U-Boot启动第一阶段代码分析

1. 了解u-boot主要的目录结构和启动流程，如下图。

 

  u-boot的stage1代码通常放在cpu/xxxx/start.S文件中，他用汇编语言写成； 

    u-boot的stage2代码通常放在lib_xxxx/board.c文件中，他用C语言写成。

    各个部分的流程图如下：

 

U-Boot启动第一阶段代码分析

 

这里我选择下载u-boot-1.1.6.tar.bz2（6402K）

之后的移植我再选择最新版本u-boot-2011.06.tar.bz2（8272K）

 

 

U-Boot启动第一阶段代码分析

1：cpu自身的初始化：包括MMU,catch,时钟系统，SDRAM控制系统的初始话。

2：重定位：把自己从flash中搬到SDRAM 中

3：分配堆栈空间，设置堆栈指针

4：清零BSS数据段

5：跳转到第二阶段入口函数。

 

 第一阶段对应的文件是cpu/arm920t/start.S和board/smdk2140/lowlevel_init.S。

根据cpu/arm920t/u-boot.lds中指定的连接方式：

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")

；指定输出可执行文件是elf格式，32位ARM指令，小端

/*OUTPUT_FORMAT("elf32-arm", "elf32-arm", "elf32-arm")*/

OUTPUT_ARCH(arm)

；指定输出可执行文件的平台为ARM

ENTRY(_start)

；指定输出可执行文件的起始代码段为_start

SECTIONS

{

       . = 0x00000000; ；从0x0位置开始

 

       . = ALIGN(4); ；代码以4字节对齐

       .text      :  ；指定代码段

       {

         cpu/arm920t/start.o    (.text)    ；代码的第一个代码部分    

         *(.text)      ；其它代码部分

       }

 

       . = ALIGN(4);

       .rodata : { *(.rodata) }    ；指定只读数据段

 

       . = ALIGN(4);

       .data : { *(.data) }     ；指定读\写数据段

 

       . = ALIGN(4);

       .got : { *(.got) }    ；指定got段，got段是u-boot自定义的一个段，非标准段

 

       . = .;

       __u_boot_cmd_start = .;    ；把__u_boot_cmd_start赋值为当前位置，即起始位置

       .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }  ；指定u_boot_cmd段，uboot把所有的uboot命令放在该段

       __u_boot_cmd_end = .;    ；把__u_boot_cmd_end赋值为当前位置，即bss段的开始位置

 

       . = ALIGN(4);

       __bss_start = .;    ；把__bss_start赋值为当前位置，即bss段的开始位置

       .bss : { *(.bss) }   ；指定bss段

       _end = .;   ；把_end赋值为当前位置，即bss段的结束位置

}

第一个链接的是cpu/arm920t/start.o，因此u-boot.bin的入口代码在cpu/arm920t/start.o中，其源代码在cpu/arm920t/start.S中。下面我们来分析cpu/arm920t/start.S的执行。

1.硬件设备初始化 

（1）设置异常向量

       cpu/arm920t/start.S开头有如下的代码：

#include 

#include 

/*

 *************************************************************************

 *

 * Jump vector table as in table 3.1 in [1]

 *

 *************************************************************************

 */

@设置异常向量表，其中_start是GNU 汇编的默认入口标签。注意ldr r0,0x1234是把0X1234中的内容写到R0中，ldr r0,=0x1234,是将1234这个值写到R0中，以及ADR 是用来加载地址。

.globl _start

_start:     b       reset            /* 复位 */

       ldr   pc, _undefined_instruction   /* 未定义指令向量 */

       ldr   pc, _software_interrupt      /*  软件中断向量 */

       ldr   pc, _prefetch_abort        /*  预取指令异常向量 */

       ldr   pc, _data_abort           /*  数据操作异常向量 */

       ldr   pc, _not_used            /*  未使用   */

       ldr   pc, _irq                 /*  irq中断向量  */

       ldr   pc, _fiq                 /*  fiq中断向量  */

/*  中断向量表入口地址 */

@.word为GUN 汇编分配一段字内存单元，下面几句话相当于是C语言中的变量名和变量值。

_undefined_instruction:  .word undefined_instruction

_software_interrupt:      .word software_interrupt

_prefetch_abort:     .word prefetch_abort

_data_abort:           .word data_abort

_not_used:             .word not_used

_irq:                     .word irq

_fiq:                     .word fiq

 

