uboot启动 --- SPL
1 概述
1.1 SPL基本功能
uboot分为uboot-spl和uboot两个组成部分。本文主要讲解SPL。
SPL是Secondary Program Loader的简称，第二阶段程序加载器，这里所谓的第二阶段是相对于SOC中的ROMCODE来说的，之前的文章已经有所介绍，SOC启动最先执行的是ROMCODE中的固化程序。ROMCODE会通过检测启动方式来加载第二阶段bootloader（SPL）。
uboot已经是一个bootloader了，那么为什么还多一个uboot SPL呢？主要原因是对于一些SOC来说，它的内部SRAM可能会比较小，小到无法装载下一个完整的uboot镜像，那么就需要SPL，它主要负责初始化外部RAM和环境，并加载真正的uboot镜像到外部RAM中来执行。所以由此来看，SPL是一个非常小的loader程序，可以运行于SOC的内部SRAM中，它的主要功能就是加载真正的uboot并运行之。
启动阶段，芯片内部的ROMCODE首先将FLASH(eMMC/NAND)中的SPL加载到IRAM，然后直接跳转到SPL运行，然后由SPL将uboot从FLASH上搬移到DDR上，并运行之。
CPU刚上电，需要小心的设置好很多状态，包括cpu状态、中断状态、MMU状态等等。在armv7架构的uboot-spl，主要完成以下功能：
（1）完成arch相关的初始化；
- 关闭中断，svc模式
- 禁用MMU、TLB
（2）SOC/BOARD相关初始化
- 芯片级、板级的一些初始化操作
- IO初始化
- 时钟
- 选项，串口初始化
（3）初始化外部DDR；
（4）初始化FLASH（eMMC/NAND）接口；
（5）将UBOOT从FLASH（eMMC/NAND）加载到DDR；
（6）跳转到uboot处执行；
1.2 SPL编译
在编译SPL的时候，编译参数会有如下语句：
u-boot/scripts/Makefile.spl
KBUILD_CPPFLAGS += -DCONFIG_SPL_BUILD在编译SPL的代码的过程中，CONFIG_SPL_BUILD这个宏是打开的。uboot-spl和uboot的代码是通用的，其区别就是通过CONFIG_SPL_BUILD宏来进行区分的。
uboot-spl编译链接脚本位于：u-boot/arch/arm/cpu/u-boot-spl.lds；从脚本中可以看出，uboot-spl的代码入口函数是_start
对应于路径u-boot/arch/arm/lib/vector.S的_start，后续就是从这个函数开始分析。
OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)@整体入口函数
SECTIONS
{
. = 0x00000000;@起始地址
. = ALIGN(4);
.text :
{
__image_copy_start = .;@对__image_copy_start变量赋值
*(.vectors) @代码段的起始 verctor
CPUDIR/start.o (.text*)@代码段的start
*(.text*)@代码段剩余的部分
}
. = ALIGN(4);
.rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }@只读数据段
. = ALIGN(4);
.data : {
*(.data*)@读写数据段
}
. = ALIGN(4);
.u_boot_list : {
KEEP(*(SORT(.u_boot_list*_i2c_*)));@？？？
}
. = .;
#ifdef CONFIG_SPL_DM @uboot中是否使用驱动模型
.u_boot_list : {
KEEP(*(SORT(.u_boot_list_*_driver_*)));
KEEP(*(SORT(.u_boot_list_*_uclass_*)));
}
#endif
. = ALIGN(4);
__image_copy_end = .;@给变量__image_copy_end赋值
.rel.dyn : {@和relocation相关
__rel_dyn_start = .;
*(.rel*)
__rel_dyn_end = .;
}
.end :
{
*(.__end)@给变量__end赋值
}
_image_binary_end = .;
.bss __rel_dyn_start (OVERLAY) : {
__bss_start = .;@变量__bss_start赋值
*(.bss*)
. = ALIGN(4);
__bss_end = .;@变量__bss_end赋值
}
.dynsym _image_binary_end : { *(.dynsym) }
.dynbss : { *(.dynbss) }
.dynstr : { *(.dynstr*) }
.dynamic : { *(.dynamic*) }
.hash : { *(.hash*) }
.plt : { *(.plt*) }
.interp : { *(.interp*) }
.gnu : { *(.gnu*) }
.ARM.exidx : { *(.ARM.exidx*) }
}
@下面是编译时的宏检测
#if defined(CONFIG_SPL_MAX_SIZE)
ASSERT(__image_copy_end - __image_copy_start < (CONFIG_SPL_MAX_SIZE), \
"SPL image too big");
#endif
#if defined(CONFIG_SPL_BSS_MAX_SIZE)
ASSERT(__bss_end - __bss_start < (CONFIG_SPL_BSS_MAX_SIZE), \
"SPL image BSS too big");
#endif
#if defined(CONFIG_SPL_MAX_FOOTPRINT)
