linux-uboot 移植一 uboot启动加载过程

概述

Linux系统启动之前还需要一段程序来进行引导工作，比如先初始化DDR内存等外设，然后将内核从外部的flash（nandflash、SD、EMMC等）中拷贝到DDR中，最后启动内核。这段程序就是BootLoader，它功能就是用于引导操作系统，类似于bios和windows的关系。UBOOT就是一款开源的BootLoader程序，可用于引导多种操作系统，并且支持多种体系结构（ARM、MIPCS、PPC、X86等），因此收到广泛的应用。
uboot 的全称是 Universal Boot Loader， uboot 是一个遵循 GPL 协议的开源软件， uboot 是一个裸机代码。

Uboot官方会定期发布各种版本。半导体厂商通常会较为关注这个事情，因为这个版本对于board的支持并不全面。不同的board需要在官方的版本上做一些修改，而这个修改工作通常由半导体厂商来做，比较自己对于自家的产品还是最清楚的，因此半导体厂商通常会选择一个官方的版本，然后再上边适配自家厂商的各种board。通常对于用户来说首选的也是去相应半导体厂商的官网上下载对应boarad的uboot来做一些定制化开发。

1、uboot 重点文件

1.1 arch文件夹

arch文件夹中存在于架构相关的代码，如下：

如上图，里边都是些架构相关的，如arm、mips、ppc等，本文主要是在armv7平台上演示，因此我们只关心arm即可，打开arm文件夹，如下：

cpu文件是arm的核心，进入cpu文件中有个u-boot.lds，就是uboot的链接脚本，是我们重点关注的东西。
dts是uboot的设备树文件，这里由各厂商自行维护，并不是所有的厂商都使用设备树来做驱动开发。
mach开头的文件是用于支持一些其他的machine的，本文中是用imx6ul，因此关注imx-common文件夹即可。

1.2 board文件夹

board 文件夹就是和具体的板子有关的，打开此文件夹，里面全是不同的板子，如下：

找到我们的主要关注的freescale（imx属于此公司），里边又分了很多freescale公司的各种信号的cpu及开发板型号。我们的移植主要是找到一块官方相近的板子，在此基础上来修改，此文件也是移植时需要修改的文件。

1.3 configs文件夹

此文件夹为 uboot 配置文件， uboot 是可配置的，通常是选择一个官网的文件，再次基础上进行修改。配置文件统一命名为“xxx_defconfig”， xxx 表示开发板名字，这些 defconfig 文件都存放在 configs
文件夹，如下：

mx6ull_alientek_emmc_defconfig就是根据官网的版本修改而来的。通常在编译uboot之前需要先进行配置，执行make mx6ull_14x14_ddr512_emmc_defconfig，即使用configs文件夹下的x6ull_alientek_emmc_defconfig配置文件进行配置，配置完成会生成**.config文件**。

1.4 Makefile文件

这个是顶层 Makefile 文件， Makefile 是支持嵌套的，也就是顶层 Makefile 可以调用子目录
中的 Makefile 文件。

1.5 u-boot.xxx 文件

u-boot.xxx 同样也是一系列文件，包括 u-boot、 u-boot.bin、 u-boot.cfg、 u-boot.imx、 u-boot.lds、
u-boot.map、 u-boot.srec、 u-boot.sym等。

• uboot：编译出来的 ELF 格式的 uboot 镜像文件
• uboot.bin：编译出来的二进制格式的 uboot 可执行镜像文件
• uboot.cfg：uboot 的另外一种配置文件
• u-boot.imx： u-boot.bin 添加头部信息以后的文件， NXP 的 CPU 专用文件
• u-boot.lds：链接脚本（如果没有编译过 uboot 的话链接脚本为 arch/arm/cpu/u-boot.lds。但是这个不是最终使用的链接脚本，最终的链接脚本是在这个链接脚本的基础上生成的。编译一下 uboot，编译完成以后就会在 uboot 根目录下生成 u-boot.lds文件）
• u-boot.map： uboot 映射文件，通过查看此文件可以知道某个函数被链接到了哪个地址上
• u-boot-nodtb.bin：和 u-boot.bin 一样， u-boot.bin 就是 u-boot-nodtb.bin 的复制文件