       .balignl 16,0xdeadbeef

以上代码设置了ARM异常向量表，各个异常向量介绍如下：

 

 

在cpu/arm920t/start.S中还有这些异常对应的异常处理程序。当一个异常产生时，CPU根据异常号在异常向量表中找到对应的异常向量，然后执行异常向量处的跳转指令，CPU就跳转到对应的异常处理程序执行。

其中复位异常向量的指令“b reset”决定了U-Boot启动后将自动跳转到标号“reset”处执行。

 

/*

 *************************************************************************

 *

 * Startup Code (reset vector)

 *

 * do important init only if we don't start from memory!

 * relocate armboot to ram

 * setup stack

 * jump to second stage

 *

 *************************************************************************

 */

@全局符号定义

_TEXT_BASE:

       .word      TEXT_BASE  @在board/smdk2410/config.mk中定义为3ff80000..即UBOOT映像文件所在地址

.globl _armboot_start

_armboot_start:

       .word _start

 

/*

 * These are defined in the board-specific linker script. 

*/

@下面主要在u-boot.lds链接脚本中定义

 

.globl _bss_start

_bss_start:

       .word __bss_start

 

.globl _bss_end

_bss_end:

       .word _end

 

#ifdef CONFIG_USE_IRQ

/* IRQ stack memory (calculated at run-time) */

.globl IRQ_STACK_START

IRQ_STACK_START:

       .word      0x0badc0de

 

/* IRQ stack memory (calculated at run-time) */

.globl FIQ_STACK_START

FIQ_STACK_START:

       .word 0x0badc0de

#endif

 

（2）设置CPU进入SVC模式

/*

 * the actual reset code

系统上电或reset后，cpu的PC一般都指向0x0地址，在0x0地址上的指令是

 */

reset:

       /*

        * set the cpu to SVC32 mode

        */

       mrs  r0,cpsr     //将CPSR状态寄存器读取，保存到R0中

       bic   r0,r0,#0x1f     /*工作模式位清零 */

       orr   r0,r0,#0xd3    /*工作模式位设置为“10011”（管理模式），并将中断禁止位和快中断禁止位置1 */

       msr  cpsr,r0

 

以上代码将CPU的工作模式位设置为管理模式，并将中断禁止位和快中断禁止位置‘1’，从而屏蔽了IRQ和FIQ中断。

 

（3）设置控制寄存器地址

/* turn off the watchdog */

#if defined(CONFIG_S3C2400)

# define pWTCON        0x15300000

# define INTMSK         0x14400008    /* Interupt-Controller base addresses */

# define CLKDIVN       0x14800014    /* clock divisor register */

#elif defined(CONFIG_S3C2410)  /* s3c2410与s3c2440下面4个寄存器地址相同 */

# define pWTCON        0x53000000  /* WATCHDOG控制寄存器地址 */

# define INTMSK         0x4A000008/*中断子屏蔽寄存器地址*/

# define INTSUBMSK   0x4A00001C /* 中断子屏蔽寄存器地址 */

# define CLKDIVN       0x4C000014   /* clock divisor register CLKDIVN寄存器地址, 用来设置FCLK，HCLK，PCLK三者的比例。*/

#endif

       对与s3c2410开发板，以上代码完成了WATCHDOG，INTMSK，INTSUBMSK，CLKDIVN四个寄存器的地址的设置。各个寄存器地址参见数据手册。这里如果移植到2440，将#elif defined(CONFIG_S3C2410)修改为#elif defined(CONFIG_S3C2440)即可，因为s3c2410与s3c2440这4个寄存器地址是相同的。

（4）关闭看门狗

#if defined(CONFIG_S3C2400) || defined(CONFIG_S3C2410)

       ldr     r0, =pWTCON

       mov     r1, #0x0

       str     r1, [r0]  /* 看门狗控制器的最低位为0时，看门狗不输出复位信号 */

以上代码向看门狗控制寄存器写入0，关闭看门狗。否则在U-Boot启动过程中，CPU将不断重启。如果移植到2440，这里一样。

（5）屏蔽中断

       /*

        * mask all IRQs by setting all bits in the INTMR - default

        */

       mov r1, #0xffffffff  /* 某位被置1则对应的中断被屏蔽 */

       ldr   r0, =INTMSK

       str    r1, [r0]

