ARM上电启动及Uboot代码分析

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文件编号：DCC01

版本号：1.0

 

 

 

 

 

ARM上电启动及Uboot代码分析

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日    期：	2013.03.08

 

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文件修订记录... 1

目录... 2

摘要... 4

1ARM上电取第一条指令流程... 5

1.1上电后的第一条指令在哪里？... 5

1.1.1norflash和nandflash的异同... 5

2Uboot.lds链接脚本分析... 7

2.1为什么要分析uboot链接脚本？... 7

2.2连接代码具体分析... 7

3Uboot中start.S文件分析... 9

3.1start.S详解... 9

3.1.1_start9

3.1.2reset9

3.1.3cpu_init_cp15. 11

3.1.4cpu_init_crit11

3.1.5lowlevel_init13

3.1.6s_init14

3.1.7call_board_init_f15

3.1.8board_init_f15

3.1.9relocate_code. 16

3.1.10clear_bss. 17

3.1.11jump_2_ram.. 17

3.2本章小结... 18

4板级初始化及跳入Linux内核执行... 19

4.1board_init_r19

4.1.1三级标题... 19

4.2本章小结... 19

5Uboot异常处理... 20

5.1Uboot异常向量表... 20

5.1.1异常处理入口函数... 20

5.1.2异常处理函数跳转... 21

5.1.3异常真正处理函数... 22

5.2本章总结... 24

结论... 25

参考文献... 26

问题总结及解答... 27

附录... 29

 

摘要

网上关于ARM的bootloader（以Uboot为例）的启动顺序的资料有好多，但是对于Uboot的地址映射、体系结构级操作介绍很少，都是直接开始Start.s代码的阅读。本文拟详细分析Uboot从上电，到第一条指令的执行，同时分析代码对于cache、TLB等部件的操作过程。

以下内容以u-boot-2012.04.01源码为例，从网上很容易下载该版本。

1 ARM上电取第一条指令流程

1.1 上电后的第一条指令在哪里？

首先明确：对于ARM芯片，启动时pc值由CPU设计者规定，不同的ARM CPU有不同的值，例如S3C2440芯片上电后PC值被硬件设计者规定为0x0；其他ARM芯片不一定是0x0。

第一章讲述的上电取第一条指令过程以S3C2440为例，该芯片是ARMv4T架构，其他芯片在原理上类似。

S3C2440的启动时读取的第一条指令是在内存0x00地址处，不管是从nand flash还是nor flash启动。

但是上电后内存中是没有数据的，那么0x00地址处的指令是如何放进去的？针对不同的flash（nandflash、norflash），操作方式是不同的，下面讲述从nandflash和norflash启动的不同流程。

 

1.1.1  norflash和nandflash的异同

nandflash：价格低，容量大，适合大容量数据存储，地址线和数据线共用I/O线，所有信息都通过一条线传送，类比于PC的硬盘，

norflash：价格贵，容量小，适合小容量的程序或数据存储，类似硬盘，但是能在其中运行程序；有独立地址线、数据线

sdram：主要用于程序执行时的程序存储、执行或计算，类比于PC的内存；

 

综上：norflash比较适合频繁随即读写的场合，通常用于存储代码并直接在其中运行。nandflash用于存储资料。

只要知道以上大概区别就行。以下说明ARM从两种flash启动方式的异同。

 

1.1.1.1  ARM从nandFlash启动

若从nandflash启动，上电后nandflash控制器自动把nandflash存储器中的0——4K内容加载到芯片内的起步石（Steppingstone，起步石这个机制是处理器中集成的功能，对程序员透明），即内部SRAM缓冲器中，同时把内部SRAM的起始地址设置为0x0（不同的CPU上电后的PC值不尽相同，对不同的CPU该值也不尽相同），然后把这段片内SRAM映射到nGCS0片选的空间，进而CPU开始从内部SRAM的0x0处开始取得第一条指令，该过程全部是硬件自动完成，不需要程序代码控制。

