移植uboot-分析uboot启动流程(详解)

本节总结:

uboot启动流程如下:

• 1)设置CPU为管理模式
• 2)关看门狗
• 3)关中断
• 4）设置时钟频率   
• 5)关mmu,初始化各个bank
• 6)进入board_init_f()函数 (初始化定时器,GPIO,串口等,划分内存区域)
• 7)重定位     复制uboot,然后修改SDRAM上的uboot链接地址)
• 8)清bss
• 9)跳转到board_init_r()函数,启动流程结束

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1.首先来安装arm-linux-gcc-4.3.2交叉编译器

mkdir  arm-linux-gcc-4.3.2                 //创建目录

tar -xjf  arm-linux-gcc-4.3.2.tar.bz2 -C arm-linux-gcc-4.3.2/  //解压到arm-linux-gcc-4.3.2目录下

然后添加环境变量:

有两种方法,第一种只是临时修改,重启虚拟机便会复位:

export PATH=/arm-linux-gcc-4.3.2/usr/local/arm/4.3.2/bin:/usr/sbin:/usr/bin... ...
             //将arm-linux-gcc-4.3.2添加到环境变量

第二种,重启不复位:

vi /etc/environment
添加:
PATH=/arm-linux-gcc-4.3.2/usr/local/arm/4.3.2/bin:/usr/sbin:/usr/bin... ...
                   //将arm-linux-gcc-4.3.2添加到环境变量

2.然后进入ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/来下载u-boot-2012.04.01

2.1.创建source insight工程,来看代码

1)在board 目录下只添加:

board/samsung/smdk2410/               // (2410单板文件)

 2)在arch 目录下只添加:

arch/arm/cpu/arm920t/                //(只添加这个目录下的*.c,*.S公用文件)                

arch/arm/cpu/arm920t/s3c24x0/        //(24x0架构所有文件)

arch/arm/include/asm/                //(只添加这个目录下的*.h公用头文件)

arch/arm/include/asm/proc-armv/      //(arm架构的文件)

arch/arm/include/asm/arch-s3c24x0/   //(24x0架构头文件)

arch/arm/lib/                        //(与arm相关的库文件)

3)在include/configs目录下只添加:

include/configs/smdk2410.h              // (用来配置2410单板的头文件)

 2.2编译烧写:

tar xjf u-boot-2012.04.01.tar.bz2

cd u-boot-2012.04.01                 //进入解压后文件目录

make smdk2410_config                 //由于该uboot不支持2440板卡,所以只有配置2410板卡

make                                 //编译,生成u-boot.bin 

 

3.最后烧写u-boot.bin,发现无法启动,接下来便来分析uboot的启动流程

 4.首先查看arch/arm/cpu/u-boot.lds链接脚本

如下图所示,看到uboot最开始会进入_start:

 

 5. _start位于arch/arm/cpu/arm920t/start.S         

所以,我们从start.S开始分析uboot启动流程:

.globl _start                                //声明_start全局符号,这个符号会被lds链接脚本用到
_start:    
b     start_code                            //跳转到start_code符号处,0x00
       ldr   pc, _undefined_instruction                    //0x04
       ldr   pc, _software_interrupt                       //0x08
       ldr   pc, _prefetch_abort                           //0x0c
       ldr   pc, _data_abort                               //0x10
       ldr   pc, _not_used                                 //0x14
       ldr   pc, _irq                                      //0x18
       ldr   pc, _fiq                                      //0x20

_undefined_instruction:  .word undefined_instruction
           //定义_undefined_instruction指向undefined_instruction(32位地址)

_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        //balignl使用，参考http://www.cnblogs.com/lifexy/p/7171507.html

 其中符号保存的地址都在顶层目录/system.map中列出来了

 

6. 从上面看到, _start会跳转到start_code处

start_code:

    /*设置CPSR寄存器,让CPU进入管理模式*/
       mrs  r0, cpsr                 //读出cpsr的值
       bic   r0, r0, #0x1f           //清位
       orr   r0, r0, #0xd3          //位或
       msr  cpsr, r0                 //写入cpsr

#if   defined(CONFIG_AT91RM9200DK) || defined(CONFIG_AT91RM9200EK)
       /*
        * relocate exception table
        */
       ldr   r0, =_start            
       ldr   r1, =0x0                //r1等于异常向量基地址
       mov r2, #16
copyex:
       subs       r2, r2, #1           //减16次,s表示每次减都要更新条件标志位
       ldr   r3, [r0], #4       
       str   r3, [r1], #4      //将_start标号后的16个符号存到异常向量基地址0x0~0x3c处
       bne  copyex             //直到r2减为0
#endif