INTMSK是主中断屏蔽寄存器，每一位对应SRCPND（中断源引脚寄存器）中的一位，表明SRCPND相应位代表的中断请求是否被CPU所处理。

根据数据手册，INTMSK寄存器是一个32位的寄存器，每位对应一个中断，向其中写入0xffffffff就将INTMSK寄存器全部位置一，从而屏蔽对应的中断。

# if defined(CONFIG_S3C2410)

       ldr   r1, =0x3ff

       ldr   r0, =INTSUBMSK

       str    r1, [r0]

# endif

INTSUBMSK每一位对应子中断屏蔽寄存器SUBSRCPND中的一位，表明SUBSRCPND相应位代表的中断请求是否被CPU所处理。

根据数据手册，INTSUBMSK寄存器是一个32位的寄存器，但是只使用了低10位。向其中写入0x3ff就是将INTSUBMSK寄存器全部有效位（低10位）置一，从而屏蔽对应的中断。注意：对于2440，这里写入的是0x7fff，根据2440数据手册，它使用了低15位。向其中写入0x7fff就是将INTSUBMSK寄存器全部有效位（低15位）置一，从而屏蔽对应的中断。

 (6) 设置时钟分频控制寄存器。

 /* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 * /FCLK为核心提供时钟，HCLK为AHB（ARM920T,内存控制器，中断控制器，LCD控制器，DMA和主USB模块）提供时钟，PCLK为APB（看门狗、IIS、I2C、PWM、MMC、ADC、UART、GPIO、RTC、SPI）提供时钟

       /* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 */

       /* default FCLK is 120 MHz ! */

       ldr   r0, =CLKDIVN

       mov r1, #3

       str    r1, [r0]

#endif     /* CONFIG_S3C2400 || CONFIG_S3C2410 */

 

 

 

（7）关闭MMU，cache,执行CPU初始话。

       接着往下看：

       /*

        * we do sys-critical inits only at reboot,

        * not when booting from ram!

        */

#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT

       bl    cpu_init_crit @如果没有定义CONFIG_SKIP_LOELEVEL_INIT,则执行cpu_init_crit.

 #endif

cpu_init_crit这段代码在U-Boot正常启动时才需要执行，若将U-Boot从RAM中启动则应该注释掉这段代码。后面再对它分析。

@重新定位u-boot到SDRAM中

这里将整个U-Boot的代码(包括第一、第二阶段)都复制到SDRAM中，这在cpu/arm920t/start.S中实现：

#ifndef CONFIG_SKIP_RELOCATE_UBOOT

relocate:                       /* relocate U-Boot to RAM将U-Boot复制到RAM中          */

       adr   r0, _start        /* r0 <- current position of code  r0 = 当前代码的开始地址  */

@判断U-Boot是否是下载到RAM中运行，若是，则不用再复制到RAM中了，这种情况通常在调试U-Boot时才发生，通过adr指令得到当前代码的地址信息：如果U-boot是从RAM开始运行，则从adr,r0,_start得到的地址信息为 r0=_start=_TEXT_BASE=TEXT_BASE=0x3ff80000;如果U-boot从Flash开始运行，即从处理器对应的地址运行，则r0=0x0000,这时将会执行copy_loop标识的那段代码了。

       ldr   r1, _TEXT_BASE         /* r1 =代码段的连接地址test if we run from flash or RAM */

       cmp     r0, r1      /*测试现在是在Flash中还是在RAM中，_start等于_TEXT_BASE说明是在RAM中运行，路过搬移代码 */

       beq     stack_setup   @如果r0等于r1，已经在RAM中(这通常是调试时，直接下载到RAM中)，则不需要复制。

ldr   r2, _armboot_start   @_armboot_start在前面定义，是第一条指令的运行地址即_start的内容写入r2

       ldr   r3, _bss_start       @在连接脚本u-boot.lds中定义，是代码段的结束地址

       sub  r2, r3, r2        /* @计算armboot所占字节大小 ，r2＝代码段长度*/

       add  r2, r0, r2        /* r2 <- source end address @armboot结束地址，r2 = NOR Flash上代码段的结束地址*/

copy_loop:   @实现从flash中拷贝到_TEXT_BASE（0x3ff80000）所在的地址中去

       ldmia      r0!, {r3-r10}         /* copy from source address [r0] ，从地址[r0]处获得数据，即从地址为[r0]的NOR Flash中读入8个字的数据   */

       stmia       r1!, {r3-r10}         /* copy to target address [r1] 将r3至r10寄存器的数据复制给地址为[r1]处  */

       cmp r0, r2                    /* until source end addreee [r2]   判断是否复制完毕*/

       ble   copy_loop  /* 没复制完，则继续 */

#endif     /* CONFIG_SKIP_RELOCATE_UBOOT */

 