1.6 .config文件

uboot 配置文件， 使用命令“make xxx_defconfig”配置 uboot 以后就会自动生成

可以看出.config 文件中都是以“CONFIG_”开始的配置项，这些配置项就是 Makefile 中的变量，因此后面都跟有相应的值， uboot 的顶层 Makefile 或子 Makefile 会调用这些变量值。
在.config 中会有大量的变量值为‘y’，这些为‘y’的变量一般用于控制某项功能是否使能，为‘y’的话就表示功能使能。

2、uboot启动流程分析

2.1 链接脚本

要分析 uboot 的启动流程，首先要找到“入口”，找到第一行程序在哪里。程序的链接是由链接脚本来决定的，所以通过链接脚本可以找到程序的入口，打开链接脚本如下：


注：uboot是通过链接参数 -e 来指定链接起始地址的，makefile中CONFIG_SYS_TEXT_BASE这个宏来设置了链接起始地址，而这个宏是在include/config.h中定义的，如下图：

可以看出这个config.h是生成的，是在进行make xxx_defconfig时生成的，根据当前的配置来生成的，config.h头文件又包含了#include —>#include "mx6_common.h"这个宏的最终未知就在这个mx6_common.h中， 如下

如上图，最终这个链接起始地址就是0x87800000。
链接地址：也叫运行地址，程序定位的绝对地址，在编译连接时确定的地址，与位置相关的代码要放在对应的运行地址上。通常会把代码搬到链接地址上运行，以满足相对地址寻址的需求，保证程序的正确运行。

第三行定义了入口函数_start，此函数在arch/arm/lib/Vector.S中，如下：

可以看到start进来就是异常向量表。

2.2 启动流程-从reset开始

上节可以看到进入到start后，首先进入到复位函数reset，此函数在在 arch/arm/cpu/armv7/start.S，如下

进入到reset后，跳转到save_boot_params函数，而save_boot_params函数只有一句，就是跳转到save_boot_params_ret函数，为毛这么设计，恕在下愚钝，此函数也在上图中，此函数就做了2件事，首先是在非HYP模式的情况下，将模式设置到SVC模式，然后关闭FIQ和IRQ中断。

然后reset继续运行：

首先读取 CP15 中 c1 寄存器的值到 r0 寄存器中，就是SCTLR系统控制寄存器的值，CR_V定义在arch/arm/include/asm/system.h中，#define CR_V (1 << 13) /* Vectors relocated to 0xffff0000 */，将重定位向量表控制位设置为0，则可以重新定位中断向量表位置，然后更新SCTLR寄存器并将_start的地址设置为中断向量表的起始地址。

然后继续看代码：

首先跳转到cpu_init_cp15，看名字应该是初始化CP15，这个函数较长，这里就不展开了，就是主要做了关闭MMU和CACHE的操作。
然后跳转到cpu_init_crit，如下：

那么接下来就主要重点看看lowlevel_init和main。

2.2.1 lowlevel_init

函数 lowlevel_init 在文件 arch/arm/cpu/armv7/lowlevel_init.S 中定义，如下


首先初始化SP堆栈指针，然后8字节对齐。接着压栈GD_SIZE字节（generic-asm-offsets.h中定义sizeof(struct global_data)，为248），然后再对齐，并将sp存到R9寄存器。后边要进行函数调用了，因此先保存lr寄存器，然后调用s_init函数，最后恢复lr。
global_data是个管理uboot的关键数据结构，定义如下

2.2.2 s_init

s_init 函数定义在文件arch/arm/cpu/armv7/mx6/soc.c 中（由于上一步已经初始化完了sp指针，内存初始化是在bootrom内已完成的，因此可以调用c函数了），如下