或许你有个疑问，为什么不能直接把nandflash映射到0x0地址处？非要经过内部SRAM缓冲？

答案是，nandflash根本没有地址线，没法直接映射，必须使用SRAM做一个载体，通过SRAM把剩余的nandflash代码（即剩余的uboot启动代码）复制到SDRAM中运行。

若想从nandflash启动，那么uboot最核心的代码必须放在前4k完成。这4k代码要完成ARM CPU的核心配置以及将剩余的代码拷贝到SDRAM中（若从norflash启动则没有4k这个大小的限制，但是还会在完成最主要的设置后进入SDRAM中运行）。

 

1.1.1.2 ARM从norflash启动

若从norflash启动，则norflash直接被映射到内存的0x0地址处（就是nGCS0，这里就不需要片内SRAM来辅助了，所以片内SRAM的起始地址不变，还是0x40000000），然后cpu从0x00000000开始执行（也就是在Norfalsh中执行）。

      需要说明的是，uboot代码段（.text段）起始位置必须是与上电后PC值一致，即编译uboot时，TEXT_BASE宏必须设置成0x0 ，反汇编uboot文件后，文本段第一条指令的地址也是0.

总结：

1、从norflash还是从nandflash启动，是由ARM的OM1和OM0引脚组合决定

2、不管从norflash还是nandflash启动，S3C2440上电后的pc值为0x0

3、如果某芯片上电后PC值不是0x0，假如是0x38ff0000，那么从norflash启动时，硬件就要自动将其映射到0x38ff0000地址处；如果从nandflash启动，那么硬件就要自动将nandflash中的前4K内容加载到0x38ff0000地址处。

2 Uboot.lds链接脚本分析

2.1 为什么要分析uboot链接脚本？

因为u-boot.lds决定了u-boot可执行映像的链接方式，以及各个段的装载地址（装载域）和执行地址（运行域），也就是说，Uboot.lds文件指定uboot.bin可执行文件放到ROM中的哪个地址、在运行时在RAM中运行的起始地址，具体内容涉及装载域和运行域的概念，这里不详述。

2.2 连接代码具体分析

以u-boot-2012.04.01版本为例。

 

 

总结：

1、SECTION后面的段都是按照顺序放到内存中的，例如text段后面跟着rodata段

2、该文件中没有指定段的加载地址（用AT命令），没指定的情况下加载地址和执行地址是相同的，也就是说在uboot.bin在rom和ram中的地址相同。

 

3 Uboot中start.S文件分析

3.1  start.S详解

上面分析的链接脚本中已经规定，首先启动的文件是arch/arm/cpu/armv7/start.S。对于uboot的start.S，主要做的事情就是系统的各个方面的初始化，然后复制剩余代码到RAM中继续运行。

（1）    设置CPU模式

（2）    关闭cache, MMU, TLBs

（3）    设置栈，pll, mux, memory

（4）    设置watchdog, muxing,  and clocks

（5）    板级初始化

（6）    自我拷贝到RAM中，并跳转到RAM中继续运行。

以下内容按照程序执行流程进行讲解，以ARMv7架构为例。

3.1.1 _start

文本段第一条指令就是一条跳转指令：

根据1.1章的分析，如果uboot是烧写到norflash中的，那么一上电的_start标号肯定是在0x0处，如果uboot已经启动，程序运行过了relocate（见后面），那么该标号就会被移动到TEXT_BASE标号处，该标号是编译uboot时程序员指定的，具体数值见开发板的board/~/config.mk文件。

3.1.2 reset

 

CPSR的位域见ARM手册，下图截图方便参考：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1.3 cpu_init_cp15

 

 

 

3.1.4 cpu_init_crit

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1.5 lowlevel_init

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1.6 s_init

 

 

 

 

 

 

 

3.1.7 call_board_init_f

3.1.8 board_init_f

 