#ifdef CONFIG_S3C24X0

       /* 关看门狗*/
#  define pWTCON       0x53000000
#  define INTMSK 0x4A000008    /* Interrupt-Controller base addresses */
#  define INTSUBMSK  0x4A00001C
#  define CLKDIVN       0x4C000014    /* clock divisor register */

       ldr   r0, =pWTCON       
       mov r1, #0x0        
       str   r1, [r0]           //关看门狗,使WTCON寄存器=0

       /*关中断*/
       mov r1, #0xffffffff
       ldr   r0, =INTMSK
       str   r1, [r0]                  //关闭所有中断
# if defined(CONFIG_S3C2410)
       ldr   r1, =0x3ff
       ldr   r0, =INTSUBMSK
       str   r1, [r0]                  //关闭次级所有中断
# endif

    /* 设置时钟频率, FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 ,而FCLK默认为120Mhz*/
       ldr   r0, =CLKDIVN
       mov r1, #3
       str   r1, [r0]

 #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
       bl    cpu_init_crit                         //关闭mmu,并初始化各个bank

#endif

call_board_init_f:
       ldr   sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR) //CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR=0x30000f80
       bic   sp, sp, #7         //sp=0x30000f80
       ldr   r0,=0x00000000
       bl    board_init_f   

 上面的CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR =0x30000f80,是通过arm-linux-objdump -D u-boot>u-boot.dis生成反汇编,然后从u-boot.dis得到的,如下图所示:

 

 

 

7.然后进入第一个C函数:board_init_f()

该函数主要工作是：

清空gd指向的结构体、通过init_sequence函数数组,来初始化各个函数以及逐步填充gd结构体，最后划分内存区域,将数据保存在gd里,然后调用relocate_code()对uboot重定位

(gd是用来传递给内核的参数)

1)具体代码如下所示:

void board_init_f(ulong bootflag) // bootflag=0x00000000
{
       bd_t *bd;
       init_fnc_t **init_fnc_ptr;         //函数指针
       gd_t *id;
       ulong addr, addr_sp;
#ifdef CONFIG_PRAM
       ulong reg;
#endif

       bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_START_UBOOT_F, "board_init_f");
       /* Pointer is writable since we allocated a register for it */
       gd = (gd_t *) ((CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR) & ~0x07);

 其中gd是一个全局变量,用来传递给内核的参数用的,如下图所示,在arch/arn/include/asm/global_data.h中定义,*gd指向r8寄存器,所以r8专门提供给gd使用

 

而CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR,在6节里得到=0x30000f80,所以gd=0x30000f80

 2)继续来看board_init_f():

      __asm__ __volatile__("": : :"memory");           //memory:让cpu重新读取内存的数据

      memset((void *)gd, 0, sizeof(gd_t));        //将0x30000f80地址上的gd_t结构体清0

      gd->mon_len = _bss_end_ofs;  
         // _bss_end_ofs =__bss_end__ - _start,在反汇编找到等于0xae4e0,所以mon_len等于uboot的数据长度
      gd->fdt_blob = (void *)getenv_ulong("fdtcontroladdr", 16, (uintptr_t)gd->fdt_blob);

       for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr)
            //调用init_sequence[]数组里的各个函数
      {
              if ((*init_fnc_ptr)() != 0)     //执行函数,若函数执行出错,则进入hang()
             {    
　　　　　　　　　　 hang ();   //打印错误信息,然后一直while
             }

       }

 上面的init_sequence[]数组里存了各个函数,比如有:

• board_early_init_f():设置系统时钟,设置各个GPIO引脚
• timer_init():初始化定时器
• env_init():设置gd的成员变量
• init_baudrate():设置波特率
• dram_init():设置gd->ram_size= 0x04000000(64MB）

3)继续来看board_init_f():

addr = CONFIG_SYS_SDRAM_BASE + gd->ram_size;  // addr=0x34000000 
// CONFIG_SYS_SDRAM_BASE:  SDRAM基地址,为0X30000000
// gd->ram_size:          等于0x04000000 


#if !(defined(CONFIG_SYS_ICACHE_OFF) && defined(CONFIG_SYS_DCACHE_OFF))
       /* reserve TLB table */
       addr -= (4096 * 4);        //addr=33FFC000

       addr &= ~(0x10000 - 1);  // addr=33FF0000,   

       gd->tlb_addr = addr;   //将64kB分配给TLB,所以TLB地址为33FF0000~33FFFFFF
#endif

       /* round down to next 4 kB limit */
       addr &= ~(4096 - 1);                    //4kb对齐, addr=33FF0000
       debug("Top of RAM usable for U-Boot at: %08lx\n", addr);