如图，cpu类型如果为imx6u则直接退出，因此此函数什么也没做直接返回了。

2.3 main - 第一部分

_main 函数定义在文件 arch/arm/lib/crt0.S 中，如下

设置SP指针值并8字节对齐，然后存储到r0寄存器中，然后调用board_init_f_alloc_reserve函数。V7M是cortex-M系列的，不用考虑。

2.3.1 board_init_f_alloc_reserve

此函数定义在文件 common/init/board_init.c 中，如下

top中是上边存储的sp指针的值，主要是留出早期的 malloc 内存区域和 gd 内存区域。

2.3.2 board_init_f_init_reserve

此函数也在common/init/board_init.c 中，如下

此函数用于初始化 gd，其实就是清零处理，同时此函数还设置了gd->malloc_base的值，也就是early malloc 的起始地址。

2.3.3 board_init_f

此函数定义在common/boardf_f.c中，如下

由于没有定义CONFIG_SYS_GENERIC_GLOBAL_DATA宏，因此此函数重点就是1059行，从名字可以看出来应该是个运行初始化序列，其实就是运行init_sequence_f序列内的一些列初始化函数

2.3.3.1 init_sequence_f 序列

由于此序列较长，里边包含个所有平台，因此阅读起来不太方便，取消掉不必关心的东西后，如下（正点原子整理）

• 第2行setup_mon_len：就一行代码gd->mon_len = (ulong)&__bss_end - (ulong)_start，设置了gd->mon_len的值，就是整个代码段的长度
• 第3行initf_malloc：主要代码也只有一行gd->malloc_limit = CONFIG_SYS_MALLOC_F_LEN，设置了gd->malloc_limit的值0x400，即内存池的大小
• 第4行initf_console_record：预编译宏未定义，返回0
• 第5行arch_cpu_init：init_aips（初始化Arm IP bus）->clear_mmdc_ch_mask（清除MMDC_CHx_MASK，以使热复位能工作）->init_bandgap->imx_set_wdog_powerdown（关闭看门狗）->init_src（System Reset Controller，热复位使能） 此函数主要是初始化一些cpu自身强相关的东西
• 第6行initf_dm：driver-module的一些初始化
• 第7行arch_cpu_init_dm：未实现
• 第8行mark_bootstage：记录board_init_f() bootstage
• 第9行board_early_init_f：板子相关的早期的一些初始化设置，IMX6ULL用来初始化串口的IO配置
• 第10行timer_init：初始化定时器， Cortex-A7 内核有一个定时器，这里初始化的就是 CortexA 内核的那个定时器。通过这个定时器来为 uboot 提供时间。就跟 Cortex-M 内核 Systick 定时器一样
• 第11行board_postclk_init：此处是Set VDDSOC to 1.175V
• 第12行get_clocks：获取一些时钟值，此处是初始化gd->arch.sdhc_clk，即SD卡外设时钟
• 第13行env_init：和环境变量有关，设置 gd->env_addr，也就是环境变量的保存地址
• 第14行init_baud_rate：初始化波特率，根据环境变量 baudrate 来初始化 gd->baudrate
• 第15行serial_init：初始化串口并设置gd->flags |= GD_FLG_SERIAL_READY
• 第16行console_init_f：设置 gd->have_console 为 1，表示有个控制台，此函数也将前面暂存在缓冲区中的数据通过控制台打印出来
• 第17行display_options：通过串口打印信息UBOOT第一行，如下
• 第18行display_text_info：若使能了debug模式，则会输出text_base、 bss_start、 bss_end信息
• 第19行print_cpuinfo：输出CPU的信息和复位原因，如下
  
