boot_linux_fdt(void *kernel, unsigned *tags,
                   char *cmdline, unsigned machtype,
                   void *ramdisk, unsigned ramdisk_size)
{
...
	void (*entry)(unsigned,unsigned,unsigned*) = kernel;
...

// find dt from kernel img
	if (fdt32_to_cpu(*(unsigned int *)dtb_addr) == FDT_MAGIC) {
		dtb_size = fdt32_to_cpu(*(unsigned int *)(dtb_addr+0x4));
	} else {
		dprintf(CRITICAL,"Can't find device tree. Please check your kernel image\n");
		while (1) ;
	}
...

	if (!has_set_p2u) {
/* 控制进入kernel后uart的输出，非eng版本默认是关闭的，如果调试需要就可以改这里为
   "printk.disable_uart=0"
 */
 
#ifdef USER_BUILD
		sprintf(cmdline,"%s%s",cmdline," printk.disable_uart=1");
#else
		sprintf(cmdline,"%s%s",cmdline," printk.disable_uart=0 ddebug_query=\"file *mediatek* +p ; file *gpu* =_\"");
#endif
...
	}

...

// led,irq关闭
	platform_uninit();
	
// 关闭I/D-cache，关闭MMU，今天kernel的条件.
	arch_disable_cache(UCACHE);
	arch_disable_mmu();

// sec init
	extern void platform_sec_post_init(void)__attribute__((weak));
	if (platform_sec_post_init) {
		platform_sec_post_init();
	}

// 如果是正在充电，检测到power key后执行reset.
	if (kernel_charging_boot() == 1) {
		if (pmic_detect_powerkey()) {
			dprintf(CRITICAL,"[%s] PowerKey Pressed in Kernel Charging Mode Before Jumping to Kernel, Reboot Os\n", __func__);
			mtk_arch_reset(1);
		}
	}
#endif
...

// 输出关键信息。
	dprintf(CRITICAL,"cmdline: %s\n", cmdline);
	dprintf(CRITICAL,"lk boot time = %d ms\n", lk_t);
	dprintf(CRITICAL,"lk boot mode = %d\n", g_boot_mode);
	dprintf(CRITICAL,"lk boot reason = %s\n", g_boot_reason[boot_reason]);
	dprintf(CRITICAL,"lk finished --> jump to linux kernel %s\n\n", g_is_64bit_kernel ? "64Bit" : "32Bit");

// 执行系统调用，跳转到kernel，这里的entry实际上就是前面的kernel在DRAM的入口地址.
	if (g_is_64bit_kernel) {
		lk_jump64((u32)entry, (u32)tags, 0, KERNEL_64BITS);
	} else {
                dprintf(CRITICAL,"[mt_boot] boot_linux_fdt entry:0x%08x, machtype：%d\n",entry,machtype);
		entry(0, machtype, tags);
	}
	while (1);
	return 0;
}

开机log打印信息：

[4260] cmdline: console=tty0 console=ttyMT0,921600n1 root=/dev/ram vmalloc=496M androidboot.hardware=mt6580 androidboot.verifiedbootstate=green bootopt=64S3,32S1,32S1 printk.disable_uart=1 bootprof.pl_t=1718 bootprof.lk_t=2178 boot_reason=0 androidboot.serialno=0123456789ABCDEF androidboot.bootreason=power_key gpt=1

[4260] lk boot time = 2178 ms

[4260] lk boot mode = 0

[4260] lk boot reason = power_key

[4260] lk finished --> jump to linux kernel 32Bit

[4260] [mt_boot] boot_linux_fdt entry:0x80008000, machtype：6580

boot_linux 小结：

。初始化DTB(device tree block)；

。准备各种cmdline参数传入kernel；

。关闭I/D-cache、MMU；

。打印关键信息，正式拉起kernel.

到这里，bootloader两个阶段就分析完了!

Bootloader 启动简单总结：

Pre-loader -》lk主要干的事情：

1、初始化 DRAM等必须硬件;

2、与flashtool USB握手，download 相关检测 & sec boot检测；

3、将lk载入DRAM，若实现了EL3则把atf载入内存;

4、跳转到lk，若实现了EL3，则先跳转到atf，初始化atf后再跳转回lk初始化；

lk -》 kernel 主要干的事情：

1、打开MMU,使能I/D-cache，加速lk执行，显示logo、充电相关；

2、从emmc中boot分区取出boot.img解压，将根文件系统（ramdisk）、zImage load到DRAM；

3、解析dtb，写入到DRAM指定区域；

4、关闭MMU、irq / fiq，关闭I/D-cache, 拉起 kernel;