uboot启动流程详解(5)-_main
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前言
_main标号中主要调用的函数有三个，board_init_f，relocate_code，board_init_r，这里先贴出_main的代码并注释，然后对这三个函数的流程及原理进行详细介绍。
1、代码注释
ENTRY(_main)
/*
* Set up initial C runtime environment and call board_init_f(0).
*/
/*
*这里首先为调用board_init_f准备一个临时堆栈，CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR这个宏
*就是cpu片上内存的高地址（片上内存的大小减去GD_SIZE）。然后将堆栈初始的地址保存在
*r9，所以r9就是gd的起始地址，后面需要靠r9访问gd中的成员。然后将r0赋值成0，r0就是
*要调用的board_init_f函数的第一个参数！
*/
#if defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK)
ldr sp, =(CONFIG_SPL_STACK)
#else
ldr sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
#endif
bic sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */
sub sp, sp, #GD_SIZE /* allocate one GD above SP */
bic sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */
mov r9, sp /* GD is above SP */
mov r0, #0
bl board_init_f
#if ! defined(CONFIG_SPL_BUILD)
/*
* Set up intermediate environment (new sp and gd) and call
* relocate_code(addr_moni). Trick here is that we'll return
* 'here' but relocated.
*/
/*
*这段代码的主要功能就是将uboot搬移到内存的高地址去执行，为kernel腾出低端空间，
*防止kernel解压覆盖uboot。
*adr这个指令非常有意识，可以自己问度娘了解以下。这里这三行代码
*adr lr, here
*ldr r0, [r9, #GD_RELOC_OFF]
*add lr, lr, r0
*的功能就是，将relocate后的here标号的地址保存到lr寄存器，这样等到relocate
*完成后，就可以直接跳到relocate后的here标号去执行了。
*relocate_code函数的原理及流程，是uboot的重要代码，下面详解！
*/
ldr sp, [r9, #GD_START_ADDR_SP] /* sp = gd->start_addr_sp */
bic sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */
ldr r9, [r9, #GD_BD] /* r9 = gd->bd */
sub r9, r9, #GD_SIZE /* new GD is below bd */
adr lr, here
ldr r0, [r9, #GD_RELOC_OFF] /* r0 = gd->reloc_off */
add lr, lr, r0
ldr r0, [r9, #GD_RELOCADDR] /* r0 = gd->relocaddr */
b relocate_code
here:
/* Set up final (full) environment */
/*
*relocate完成后，uboot的代码被搬到了内存的顶部，所以必须重新设置异常向量表的
*地址，c_runtime_cpu_setup这个函数的主要功能就是重新设置异常向量表的地址。
*/
bl c_runtime_cpu_setup /* we still call old routine here */
/*
*在relocate的过程中，并没有去搬移bss段。bss段是auto-relocated的！为什么？
*可以自己思考一下，又或许看完我后面介绍的relocate的原理后你会明白！
*/
ldr r0, =__bss_start /* this is auto-relocated! */
ldr r1, =__bss_end /* this is auto-relocated! */
mov r2, #0x00000000 /* prepare zero to clear BSS */
/*
*清空bss段。
*/
clbss_l:cmp r0, r1 /* while not at end of BSS */
strlo r2, [r0] /* clear 32-bit BSS word */
addlo r0, r0, #4 /* move to next */
blo clbss_l
/*
*这两行代码无视之，点灯什么的，和这里要讲的uboot的原理及过程没有半毛钱关系。
*/
bl coloured_LED_init
bl red_led_on
/*
*将relocate后的gd的地址保存到r1，然后调用board_init_r函数，进入uboot的新天地！
*/
/* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */
mov r0, r9 /* gd_t */
ldr r1, [r9, #GD_RELOCADDR] /* dest_addr */
/* call board_init_r */
ldr pc, =board_init_r /* this is auto-relocated! */
/* we should not return here. */
#endif
ENDPROC(_main)
2、board_init_f
这个函数的主要功能就是初始化一些硬件设备(串口、定时器等)并且设置gd结构体中的成员。执行完后，gd中一些重要成员的指向如下图所示：
刚开始uboot在编译地址TEXT_BASE处执行，relocate完成后，uboot会被搬移到gd->relocaddr这个地址执行。gd->start_addr_sp是relocate完成后新的堆栈起始地址。接下来对其调用到的主要函数进行介绍。
1、获取整个uboot的大小到gd->mon_len
static int setup_mon_len(void)
{
#ifdef __ARM__
gd->mon_len = (ulong)&__bss_end - (ulong)_start;
#elif defined(CONFIG_SANDBOX)
gd->mon_len = (ulong)&_end - (ulong)_init;
#else
/* TODO: use (ulong)&__bss_end - (ulong)&__text_start; ? */
gd->mon_len = (ulong)&__bss_end - CONFIG_SYS_MONITOR_BASE;
#endif
return 0;
}
__bss_end ，_start这两个标号在链接脚本u-boot.lds中定义。__bss_end -_start uboot就是整个uboot的大小。如果对链接脚本不了解，可以参考《编译及连接过程 》。
2、获取环境变量的起始地址到gd->env_addr
int env_init(void)
{
/* use default */
gd->env_addr = (ulong)&default_environment[0];
gd->env_valid = 1;
return 0;
}
default_environment是全局初始化变量，保存在uboot的data段中！
3、设置gd->baudrate
从环境变量中获取波特率到gd->baudrate成员中。
static int init_baud_rate(void)
{
gd->baudrate = getenv_ulong("baudrate", 10, CONFIG_BAUDRATE);
return 0;
}
4、获取内存的实际大小到gd->ram_size
int dram_init(void)
{
gd->ram_size = get_ram_size((void *)PHYS_SDRAM, PHYS_SDRAM_SIZE);
return 0;
}
5、获取gd->relocaddr
重新设置内存大小，预留出内存顶部的4K不用。
static int setup_dest_addr(void)
{
debug("Monitor len: %08lX\n", gd->mon_len);
/*
* Ram is setup, size stored in gd !!
