uboot代码简要分析

本次移植使用的是U-boot-2009.11
   
先来看看源码目录结构,再按照代码的执行顺序简单地分析源码

1.U-boot源码整体框架

源码解压以后,我们可以看到以下的文件和文件夹:

 cpu

与处理器相关的文件。每个子目录中都包括cpu.cinterrupt.cstart.Su-boot.lds

cpu.c初始化CPU、设置指令Cache和数据Cache

interrupt.c设置系统的各种中断和异常

start.SU-boot启动时执行的第一个文件,它主要做最早其的系统初始化,代码重定向和设置系统堆栈,为进入U-boot第二阶段的C程序奠定基础

u-boot.lds链接脚本文件,对于代码的最后组装非常重要

 board

已经支持的所有开发板相关文件,其中包含SDRAM初始化代码、Flash底层驱动、板级初始化文件

其中的config.mk文件定义了TEXT_BASE,也就是代码在内存的其实地址,非常重要。

 common

与处理器体系结构无关的通用代码,U-boot的命令解析代码/common/command.c、所有命令的上层代码cmd_*.cU-boot环境变量处理代码env_*.c、等都位于该目录下

drivers

包含几乎所有外围芯片的驱动,网卡USB、串口、LCDNand Flash等等

disk

fs

net

支持的CPU无关的重要子系统:

磁盘驱动的分区处理代码

文件系统:FATJFFS2EXT2

网络协议:NFSTFTPRARPDHCP等等

include

头文件,包括各CPU的寄存器定义,文件系统、网络等等

configs子目录下的文件是与目标板相关的配置头文件

doc

U-Boot的说明文档,在修改配置文件的时候可能用得上

lib_arm

处理器体系相关的初始化文件

比较重要的是其中的board.c文件,几乎是U-boot的所有架构第二阶段代码入口函数和相关初始化函数存放的地方。

lib_avr32

lib_blackfin

lib_generic

lib_i386

lib_m68k

lib_microblaze

lib_mips lib_nios

lib_nios2

lib_ppc

lib_sh

lib_sparc

 api

examples

外部扩展应用程序的API和范例

nand_spl

onenand_ipl

post

一些特殊构架需要的启动代码和上电自检程序代码

libfdt

支持平坦设备树(flattened device trees)的库文件

tools

编译S-RecordU-Boot映像等相关工具,制作bootm引导的内核映像文件工具mkimage源码就在此

Makefile

MAKEALL

config.mk

rules.mk

mkconfig

控制整个编译过程的主Makefile文件和规则文件

CHANGELOG

CHANGELOG-before-U-Boot-1.1.5

COPYING

CREDITS

MAINTAINERS

README

一些介绍性的文档、版权说明

     

标为红色的是移植时比较重要的文件或文件夹。

2. U-boot代码的大致执行流程(以S3C24x0为例)

从链接脚本文件u-boot.lds中可以找到代码的起始:

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

OUTPUT_ARCH(arm)

ENTRY(_start)

SECTIONS

{

      . = 0x00000000;

 

      . = ALIGN(4);

      .text :

      {

             cpu/arm920t/start.o      (.text)

             *(.text)

      }

…...

从中知道程序的入口点是_start,定位于cpu/arm920t /start.S(即u-boot启动的第一阶段)。
下面我们来仔细分析一下 start.S。(请对照数据手册阅读源码):

#include <common.h>

#include <config.h>

 

/*

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

 *

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

 *

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

 */

 

 

.globl _start

_start:       b       start_code

        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

 

_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

 

 

/*

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

 *

 * Startup Code (called from the ARM reset exception vector)

 *

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

 * relocate armboot to ram

 * setup stack

 * jump to second stage

 *

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

 */

 

_TEXT_BASE:

        .word         TEXT_BASE

 

.globl _armboot_start

_armboot_start:

        .word _start

 

/*

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

 */

.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

 

 

/*

 * the actual start code

 */

 

start_code:

        /*

         * set the cpu to SVC32 mode

         */

        mrs   r0, cpsr

        bic    r0, r0, #0x1f

        orr    r0, r0, #0xd3

        msr   cpsr, r0

 

        bl      coloured_LED_init

        bl      red_LED_on

 

#if    defined(CONFIG_AT91RM9200DK) || defined(CONFIG_AT91RM9200EK)

        /*

         * relocate exception table

         */

        ldr     r0, =_start

        ldr     r1, =0x0

        mov  r2, #16

copyex:

        subs r2, r2, #1

        ldr     r3, [r0], #4

        str     r3, [r1], #4

        bne   copyex

#endif

 

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

        /* turn off the watchdog */

 