       /* Set up the stack         

@设置堆栈                             */

栈的设置灵活性很大，只要让sp寄存器指向一段没有使用的内存即可。

stack_setup:     

       ldr   r0, _TEXT_BASE         /* _TEXT_BASE为代码段的开始地址，值为0x33F80000 upper 128 KiB: relocated uboot*/

       sub  r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN      /* malloc area@代码段下面，留出一段内存以实现malloc */

       sub  r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* bdinfo再留出一段内存，存一些全局参数，这里跳过这个全局数据区 */

#ifdef CONFIG_USE_IRQ

       sub  r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ) ＠为IRQ，FIQ留出空间，分配IRQ、FIQ模式的栈

#endif

       sub  sp, r0, #12             /* leave 3 words for abort-stack @最后，留出12字节的内存给abort异常，往下的内存就都是栈了，将当前的地址赋给sp，这样就为内存栈设置好了，之后如果在u-boot中运行程序时需要使用栈的时候就从这里开始。   */

到了这一步，读者可以知道内存的使用情况了，如下图所示(图中与上面的划分稍有不同，这是因为在cpu/arm920t/cpu.c中的cpu_init函数中才真正为IRQ、FIQ模式划分了栈)

 

 

 

 

U-boot内存使用情况:

 

 

 

 

（5）跳转到第二阶段代码的C入口点。

在跳转之前，还要清除BSS段(初始值为0、无初始值的全局变量、静态变量放在BSS段)，代码如下：

clear_bss:  @清空用户堆区

       ldr   r0, _bss_start         /* find start of bss segment ，BSS段的开始地址，它的值在连接脚本u-boot.lds中确定 */

       ldr   r1, _bss_end          /* stop here ，BSS段的结束地址，它的值在连接脚本u-boot.lds中确定*/

       mov       r2, #0x00000000           /* clear */往r2中写入0值

 

clbss_l:str       r2, [r0]           /* clear loop...   往BSS段中写入0值                  */

       add  r0, r0, #4

       cmp r0, r1    /*判断是否清空完毕*/

       ble   clbss_l  /* 没清空完，则继续 */

 下面分析一下cpu_init_crit到底做了什么：

cpu_init_crit这段代码在U-Boot正常启动时才需要执行，若将U-Boot从RAM中启动则应该注释掉这段代码。

#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT

cpu_init_crit:

       /*

        * flush v4 I/D caches  使数据cache与指令cache无效

        */

       mov r0, #0

       mcr  p15, 0, r0, c7, c7, 0       /* flush v3/v4 cache 向c7写入0将使ICache与DCache无效*/

       mcr  p15, 0, r0, c8, c7, 0       /* flush v4 TLB 向c8写入0将使TLB失效*/

代码中的c0，c1，c7，c8都是ARM920T的协处理器CP15的寄存器。其中c7是cache控制寄存器，c8是TLB控制寄存器。上面二行代码将0写入c7、c8，使Cache，TLB内容无效。

 下面分析一下cpu_init_crit到底做了什么：

cpu_init_crit这段代码在U-Boot正常启动时才需要执行，若将U-Boot从RAM中启动则应该注释掉这段代码。

#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT

cpu_init_crit:

       /*

        * flush v4 I/D caches  使数据cache与指令cache无效

        */

       mov r0, #0

       mcr  p15, 0, r0, c7, c7, 0       /* flush v3/v4 cache 向c7写入0将使ICache与DCache无效*/

       mcr  p15, 0, r0, c8, c7, 0       /* flush v4 TLB 向c8写入0将使TLB失效*/

代码中的c0，c1，c7，c8都是ARM920T的协处理器CP15的寄存器。其中c7是cache控制寄存器，c8是TLB控制寄存器。上面二行代码将0写入c7、c8，使Cache，TLB内容无效。