       /*
        * reserve memory for U-Boot code, data & bss
        * round down to next 4 kB limit
        */
       addr -= gd->mon_len; // 在前面分析过gd->mon_len=0xae4e0,
                           //所以addr=33FF0000 -0xae4e0=33F41B20,

       addr &= ~(4096 - 1);  //4095=0xfff,4kb对齐, addr=33F41000
                             //所以分配给uboot各个段的重定位地址为33F41000~33FFFFFF
       debug("Reserving %ldk for U-Boot at: %08lx\n", gd->mon_len >> 10, addr);

#ifndef CONFIG_SPL_BUILD
       addr_sp = addr - TOTAL_MALLOC_LEN; //分配一段malloc空间给addr_sp
                       //TOTAL_MALLOC_LEN=1024*1024*4,所以malloc空间为33BF1000~33F40FFF

       addr_sp -= sizeof (bd_t);            //分配一段bd_t结构体大的空间
　　　　bd = (bd_t *) addr_sp;               //bd指向刚刚分配出来的bd_t结构体
　　　　gd->bd = bd;                         // 0x30000f80处的gd变量的成员bd等于bd_t基地址

　　　　addr_sp -= sizeof (gd_t);              //分配一个gd_t结构体大的空间
　　　　id = (gd_t *) addr_sp;                 //id指向刚刚分配的gd_t结构体
　　　　gd->irq_sp = addr_sp;                 //0x30000f80处的gd变量的成员irq_sp等于gd_t基地址

　　　　addr_sp -= 12;
　　　　addr_sp &= ~0x07;
　　　　... ...

　　　　relocate_code(addr_sp, id, addr);  //进入relocate_code()函数,重定位代码,以及各个符号
　　　　// addr_sp: 栈顶,该栈顶向上的位置用来存放gd->irq_sp、id 、gd->bd、malloc、uboot、TLB(64kb),
　　　　//id:       存放 gd_t结构体的首地址
　　　　// addr:    等于存放uboot重定位地址33F41000
}

 执行完board_init_f()后,最终内存会划分如下图所示:

 

其实此时uboot还在flash中运行,然后会进入start.S的relocate_code()里进行uboot重定位 

8.接下来进入重定位

1)start.S的relocate_code()代码如下所示

relocate_code:
       mov r4, r0      /* save addr_sp */              // addr_sp栈顶值
       mov r5, r1      /* save addr of gd */           // id值
       mov r6, r2      /* save addr of destination */  // addr值:uboot重定位地址

       /* Set up the stack        */
stack_setup:
       mov sp, r4                //设置栈addr_sp
       adr  r0, _start           //在顶层目录下system.map符号文件中找到_start =0,所以r0=0
       cmp r0, r6                //判断_start(uboot重定位之前的地址)和addr(重定位地址)是否一样
       beq clear_bss             /* skip relocation */ 

       mov r1, r6             /* r1 <- scratch for copy_loop */ //r1= addr(重定位地址)
       ldr   r3, _bss_start_ofs               //_bss_start_ofs=__bss_start - _start(uboot代码大小)
       add r2, r0, r3         /* r2 <- source end address*/   //r2= uboot重定位之前的结束地址

copy_loop:
       ldmia      r0!, {r9-r10}  /* copy from source address [r0] */
                              //将r0处的两个32位数据拷到r9-r10中,然后r0+=8

       stmia      r1!, {r9-r10}  /* copy to   target address [r1]*/
                             //将拷出来的两个数据放入r1(重定位地址)处,然后r1+=8

       cmp r0, r2  /* until source end address [r2]*/   //判断拷贝的数据是否到结束地址
       blo  copy_loop

 上面只是把代码复制到SDRAM上,而链接地址内容却没有改变,比如异常向量0x04的代码内容还是0x1e0,

我们以异常向量0x04为例,来看它的反汇编:

 

如上图所示,即使uboot在SDRAM运行,由于代码没修改,PC也会跳到0x1e0(flash地址)上

和之前老的uboot有很大区别,以前老的uboot直接是使用的SDRAM链接地址,如下图所示:

 

所以,新的uboot采用了动态链接地址的方法,在链接脚本uboot.lds中,可以看到这两个段(.rel.dyn、.dynsym):

 

该两个段里,便是保存了各个文件的相对动态信息(.rel.dyn)、动态链接地址的符号(.dynsym)

以上图的.rel.dyn段为例来分析,找到__rel_dyn_start符号处:

 

如上图所示,其中0x17表示的是符号的结束标志位,我们以0x20为例来讲解:

在之前,我们讲过0x20里面保存的是异常向量0x04跳转的地址(0x1e0),如下图所示:

 