ASSERT(__bss_end - _start < (CONFIG_SPL_MAX_FOOTPRINT), \
"SPL image plus BSS too big");
#endif
2 SPL启动流程详解
2.1 SPL启动流程
SPL整体流程如下，以下列出来的就是spl核心函数。
_start———–>reset————–>关闭中断
|————————>cpu_init_cp15———–>关闭MMU,TLB
|————————>cpu_init_crit————->lowlevel_init————->平台级和板级的初始化
|————————>_main
|————–>board_init_f_alloc_reserve
|——————>board_init_f_init_reserve
|——————>board_init_f
|———————>加载uboot(BL2),跳转到uboot(BL2)
board_init_f执行时已经是C语言环境了。在这里需要结束掉SPL的工作，跳转到BL2中。
3.2 _start
上述已经说明了_start是整个spl的入口，其代码如下：
arch/arm/lib/vectors.S
/*
*************************************************************************
* Exception vectors as described in ARM reference manuals
* Uses indirect branch to allow reaching handlers anywhere in memory.
*************************************************************************
*/
_start:
#ifdef CONFIG_SYS_DV_NOR_BOOT_CFG
.word CONFIG_SYS_DV_NOR_BOOT_CFG
#endif
b reset
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq
ldr pc, _fiq直接跳转到reset中，不会再返回，在reset中，就应该转到uboot(BL2)中。
2.3 reset
arch/arm/cpu/armv7/start.S
//--------------------------------------------------------------------------
.globl reset
.globl save_boot_params_ret
reset:
/* Allow the board to save important registers */
b save_boot_params
save_boot_params_ret:
/*
* disable interrupts (FIQ and IRQ), also set the cpu to SVC32 mode,
* except if in HYP mode already
*/
mrs r0, cpsr
and r1, r0, #0x1f @ mask mode bits
teq r1, #0x1a @ test for HYP mode
bicne r0, r0, #0x1f @ clear all mode bits
orrne r0, r0, #0x13 @ set SVC mode
orr r0, r0, #0xc0 @ disable FIQ and IRQ
msr cpsr,r0
@@ 以上通过设置CPSR寄存器里设置CPU为SVC模式，禁止中断
/* the mask ROM code should have PLL and others stable */
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
bl cpu_init_cp15
@@ 调用cpu_init_cp15，初始化协处理器CP15,从而禁用MMU和TLB。
@@ 后面会有一小节进行分析
bl cpu_init_crit
@@ 调用cpu_init_crit，进行一些关键的初始化动作，也就是平台级和板级的初始化
@@ 后面会有一小节进行分析
#endif
bl _main
@@ 跳转到主函数，也就是要加载BL2以及跳转到BL2的主体部分
//--------------------------------------------------------------------------
2.4 cpu_init_cp15
cpu_init_cp15主要用于对cp15协处理器进行初始化，其主要目的就是关闭其MMU和TLB。
代码如下(去掉无关部分的代码)：
arch/arm/cpu/armv7/start.S
//--------------------------------------------------------------------------
ENTRY(cpu_init_cp15)
/*
* Invalidate L1 I/D
*/
mov r0, #0 @ set up for MCR
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 @ invalidate TLBs
mcr p15, 0, r0, c7, c5, 0 @ invalidate icache
mcr p15, 0, r0, c7, c5, 6 @ invalidate BP array
mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ DSB
mcr p15, 0, r0, c7, c5, 4 @ ISB
@@ 这里只需要知道是对CP15处理器的部分寄存器清零即可。
@@ 将协处理器的c7\c8清零等等，各个寄存器的含义请参考《ARM的CP15协处理器的寄存器》
/*