   /*

        * disable MMU stuff and caches关闭mmu和cache

    */

@MRC指令的格式为：

@MRC{条件} 协处理器编码，协处理器操作码1，目的寄存器，源寄存器1，源寄存器2，协处理器操作码2。

@MRC指令用于将协处理器寄存器中的数据传送到ARM处理器寄存器中,若协处理器不能成功完成操作，则产生未定义指令异常。其中协处理器操作码1和协处理器操作码2为协处理器将要执行的操作，目的寄存器为ARM处理器的寄存器，源寄存器1和源寄存器2均为协处理器的寄存器。  指令示例： MRC   P3，3，R0，C4，C5，6    ；该指令将协处理器P3的寄存器中的数据传送到ARM处理器寄存器中。

        */

       mrc  p15, 0, r0, c1, c0, 0

       bic   r0, r0, #0x00002300      @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS), 将13，9，8bit清零(13—异常向量表基地址:0x0， 9—Disable System Protection, 8—Disable ROM Protection）

       bic   r0, r0, #0x00000087      @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM), 将7,2,1,0bit清零(7—为0 的时候表示小端字节序，2-- Data Cache Disabled，1-- Alignment Fault checking disabled，0—为0的话MMU disabled)

       orr   r0, r0, #0x00000002      @ set bit 2 (A) Align, 将bit 1 设置为1表示Fault checking enabled

       orr   r0, r0, #0x00001000      @ set bit 12 (I) I-Cache, 将bit 12设置为1表示使能 I-Cache。

       mcr  p15, 0, r0, c1, c0, 0   @保存r0到控制寄存器

 

 

   这几行代码关闭了MMU。这是通过修改CP15的c1寄存器来实现的，将c1的 M位置零，关闭了MMU。先看CP15的c1寄存器的格式（仅列出代码中用到的位）：

表 2.3 CP15的c1寄存器格式（部分）

       各个位的意义如下：

 

V :  表示异常向量表所在的位置，0：异常向量在0x00000000；1：异常向量在 0xFFFF0000

I :  0 ：关闭ICaches；1 ：开启ICaches

R、S : 用来与页表中的描述符一起确定内存的访问权限

B :  0 ：CPU为小字节序；1 ： CPU为大字节序

C :  0：关闭DCaches；1：开启DCaches

A :  0：数据访问时不进行地址对齐检查；1：数据访问时进行地址对齐检查

M :  0：关闭MMU；1：开启MMU

 

 

 

 

下面分析一下lowlevel_init，代码如下：

lowlevel_init初始化了13个寄存器来实现RAM时钟的初始化。lowlevel_init函数对于U-Boot从NAND Flash或NOR Flash启动的情况都是有效的。

board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o将被链接到cpu/arm920t/start.o 后面，因此board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o也在U-Boot的前4KB的代码中。

       U-Boot.lds链接脚本有如下代码：

       .text :

 

       {

 

                     cpu/arm920t/start.o    (.text)

 

                board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o (.text)

 

                 board/samsung/mini2440/nand_read.o (.text)

 

              … …

 

       }

U-Boot在NAND Flash启动时，lowlevel_init.o将自动被读取到CPU内部4KB的内部RAM中。因此lowlevel_init函数代码将从CPU内部RAM中复制寄存器的值到相应的寄存器中。

       对于U-Boot在NOR Flash启动的情况，由于U-Boot连接时确定的地址是U-Boot在内存中的地址，而此时U-Boot还在NOR Flash中，因此还需要在NOR Flash中读取数据到RAM中。

       由于NOR Flash的开始地址是0，而U-Boot的加载到内存的起始地址是TEXT_BASE，SMRDATA标号在Flash的地址就是SMRDATA－TEXT_BASE。

       综上所述，lowlevel_init的作用就是将SMRDATA开始的13个值复制给开始地址[BWSCON]的13个寄存器，从而完成了存储控制器的设置。

Start.S文件之后是

@.macro伪操作符标识宏定义的开始，.endm标识宏定义的结束。二者包含的一段代码，称为宏定义体，这样在程序中就可通过宏指令多次调用该代码段。格式：

.macro macroname {parameter{,parameter}...}

  ...

 .endm

宏的参数可直接使用斜线“/字符”来引用，如下“/reg”所示。