• 第20行show_board_info：用于打印板子信息，会调用 checkboard 函数，如下
• 第21行INIT_FUNC_WATCHDOG_INIT：初始化看门狗，对于 I.MX6ULL 来说是空函数
• 第22行INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET：复位看门狗，对于 I.MX6ULL 来说是空函数
• 第23行init_func_i2c：初始化 I2C，初始化完成后会打印如下信息
• 第24行announce_dram_init：就是输出字符串“DRAM”，见上图
• 第26行dram_init：并非真正的初始化 DDR，只是设置 gd->ram_size 的值（本例程512M）
• 第27行post_init_f：此函数用来完成一些测试，初始化 gd->post_init_f_time
• 第28行INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET：复位看门狗，对于 I.MX6ULL 来说是空函数
• 第29行testdram：测试 DRAM，空函数
• 第30、31行INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET：复位看门狗，对于I.MX6ULL来说是空函数
• 第44行setup_dest_addr：设置目的地址，设置gd->ram_size= 0X20000000， gd->ram_top=0XA0000000， gd->relocaddr=0XA0000000这三个的值
• 第45行reserve_round_4k：对 gd->relocaddr 做 4KB 对 齐
• 第46行reserve_mmu：留出 MMU 的 TLB 表的位置，分配 MMU 的 TLB 表内存以后会
  对 gd->relocaddr 做 64K 字节对齐。完成以后 gd->arch.tlb_size=0X4000、 gd->arch.tlb_addr=0X9FFF0000和 gd->relocaddr=0X9FFF0000
• 第47行reserve_trace：留出跟踪调试的内存， I.MX6ULL 没有用到
• 第48行reserve_uboot：留出重定位后的 uboot 所占用的内存区域， uboot 所占用大小由gd->mon_len=0XA8EF4 所指定，留出 uboot 的空间以后还要对 gd->relocaddr=0X9FF47000做 4K 字节对齐，并且重新设置 gd->start_addr_sp=0X9FF47000
• 第49行reserve_malloc：留出 malloc 区域，调整 gd->start_addr_sp 位置， malloc 区域由宏TOTAL_MALLOC_LEN 定义，调整后 gd->start_addr_sp=0X9EF45000
• 第50行reserve_board：留出板子 bd 所占的内存区， bd 是结构体 bd_t， bd_t 大小为80 字节，调整完后gd->start_addr_sp=0X9EF44FB0，gd->bd=0X9EF44FB0
• 第51行setup_machine：设置机器 ID， linux 启动的时候会和这个机器 ID 匹配，如果匹配的话 linux 就会启动正常。但是！！ I.MX6ULL 不用这种方式了，这是以前老版本的 uboot 和linux用的，新版本使用设备树了，因此此函数无效
• 第52行reserve_global_data：保留出 gd_t 的内存区域， gd_t 结构体大小为 248B，调整后gd->start_addr_sp=0X9EF44EB8，gd->new_gd=0X9EF44EB8
• 第54行reserve_fdt：留出设备树相关的内存区域， I.MX6ULL 的 uboot 没有用到，因此此函数无效
• 第54行reserve_arch：空函数
• 第55行reserve_stacks：留出栈空间，先对 gd->start_addr_sp 减去 16，然后做 16 字节对齐。gd->start_addr_sp=0X9EF44E90
• 第56行setup_dram_config：setup_dram_config 函数设置 dram 信息，就是设置 gd->bd->bi_dram[0].start=0X80000000 和gd->bd->bi_dram[0].size=0X20000000，后面会传递给 linux 内核，告诉 linux DRAM 的起始地址和大小
• 第57行show_dram_config：用于显示 DRAM 的配置，如下
• 第58行display_new_sp：显示新的 sp 位置，也就是 gd->start_addr_sp，不过要定义宏 DEBUG
• 第59行INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET：复位看门狗，对于 I.MX6ULL 来说是空函数
• 第60行reloc_fdt：用于重定位 fdt，imx6ull在uboot中未使用设备树，因此为空
• 第61行setup_reloc：设置 gd 的其他一些成员变量，供后面重定位的时候使用，并且将以前的 gd 拷贝到 gd->new_gd 处。需要使能 DEBUG 才能看到相应的信息输出
• END