*/
debug("Ram size: %08lX\n", (ulong)gd->ram_size);
#if defined(CONFIG_SYS_MEM_TOP_HIDE)
/*
* Subtract specified amount of memory to hide so that it won't
* get "touched" at all by U-Boot. By fixing up gd->ram_size
* the Linux kernel should now get passed the now "corrected"
* memory size and won't touch it either. This should work
* for arch/ppc and arch/powerpc. Only Linux board ports in
* arch/powerpc with bootwrapper support, that recalculate the
* memory size from the SDRAM controller setup will have to
* get fixed.
*/
gd->ram_size -= CONFIG_SYS_MEM_TOP_HIDE;
#endif
#ifdef CONFIG_SYS_SDRAM_BASE
gd->ram_top = CONFIG_SYS_SDRAM_BASE;
#endif
gd->ram_top += get_effective_memsize();
gd->ram_top = board_get_usable_ram_top(gd->mon_len);
gd->relocaddr = gd->ram_top;
debug("Ram top: %08lX\n", (ulong)gd->ram_top);
#if defined(CONFIG_MP) && (defined(CONFIG_MPC86xx) || defined(CONFIG_E500))
/*
* We need to make sure the location we intend to put secondary core
* boot code is reserved and not used by any part of u-boot
*/
if (gd->relocaddr > determine_mp_bootpg(NULL)) {
gd->relocaddr = determine_mp_bootpg(NULL);
debug("Reserving MP boot page to %08lx\n", gd->relocaddr);
}
#endif
return 0;
}
6、设置gd->reloc_off
设置relocate的偏移量，并将旧gd中的内容拷贝到新gd中。
static int setup_reloc(void)
{
gd->reloc_off = gd->relocaddr - CONFIG_SYS_TEXT_BASE;
memcpy(gd->new_gd, (char *)gd, sizeof(gd_t));
debug("Relocation Offset is: %08lx\n", gd->reloc_off);
debug("Relocating to %08lx, new gd at %08lx, sp at %08lx\n",
gd->relocaddr, (ulong)map_to_sysmem(gd->new_gd),
gd->start_addr_sp);
return 0;
}3、relocate_code
3.1 原理介绍
u-boot在启动过程中，会把自己拷贝到RAM的顶端去执行。这一拷贝带来的问题是执行地址的混乱。代码的执行地址通常都是在编译时有链接地址指定的，如何保证拷贝前后都可以执行呢？
一个办法是使用拷贝到RAM后的地址作为编译时的链接地址，拷贝前所有函数与全局变量的调用都增加偏移量。（如VxWorks的bootloader）尽量减少拷贝前需要执行的代码量。
另一个办法是把image编译成与地址无关的程序，也就是PIC - Position independent code。编译器无法保证代码的独立性，它需要与加载器配合起来。U-boot自己加载自己，所以它自己就是加载器。PIC依赖于下面两种技术：
1） 使用相对地址
2） 加载器可以自动更新涉及到绝对地址的指令
对于PowerPC架构，u-boot只是在编译时使用了-fpic，这种方式会生成一个.got段来存储绝对地址符号。对于ARM架构，则是在编译时使用-mword-relocations，生成与位置无关代码，链接时使用-pie生成.rel.dyn段，该段中的每个条目被称为一个LABEL，用来存储绝对地址符号的地址。
3.2 调试过程
为了理解rel.dyn段的作用，在uboot源代码的common/main.c文件中，加入如下代码，并在main_loop函数中调用rel_dyn_test。
void test_func(void)
{
printf("test func\n");
}
static void * test_func_val = test_func;
static int test_val = 10;
void rel_dyn_test()
{
test_val = 20;
test_func();
printf("test = 0x%x\n", test_func);
printf("test_func = 0x%x\n", test_func_val);
} 然后重新编译uboot，并且对新生成的elf文件(u-boot)进行反汇编：
arm-fsl-linux-gnueabi-objdump -D u-boot > u-boot.huibian。然后在反汇编文件中找到对应的代码段、数据段以及rel.dyn段。如下：
代码段：
/*这里是test_func()函数的反汇编*/
87802fe0 :
87802fe0: e59f300c ldr r3, [pc, #12] ; 87802ff4 /*注：以下两行为Lable1*/
87802ff4: 8784004c strhi r0, [r4, ip, asr #32]
87802ff8: 8783127f ; instruction: 0x8783127f
/*这里是rel_dyn_test函数的反汇编*/
878031c0 :
878031c0: e59f302c ldr r3, [pc, #44] ; 878031f4
878031d8: e59f001c ldr r0, [pc, #28] ; 878031fc
878031e4: e59f0014 ldr r0, [pc, #20] ; 87803200 /*注：以下四行为Lable2*/