* disable MMU stuff and caches
*/
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
bic r0, r0, #0x00002000 @ clear bits 13 (--V-)
bic r0, r0, #0x00000007 @ clear bits 2:0 (-CAM)
orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 1 (--A-) Align
orr r0, r0, #0x00000800 @ set bit 11 (Z---) BTB
#ifdef CONFIG_SYS_ICACHE_OFF
bic r0, r0, #0x00001000 @ clear bit 12 (I) I-cache
#else
orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-cache
#endif
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
@@ 通过上述的文章的介绍，我们可以知道cp15的c1寄存器就是MMU控制器
@@ 上述对MMU的一些位进行清零和置位，达到关闭MMU和cache的目的，具体的话去看一下上述文章吧。
ENDPROC(cpu_init_cp15)
//--------------------------------------------------------------------------
2.5 cpu_init_crit
cpu_init_crit，进行一些关键的初始化动作，也就是平台级(soc)和板级(board)的初始化。其代码核心就是lowlevel_init，如下
arch/arm/cpu/armv7/start.S
//--------------------------------------------------------------------------
ENTRY(cpu_init_crit)
/*
* Jump to board specific initialization...
* The Mask ROM will have already initialized
* basic memory. Go here to bump up clock rate and handle
* wake up conditions.
*/
b lowlevel_init @ go setup pll,mux,memory
ENDPROC(cpu_init_crit)
//--------------------------------------------------------------------------所以说lowlevel_init就是这个函数的核心。lowlevel_init一般是由板级代码(board)自己实现的。但是对于某些平台来说，也可以使用通用的lowlevel_init，其定义在arch/arm/cpu/lowlevel_init.S中
以tiny210为例，在移植过程中，就需要在board/samsung/tiny210下，也就是板级目录下面创建lowlevel_init.S，在内部实现lowlevel_init。（其实只要实现了lowlevel_init了就好，没必要说在哪里是实现，但是通常规范都是创建了lowlevel_init.S来专门实现lowlevel_init函数）。
在lowlevel_init中，我们要实现如下：
* 检查一些复位状态
* 关闭看门狗
* 系统时钟的初始化
* 内存DDR初始化
* 串口初始化（可选）
* Nand flash的初始化
下面以tiny210的lowlevel_init为例（这里说明一下，当时移植tiny210的时候，是直接把kangear的这个lowlevel_init.S文件拿过来用的）
这部分代码和平台相关性很强，简单介绍一下即可
board/samsung/tiny210/lowlevel_init.S
//--------------------------------------------------------------------------
lowlevel_init:
push {lr}
/* check reset status */
ldr r0, =(ELFIN_CLOCK_POWER_BASE+RST_STAT_OFFSET)
ldr r1, [r0]
bic r1, r1, #0xfff6ffff
cmp r1, #0x10000
beq wakeup_reset_pre
cmp r1, #0x80000
beq wakeup_reset_from_didle
@@ 读取复位状态寄存器0xE010_a000的值，判断复位状态。
/* IO Retention release */
ldr r0, =(ELFIN_CLOCK_POWER_BASE + OTHERS_OFFSET)
ldr r1, [r0]
ldr r2, =IO_RET_REL
orr r1, r1, r2
str r1, [r0]
@@ 读取混合状态寄存器E010_e000的值，对其中的某些位进行置位，复位后需要对某些wakeup位置1，具体我也没搞懂。
/* Disable Watchdog */
ldr r0, =ELFIN_WATCHDOG_BASE /* 0xE2700000 */
mov r1, #0
str r1, [r0]
@@ 关闭看门狗
@@ 这里忽略掉一部分对外部SROM操作的代码
/* when we already run in ram, we don't need to relocate U-Boot.
* and actually, memory controller must be configured before U-Boot
* is running in ram.