2.4 main - 第二部分

继续接着2.3中的mian函数往下看，如下图

• 103~109：重新初始化sp指针的值，sp=gd->start_addr_sp=0X9EF44E90。 0X9EF44E90 是 DDR 中的地址，说明新的 sp 和 gd 将会存放到 DDR 中，而不是内部的 RAM 了，然后8字节对齐。
• 111~114：获取 gd->bd 的地址赋给 r9，新的 gd 在 bd 下面，所以 r9 减去 gd 的大小就是新的 gd 的位置，获取到新的 gd的位置以后赋值给 r9，然后设置 lr 寄存器为 here，这样后面执行其他函数返回的时候就返回到了第 122 行的 here 位置处。
• 115~116：读取 gd->reloc_off 的值复制给 r0 寄存器。lr 寄存器的值加上 r0 寄存器的值，重新赋值给 lr 寄存器。因为接下来要重定位代码，也就是把代码拷贝到新的地方去(现在的 uboot 存放的起始地址为 0X87800000，下面要将 uboot 拷贝到 DDR 最后面的地址空间出，将 0X87800000 开始的内存空出来)，其中就包括here，因此 lr 中的 here 要使用重定位后的位置
• 120~121：读取 gd->relocaddr 的值赋给 r0 寄存器，此时 r0 寄存器就保存着 uboot 要拷贝的目的地址，为 0X9FF47000，然后跳转到relocate_code进行重定位代码

2.4.1 relocate_code 重定位

此函数负责将 uboot 拷贝到新的地方去，此函数定义在文件 arch/arm/lib/relocate.S，如下

• 80：r1=__image_copy_start，也就是 r1 寄存器保存源地址，即0x87800000
• 81：r4=r0-r1=0X9FF47000-0x87800000=0X18747000，即偏移量
• 82：如果为0，则源地址和目的地址是一样的，那肯定就不需要拷贝了！执行 relocate_done 函数
• 83：r2=__image_copy_end，r2 中保存拷贝之前的结束地址，即0x8785dd54
• 85~89：执行数据cp，并比较是否cp完成，未完成则循环
• 94~95：重定位.rel.dyn 段， .rel.dyn 段是存放.text 段中需要重定位地址的集合，r2保存起始地址，r3保存中止地址
• 96~109：执行重定位段的重定位。重定位就是 uboot 将自身拷贝到 DRAM 的另一个地放去继续运行(DRAM 的高地址处)。我们知道，一个可执行的 bin 文件，其链接地址和运行地址要相等，也就是链接到哪个地址，在运行之前就要拷贝到哪个地址去。后边细讲，此处较为难理解。
• 111~130：完成重定位后，返回到lr，即上节提到的here，然后跳转到了relocate_vectors

这里重定位的是__image_copy_start~__image_copy_end，从链接脚本可以看到这个地址范围内不只是text段，还包含了data段和rodata段。

重定位细节：
从上述可知，重定位主要工作分两步：1、把image搬到相应的重定位地址上 2、重定位符号
首先内存数据搬运大家都懂，那为什么要重定位符号呢？我们一起来研究研究
uboot中函数跳转都是用的b和bl，而这两个跳转指令是相对地址跳转，与链接位置无关，是基于当前pc+offset来跳转的，因此代码重定位后，函数调用还是能够正确的找到位置去调用的。
而code中的数据访问确实采用的绝对地址，搬运之后，访问数据的地址也必须得进行修正，负责无法获取到正确的数据，在uboot中链接时指定了-pie参数，这个参数会生成位置无关代码，会生成一个.rel.dyn 段，rel.dyn 段是存放.text 段中需要重定位地址的集合，uboot 就是靠这个.rel.dyn 来解决data段的重定位问题。主要思想就是在代码里使用的全局变量用重定位rel.dyn段里边，而在rel.dyn段里存储一个标记，检测到标记的话，表示地址需要重定位，给原地址加上一个偏移就能得到新的位置。而这个标记的值就是上文代码中的23（0x17）。具体细节其他博客有更详细的介绍，此处就不展开描述了。

2.4.2 relocate_vectors 重定位向量表

函数 relocate_vectors 用于重定位向量表，此函数定义在文件也在relocate.S 中，如下

• 38：如果定义了 CONFIG_HAS_VBAR 的话就执行此语句，这个是向量表偏移， CortexA7 是支持向量表偏移的。而且，在.config里定义了 CONFIG_HAS_VBAR，因此会执行这个分支
• 43：r0=gd->relocaddr，也就是重定位后 uboot 的首地址，向量表肯定是从这个地址开始存放的
• 44：将 r0 的值写入到 CP15 的 VBAR 寄存器中，也就是将新的向量表首地址写入到寄存器 VBAR 中，设置向量表偏移
• 63：返回

2.5 main - 第三部分

继续接着2.4中的mian函数往下看，如下图

• 131：调用c_runtime_cpu_setup，此函数定义在文件 arch/arm/cpu/armv7/start.S 中，如下就是关闭I-CACHE
• 141~159：就是清空bss段，全部设置为0
• 167~168：设置r0=gd，设置r1=gd->relocaddr
• 174：调用board_init_r，not return!