 

 

3.1.9 relocate_code

为什么uboot代码需要relocate？见问题总结及解答。

3.1.10 clear_bss

 

3.1.11 jump_2_ram

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 本章小结

主要分析了uboot启动的第一阶段代码。

 

 

4 板级初始化及跳入Linux内核执行

4.1 board_init_r

该函数在u-boot-2012.04.01\arch\arm\cpu\armv7\omap-common\spl.c中。

其功能是：

（1）    初始化内存分配函数

（2）    如果系统有mmc设备，则初始化mmc设备

（3）    如果系统有nand设备，则初始化nand设备

（4）    进入uboot命令循环或者直接开始执行linux内核。

目前暂时不需要详细分析该部分代码，后期若需要会加上。

 

 

 

 

 

 

 

千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。

5 Uboot异常处理

5.1 Uboot异常向量表

紧跟b reset后面的就是异常向量表，发生异常后pc会被自动置为相应的值，进入相应异常处理程序。

5.1.1 异常处理入口函数

 

 

 

5.1.2 异常处理函数跳转

/*

 * exception handlers

 */

      .align     5

undefined_instruction:

      get_bad_stack

      bad_save_user_regs

      bl    do_undefined_instruction

 

      .align     5

software_interrupt:

      get_bad_stack_swi

      bad_save_user_regs

      bl    do_software_interrupt

 

      .align     5

prefetch_abort:

      get_bad_stack

      bad_save_user_regs

      bl    do_prefetch_abort

 

      .align     5

data_abort:

      get_bad_stack

      bad_save_user_regs

      bl    do_data_abort

 

      .align     5

not_used:

      get_bad_stack

      bad_save_user_regs

      bl    do_not_used

 

#ifdef CONFIG_USE_IRQ        //如果在uboot中启用了用户中断，则跳入相应处理函

                         //数运行

      .align     5

irq:

      get_irq_stack

      irq_save_user_regs

      bl    do_irq

      irq_restore_user_regs

 

      .align     5

fiq:

      get_fiq_stack

      /* someone ought to write a more effective fiq_save_user_regs*/

      irq_save_user_regs

      bl    do_fiq

      irq_restore_user_regs

 

#else            //如果没有配置，则走另一条路径。

 

      .align     5

irq:

      get_bad_stack

      bad_save_user_regs

      bl    do_irq

 

      .align     5

fiq:

      get_bad_stack

      bad_save_user_regs

      bl    do_fiq

 

#endif /* CONFIG_USE_IRQ */

#endif /* CONFIG_SPL_BUILD*/

 

 

5.1.3 异常真正处理函数

// u-boot-2012.04.01\arch\arm\lib\Interrupts.c

void do_undefined_instruction (struct pt_regs *pt_regs)

{

      printf ("undefinedinstruction\n");

      show_regs (pt_regs);

      bad_mode ();

}

 

void do_software_interrupt (struct pt_regs *pt_regs)

{

      printf ("software interrupt\n");

      show_regs (pt_regs);

      bad_mode ();

}

 

void do_prefetch_abort (struct pt_regs *pt_regs)

{

      printf ("prefetchabort\n");

      show_regs (pt_regs);

      bad_mode ();

}

 

void do_data_abort (struct pt_regs *pt_regs)

{

      printf ("dataabort\n");

      show_regs (pt_regs);

      bad_mode ();

}

 

void do_not_used (struct pt_regs *pt_regs)

{

      printf ("notused\n");

      show_regs (pt_regs);

      bad_mode ();

}

 

void do_fiq (struct pt_regs *pt_regs)

{

      printf ("fastinterrupt request\n");

      show_regs (pt_regs);

      bad_mode ();

}

 

#ifndef CONFIG_USE_IRQ

void do_irq (struct pt_regs *pt_regs)

{

      printf ("interruptrequest\n");

      show_regs (pt_regs);

      bad_mode ();