878031f4: 87838c3c ; instruction: 0x87838c3c
878031f8: 87802fe0 strhi r2, [r0, r0, ror #31]
878031fc: 8783129b ; instruction: 0x8783129b
87803200: 878312a8 strhi r1, [r3, r8, lsr #5] 这些函数末尾存储变量地址的内存空间称为Label（编译器自动分配），这里记
数据段
87838c3c :
87838c3c: 0000000a andeq r0, r0, sl
8784004c :
8784004c: 00000000 andeq r0, r0, r0 rel.dyn段
/*Lable1的rel.dyn段*/
8783b4a0: 87802ff4 ; instruction: 0x87802ff4
8783b4a4: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0
8783b4a8: 87802ff8 ; instruction: 0x87802ff8
8783b4ac: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0
/*Lable2的rel.dyn段*/
8783b4c8: 878031f4 ; instruction: 0x878031f4
8783b4cc: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0
8783b4d0: 878031f8 ; instruction: 0x878031f8
8783b4d4: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0
8783b4d8: 878031fc ; instruction: 0x878031fc
8783b4dc: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0
8783b4e0: 87803200 strhi r3, [r0, r0, lsl #4]
8783b4e4: 00000017 andeq r0, r0, r7, lsl r0
接下来看一下test_val = 20;这条c语句对应的汇编代码为：
ldr r3, [pc, #44] -----(1)
mov r2, #20 -----(2)
str r2, [r3] -----(3) 由于arm的流水线架构，所以执行第(1)条指令时pc是指向第(3)条指令的，再加上44(也就是再往下数11条指令，因为一条指令4个字节)，即指向了地址为<878031f4>的语句，然后将其内容加载到r3中(即r3=0x87838c3c，对照上面的数据段，可知这就是变量test_val的地址)；接着将立即数20放到r2；最后将r2的内容放到以r3为地址的空间。
也就是说，代码在取符号(全局变量、函数等)的时候，会使用相对地址的方法去函数末尾的Lable中取到该符号的地址(说明白点，就是这些Lable存储了要查找符号的地址)，然后再根据该地址读取符号的内容。所以当data段搬移时，Lable中的内容也要跟着改变！而这些Lable的地址保存在rel.dyn段中，所以代码relocate时要用到rel.dyn段，对Lable中的内容进行修改！
3.3 代码分析
ENTRY(relocate_code)
/*
*拷贝__image_copy_start到__image_copy_end之间的内容到新地址，即只拷贝了代码段
*和data段，没有拷贝bss段和rel.dyn段。
*/
ldr r1, =__image_copy_start /* r1 <- SRC &__image_copy_start */
subs r4, r0, r1 /* r4 <- relocation offset */
beq relocate_done /* skip relocation */
ldr r2, =__image_copy_end /* r2 <- SRC &__image_copy_end */
copy_loop:
ldmia r1!, {r10-r11} /* copy from source address [r1] */
stmia r0!, {r10-r11} /* copy to target address [r0] */
cmp r1, r2 /* until source end address [r2] */
blo copy_loop
/*
* fix .rel.dyn relocations
*/
/*
*根据rel.dyn段设置Lable的内容，relocate后运行地址和编译地址不一致还能跑，
*全靠这里啦。
*/
ldr r2, =__rel_dyn_start /* r2 <- SRC &__rel_dyn_start */
ldr r3, =__rel_dyn_end /* r3 <- SRC &__rel_dyn_end */
fixloop:
ldmia r2!, {r0-r1} /* (r0,r1) <- (SRC location,fixup) */
and r1, r1, #0xff
cmp r1, #23 /* relative fixup? */
bne fixnext
/* relative fix: increase location by offset */
add r0, r0, r4
ldr r1, [r0]
add r1, r1, r4
str r1, [r0]
fixnext:
cmp r2, r3
blo fixloop
relocate_done:
#ifdef __XSCALE__
/*
* On xscale, icache must be invalidated and write buffers drained,
* even with cache disabled - 4.2.7 of xscale core developer's manual
*/
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* invalidate icache */
mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 /* drain write buffer */
#endif
/* ARMv4- don't know bx lr but the assembler fails to see that */
#ifdef __ARM_ARCH_4__
mov pc, lr
#else
bx lr
#endif
ENDPROC(relocate_code)