所以,接下来的代码,便会根据0x20里的值0x1e0(flash地址),将SDRAM的33F41000+0x20的内容改为33F41000+0x1e0(SDRAM地址),来改变uboot的链接地址

2)重定位的剩余代码,如下所示:

#ifndef CONFIG_SPL_BUILD
       /*
        * fix .rel.dyn relocations
        */
       ldr   r0, _TEXT_BASE             /* r0 <- Text base */  //r0=text段基地址=0
       sub  r9, r6, r0         /* r9 <- relocation offset */   //r9= 重定位后的偏移值=33F41000
       ldr   r10, _dynsym_start_ofs  /* r10 <- sym table ofs */ 
                                          //_dynsym_start_ofs =__dynsym_start - _start=0x73608
                                          //所以r10=动态符号表的起始偏移值=0x73608

       add r10, r10, r0            /* r10 <- sym table in FLASH */
                                       //r10=flash上的动态符号表基地址=0x73608

       ldr   r2, _rel_dyn_start_ofs     /* r2 <- rel dyn start ofs */
                                          //r2=__rel_dyn_start - _start=0x6b568
                                          //所以r2=相对动态信息的起始偏移值=0x6b568

       add r2, r2, r0         /* r2 <- rel dyn start in FLASH */
                                      //r2=flash上的相对动态信息基地址=0x6b568

       ldr   r3, _rel_dyn_end_ofs      /* r3 <- rel dyn end ofs */
                                          // _rel_dyn_end_ofs=__rel_dyn_end - _start=00073608
                                          //所以r3=相对动态信息的结束偏移值=00073608

       add r3, r3, r0         /* r3 <- rel dyn end in FLASH */
                                    //r3=flash上的相对动态信息结束地址=0x6b568

fixloop:
       ldr   r0, [r2]           /* r0 <- location to fix up, IN FLASH! */
                               //以0x20为例,r0=0x6b568地址处的内容= 0x20

       add r0, r0, r9         /* r0 <- location to fix up in RAM */
                                     //r0=33F41000+0x20=33F41020

       ldr   r1, [r2, #4]             //r1= 33F41024地址处的内容=0x17
       and  r7, r1, #0xff       
       cmp r7, #23                  /* relative fixup? */  //0x17=23,所以相等
       beq fixrel                                       //跳到:fixerl

       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]                  //r1=33F41020地址处的内容=0x1e0
       add r1, r1, r9                //r1=0x1e0+33F41000= 33F411e0

fixnext:
       str   r1, [r0]             //改变链接地址里的内容, 33F41020=33F411e0  (之前为0x1e0)   
       add r2, r2, #8             //r2等于下一个相对动态信息(0x24)的地址
       cmp r2, r3                //若没到尾部__rel_dyn_end,便继续执行: fixloop
       blo  fixloop                 
#endif

 9.清除bss段

/*重定位完成后,清除bss段*/
clear_bss:
 #ifndef CONFIG_SPL_BUILD
       ldr   r0, _bss_start_ofs                        //获取flash上的bss段起始位置
       ldr   r1, _bss_end_ofs                          //获取flash上的bss段结束位置
       mov r4, r6                    /* reloc addr */     //获取r6(SDRAM上的uboot基地址)
       add r0, r0, r4                                  //加上重定位偏移值,得到SDRAM上的bss段起始位置
       add r1, r1, r4                                     //得到SDRAM上的bss段结束位置
       mov r2, #0x00000000           /* clear*/

clbss_l:
    str    r2, [r0]           /* clear loop...       */                 //开始清除SDRAM上的bss段
       add r0, r0, #4
       cmp r0, r1
       bne  clbss_l
       bl coloured_LED_init
       bl red_led_on
#endif

9.1继续往下分析

#ifdef CONFIG_NAND_SPL                   //未定义,所以不执行
  ... ...                          
#else                                   //执行else

       ldr   r0, _board_init_r_ofs         //r0=flash上的board_init_r()函数地址偏移值
       adr  r1, _start                    //0
       add lr, r0, r1                     //返回地址lr=flash上的board_init_r()函数
       add lr, lr, r9                     //加上重定位偏移值(r9)后,lr=SDRAM上的board_init_r()函数

       /* setup parameters for board_init_r */
       mov r0, r5             /* gd_t */              //r0=id值
       mov r1, r6             /* dest_addr */         //r1=uboot重定位地址
       /* jump to it ... */
       mov pc, lr              //跳转:  board_init_r()函数

_board_init_r_ofs:
       .word board_init_r - _start        //获取在flash上的board_init_r()函数地址偏移值

#endif

从上面代码看出, 接下来便会进入uboot的board_init_r()函数,该函数会对各个外设初始化、环境变量初始化等.

 

uboot的启动过程到此便结束了.