2.5.1 board_init_r

在之前的的2.3.3中介绍了board_init_f 函数，在此函数里面会调用一系列的函数来初始化一些外设和gd的成员变量。但是 board_init_f 并没有初始化所有外设，还需要做一些后续工作这些后续工作就是由函数 board_init_r 来完成的，board_init_r 函数定义在common/board_r.c中，代码如下

跟board_init_f类型，主要是运行init_sequence_r序列，也定义在文件 common/board_r.c 中

2.5.1.1 init_sequence_r 序列

由于 init_sequence_f 的内容比较长，里面有大量的条件编译代码，这里为了缩小篇幅，将条件编译部分删除掉了，去掉条件编译以后的 init_sequence_r 定义如下：

• 第2行initr_trace：如果定义了宏 CONFIG_TRACE 的话就会调用函数 trace_init，初始化和调试跟踪有关的内容
• 第3行initr_reloc：设置 gd->flags，标记重定位完成
• 第4行initr_caches：初始化 cache，使能 cache
• 第5行initr_reloc_global_data：初始化重定位后 gd 的一些成员变量
• 第6行initr_barrier：arm未使用
• 第7行initr_malloc：初始化 malloc
• 第8行initr_console_record：初始化控制台相关的内容， I.MX6ULL 未用到，空函数
• 第9行bootstage_relocate：启动状态重定位
• 第10行initr_bootstage：初始化 bootstage，一些mark信息
• 第11行board_init：板级初始化，包括 74XX 芯片， I2C、 FEC、 USB 和 QSPI 等
• 第12行stdio_init_tables：stdio 相关初始化
• 第13行initr_serial：初始化串口
• 第14行initr_announce：与调试有关，通知已经在 RAM 中运行
• 第15~17行：空函数
• 第18行power_init_board：初始化电源芯片
• 第19行initr_flash：函数无效
• 第20行：无效
• 第21行initr_nand：初始化nand，本例使用emmc，因此无效
• 第22行initr_mmc：初始化 EMMC，如果使用 EMMC 版本核心板的话就会初始化EMMC，串口输出以下信息：
• 第23行initr_env：初始化环境变量
• 第24行：无效
• 第25行initr_secondary_cpu：初始化其他CPU核， I.MX6ULL 只有一个核，因此此函数没用
• 第26行：无效
• 第27行stdio_add_devices：各种输入输出设备的初始化，如 LCD driver
• 第28行initr_jumptable：初始化跳转表，即gd->jt = malloc(sizeof(struct jt_funcs))
• 第29行console_init_r：控制台初始化，初始化完成以后此函数会调用stdio_print_current_devices 函数来打印出当前的控制台设备，如下
  
• 第30行：无效
• 第31行interrupt_init：初始化中断
• 第32行initr_enable_interrupts：使能中断
• 第33行initr_ethaddr：初始化网络地址，也就是获取 MAC 地址。读取环境变量“ethaddr”的值
• 第34行board_late_init：板子后续初始化，如果环境变量存储在 EMMC 或者 SD 卡中的话此函数会调用 board_late_mmc_env_init 函数初始化 EMMC/SD。会切换到正在时候用的 emmc 设备，打印如下信息：
• 第35~37行：无效
• 第38行initr_net：初始化网络设备 ，函数调用顺序为initr_net->eth_initialize->board_eth_init()， 串口输出如下信息
  
• 第39行：无效
• 第40行run_main_loop：
  至此，uboot进入到主循环，具体内容下一章解析