}

#endif

void bad_mode (void)         //以上异常处理函数都跳转到bad_mode，该函数只是

                         //挂起CPU，木有具体处理。

{

      panic ("Resetting CPU ...\n");

      reset_cpu (0);

}

 

5.2 本章总结

总结uboot下异常处理流程，发现ARMv7下的uboot没有实现异常处理，ARM的其他架构有，有可能是因为uboot代码不够新的原因。Uboot中的ARM异常处理流程都相同。

结论

参考文献

[1]   

[2]   

[3]   

 

 

 

 

千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。

问题总结及解答

1、对于加载时地址和运行时地址不同的段，运行时它是怎么跳转到运行时地址的？

答： 连接地址<==>运行地址

      存储地址<==>加载地址

（1）对于有操作系统时，运行地址与加载地址不同，在加载过程中装载器就把段加载到它应该去的连接地址处（也就是生成该段时的运行地址）

（2）对于uboot，运行地址与加载地址不同时，需要它自己（例如前4k代码）将自己加载到运行地址处执行。

Uboot.lds文件中起始地址是0x00，但是config.mk中的TEXT_BASE是0x57e00000，但是生成的uboot反汇编文件中，为什么start.s的第一条指令地址也是0x57e00000？不应该是0x00么？因为start.s的加载地址和运行地址都是0x00啊！？

答：Uboot.lds的0x00：

跟在SECTION后面的第一条

location counter，总是默认初始化为0。config.mk中的TEXT_BASE就是ROM在CPU上的地址，也就是说，不同的CPU已经规定了不同的ROM地址

2、关于为何不能直接用mov指令，而非要用adr伪指令？

把所有uboot代码拷贝到内存新地址处。

在分析uboot的start.S中，看到一些指令，比如：

adr r0, _start

觉得好像可以直接用mov指令实现即可，为啥还要这么麻烦地，去用ldr去实现？

关于此处的代码，为何要用adr指令：

adr r0, _start

其被编译器编译后，会被翻译成：sub r0, pc, #172

而不直接用mov指令直接将_start的值赋值给r0，类似于这样：

mov r0, _start

呢？

其原因主要是,

sub r0, pc, #172

这样的代码，所处理的值，都是相对于PC的偏移量来说的，这样的代码中，没有绝对的物理地址值，都是相对的值，利用产生位置无关代码。因为如果用mov指令：

mov r0, _start

那么就会被编译成这样的代码：

mov r0, 0x33d00000

如果用了上面这样的代码：

mov r0, 0x33d00000

那么，如果整个代码，即要执行的程序的指令，被移动到其他位置，那么

mov r0, 0x33d00000

这行指令，执行的功能，就是跳转到绝对的物理地址，而不是跳转到相对的_start的位置了，就不能实现我们想要的功能了，这样包含了绝对物理地址的代码，也就不是位置无关的代码了。

与此相对，这行指令：

sub r0, pc, #172

即使程序被移动到其他位置，那么该行指令还是可以跳转到相对PC往前172字节的地方，也还是我们想要的_start的位置，这样包含的都是相对的偏移位置的代码，就叫做位置无关代码。其优点就是不用担心你的代码被移动，即使程序的基地址变了，所有的代码的相对位置还是固定的，程序还是可以正常运行的。

关于，之所以不用上面的：

mov r0, 0x33d00000

类似的代码，除了上面说的，不是位置无关的代码之外，其还有个潜在的问题，那就是，关于mov指令的源操作数，此处即为0x33d00000，不一定是合法的mov 指令所允许的值。

【总结】

之所以用adr而不用mov，主要是为了生成地址无关代码，以及由于不方便判断一个数，是否是有效的mov的操作数。

 

3、为什么uboot代码需要relocate？

因为uboot启动时不在片外RAM中，为了加快运行，需要将uboot重新拷贝到RAM中运行。

附录

 

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