*/
ldr r0, =0x00ffffff
bic r1, pc, r0 /* r0 <- current base addr of code */
ldr r2, _TEXT_BASE /* r1 <- original base addr in ram */
bic r2, r2, r0 /* r0 <- current base addr of code */
cmp r1, r2 /* compare r0, r1 */
beq 1f /* r0 == r1 then skip sdram init */
@@ 判断是否已经在SDRAM上运行了，如果是的话，就跳过以下两个对ddr初始化的步骤
@@ 判断方法如下：
@@ 1、获取当前pc指针的地址，屏蔽其低24bit，存放与r1中
@@ 2、获取_TEXT_BASE（CONFIG_SYS_TEXT_BASE）地址，也就是uboot代码段的链接地址，后续在uboot篇的时候会说明，并屏蔽其低24bit
@@ 3、如果相等的话，就跳过DDR初始化的部分
/* init system clock */
bl system_clock_init
@@ 初始化系统时钟，后续有时间再研究一下具体怎么配置的
/* Memory initialize */
bl mem_ctrl_asm_init
@@ 重点注意：在这里初始化DDR的！！！后续会写一篇文章说明一下s5pv210平台如何初始化DDR.
1:
/* for UART */
bl uart_asm_init
@@ 串口初始化，到这里串口会打印出一个'O'字符，后续通过写字符到UTXH_OFFSET寄存器中，就可以在串口上输出相应的字符。
bl tzpc_init
#if defined(CONFIG_NAND)
/* simple init for NAND */
bl nand_asm_init
@@ 简单地初始化一下NAND flash，有可能BL2的镜像是在nand flash上面的。
#endif
/* Print 'K' */
ldr r0, =ELFIN_UART_CONSOLE_BASE
ldr r1, =0x4b4b4b4b
str r1, [r0, #UTXH_OFFSET]
@@ 再串口上打印‘K’字符，表示lowlevel_init已经完成
pop {pc}
@@ 弹出PC指针，即返回。
//--------------------------------------------------------------------------
当串口中打印出‘OK’的字符的时候，说明lowlevel_init已经执行完成。
system_clock_init是初始化时钟的地方。 mem_ctrl_asm_init这个函数是初始化DDR的地方。后续应该有研究一下这两个函数。这里先有个印象。
2.6 _main
spl的main的主要目标是调用board_init_f进行先前的板级初始化动作，在tiny210中，主要设计为，加载BL2(uboot)到DDR上并且跳转到uboot(BL2)中。DDR在上述lowlevel_init中已经初始化好了。
由于board_init_f是以C语言的方式实现，所以需要先构造C语言环境。
arch/arm/lib/crt0.S
//--------------------------------------------------------------------------
ENTRY(_main)
/*
* Set up initial C runtime environment and call board_init_f(0).
*/
@ 注意看这里的注释，也说明了以下代码的主要目的是，初始化C运行环境，调用board_init_f。
ldr sp, =(CONFIG_SPL_STACK)
bic sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */
mov r0, sp
bl board_init_f_alloc_reserve
mov sp, r0
/* set up gd here, outside any C code */
mov r9, r0
bl board_init_f_init_reserve
mov r0, #0
bl board_init_f
ENDPROC(_main)
//--------------------------------------------------------------------------代码拆分如下：
（1）因为后面是C语言环境，首先是设置堆栈
//--------------------------------------------------------------------------
ldr sp, =(CONFIG_SPL_STACK)
@@ 设置堆栈为CONFIG_SPL_STACK
bic sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */
@@ 堆栈是8字节对齐，2^7bit=2^3byte=8byte
mov r0, sp
@@ 把堆栈地址存放到r0寄存器中
//--------------------------------------------------------------------------关于CONFIG_SPL_STACK，我们知道s5pv210的BL1(spl)是运行在IRAM的，并且IRAM的地址空间是0xD002_0000-0xD003_7FFF，IRAM前面的部分放的是BL1的代码部分，所以把IRAM最后的空间用来当作堆栈。
所以CONFIG_SPL_STACK定义如下：
include/configs/tiny210.h
//--------------------------------------------------------------------------
#define CONFIG_SPL_STACK 0xD0037FFF
//--------------------------------------------------------------------------
注意：上述还不是最终的堆栈地址，只是暂时的堆栈地址！！！
（2）为GD分配空间
//--------------------------------------------------------------------------
bl board_init_f_alloc_reserve
@@ 把堆栈的前面一部分空间分配给GD使用
mov sp, r0
@@ 重新设置堆栈指针SP
/* set up gd here, outside any C code */
mov r9, r0
@@ 保存GD的地址到r9寄存器中
//--------------------------------------------------------------------------注意：虽然sp的地址和GD的地址是一样的，但是堆栈是向下增长的，而GD则是占用该地址后面的部分，所以不会有冲突的问题。
关于GD，也就是struct global_data，可以简单的理解为uboot的全局变量都放在了这里，比较重要，所以后续有会写篇文章说明一下global_data。这里只需要知道在开始C语言环境的时候需要先为这个结构体分配空间。
board_init_f_alloc_reserve实现如下
common/init/board_init.c
//--------------------------------------------------------------------------
ulong board_init_f_alloc_reserve(ulong top)
{
/* Reserve early malloc arena */
/* LAST : reserve GD (rounded up to a multiple of 16 bytes) */
top = rounddown(top-sizeof(struct global_data), 16);
// 现将top（也就是r0寄存器，前面说过存放了暂时的指针地址），减去sizeof(struct global_data)，也就是预留出一部分空间给sizeof(struct global_data)使用。
// rounddown表示向下16个字节对其
return top;
// 到这里，top就存放了GD的地址，也是SP的地址
//把top返回，注意，返回后，其实还是存放在了r0寄存器中。
}
//--------------------------------------------------------------------------
还有一点，其实GD在spl中没什么使用，主要是用在uboot中，但在uboot中的时候还需要另外分配空间，在讲述uboot流程的时候会说明。
（3）初始化GD空间
前面说了，此时r0寄存器存放了GD的地址。
//--------------------------------------------------------------------------
bl board_init_f_init_reserve
//--------------------------------------------------------------------------board_init_f_init_reserve实现如下
common/init/board_init.c
编译SPL的时候_USE_MEMCPY宏没有打开，所以我们去掉了_USE_MEMCPY的无关部分。
//--------------------------------------------------------------------------
void board_init_f_init_reserve(ulong base)
{
struct global_data *gd_ptr;
int *ptr;
/*
* clear GD entirely and set it up.
* Use gd_ptr, as gd may not be properly set yet.
*/
gd_ptr = (struct global_data *)base;
// 从r0获取GD的地址
/* zero the area */
for (ptr = (int *)gd_ptr; ptr < (int *)(gd_ptr + 1); )
*ptr++ = 0;
// 对GD的空间进行清零
}
//--------------------------------------------------------------------------
（4）跳转到板级前期的初始化函数中
如下代码
//--------------------------------------------------------------------------
bl board_init_f
//--------------------------------------------------------------------------board_init_f需要由板级代码自己实现。
在这个函数中，tiny210主要是实现了从SD卡上加载了BL2(uboot)到ddr上，然后跳转到BL2的相应位置上
tiny210的实现如下：
board/samsung/tiny210/board.c
//--------------------------------------------------------------------------
#ifdef CONFIG_SPL_BUILD
void board_init_f(ulong bootflag)
{
__attribute__((noreturn)) void (*uboot)(void);
int val;
#define DDR_TEST_ADDR 0x30000000
#define DDR_TEST_CODE 0xaa
tiny210_early_debug(0x1);
writel(DDR_TEST_CODE, DDR_TEST_ADDR);
val = readl(DDR_TEST_ADDR);
if(val == DDR_TEST_CODE)
tiny210_early_debug(0x3);
else
{
tiny210_early_debug(0x2);
while(1);
}
// 先测试DDR是否完成
copy_bl2_to_ddr();
// 加载BL2的代码到ddr上
uboot = (void *)CONFIG_SYS_TEXT_BASE;
// uboot函数设置为BL2的加载地址上
(*uboot)();
// 调用uboot函数，也就跳转到BL2的代码中
}
#endif
//--------------------------------------------------------------------------
到此，SPL的任务就完成了，也已经跳到了BL2，也就是uboot里面去了。