# if defined(CONFIG_S3C2400)

# define pWTCON    0x15300000

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

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

#else

# define pWTCON    0x53000000

# define INTMSK       0x4A000008       /* Interupt-Controller base addresses */

# define INTSUBMSK         0x4A00001C

# define CLKDIVN     0x4C000014       /* clock divisor register */

# endif

 

        ldr     r0, =pWTCON

        mov  r1, #0x0

        str     r1, [r0]

 

        /*

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

         */

        mov  r1, #0xffffffff

        ldr     r0, =INTMSK

        str     r1, [r0]

# if defined(CONFIG_S3C2410)

        ldr     r1, =0x3ff

        ldr     r0, =INTSUBMSK

        str     r1, [r0]

# endif

 

        /* 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 */

 

        /*

         * we do sys-critical inits only at reboot,

         * not when booting from ram!

         */

#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT

        bl      cpu_init_crit

#endif

 

#ifndef CONFIG_SKIP_RELOCATE_UBOOT

relocate:                               /* relocate U-Boot to RAM       */

        adr    r0, _start             /* r0 <- current position of code   */

        ldr     r1, _TEXT_BASE                  /* test if we run from flash or RAM */

        cmp  r0, r1                   /* don't reloc during debug         */

        beq   stack_setup

 

        ldr     r2, _armboot_start

        ldr     r3, _bss_start

        sub   r2, r3, r2              /* r2 <- size of armboot            */

        add   r2, r0, r2              /* r2 <- source end address         */

 

copy_loop:

        ldmia         r0!, {r3-r10}                 /* copy from source address [r0]    */

        stmia          r1!, {r3-r10}                 /* copy to   target address [r1]    */

        cmp  r0, r2                   /* until source end addreee [r2]    */

        ble    copy_loop

#endif       /* CONFIG_SKIP_RELOCATE_UBOOT */

 

        /* Set up the stack                                                         */

stack_setup:

        ldr     r0, _TEXT_BASE         /* upper 128 KiB: relocated uboot   */

        sub   r0, r0, #CONFIG_SYS_MALLOC_LEN  /* malloc area              */

        sub   r0, r0, #CONFIG_SYS_GBL_DATA_SIZE /* bdinfo                */

#ifdef CONFIG_USE_IRQ

        sub   r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)

#endif

        sub   sp, r0, #12          /* leave 3 words for abort-stack   */

 

clear_bss:

        ldr     r0, _bss_start               /* find start of bss segment        */

        ldr     r1, _bss_end               /* stop here                        */

        mov  r2, #0x00000000          /* clear                            */

 

clbss_l:str r2, [r0]                 /* clear loop...                   */

        add   r0, r0, #4

        cmp  r0, r1

        ble    clbss_l

 

        ldr     pc, _start_armboot

 

_start_armboot: .word start_armboot

 

 

 

/*

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

 *

 * CPU_init_critical registers

 *

 * setup important registers

 * setup memory timing

 *

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

 */

 

 

#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT

cpu_init_crit:

        /*

         * flush v4 I/D caches

         */

        mov  r0, #0

        mcr   p15, 0, r0, c7, c7, 0      /* flush v3/v4 cache */

        mcr   p15, 0, r0, c8, c7, 0      /* flush v4 TLB */

 

        /*

         * disable MMU stuff and caches

         */

        mrc   p15, 0, r0, c1, c0, 0

        bic    r0, r0, #0x00002300     @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS)

        bic    r0, r0, #0x00000087     @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM)

        orr    r0, r0, #0x00000002     @ set bit 2 (A) Align

        orr    r0, r0, #0x00001000     @ set bit 12 (I) I-Cache

        mcr   p15, 0, r0, c1, c0, 0

 

        /*

         * before relocating, we have to setup RAM timing

         * because memory timing is board-dependend, you will

         * find a lowlevel_init.S in your board directory.

         */

        mov  ip, lr

 

        bl      lowlevel_init

 

        mov  lr, ip

        mov  pc, lr

#endif /* CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT */

…...

//位于\include目录下是一个包含其他头文件的头文件

//位于\include\linux目录下

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u-boot的主入口,跳入了后面的start_code

 

这些是跳转向量表,和芯片的体系结构有关

 

 ldr语句的意思是将第二个操作数(如:_undefined_instruction)指向的地址数据传给PC

 

.word为定义一个4字节的空间

undefined_instruction为地址, 即后面标号所对的偏移地址数据

 

 

 

16字节对齐,并以0xdeadbeef填充,它是个Magic number

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

这些和上面的一样,定义一个4字节的空间存放地址

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

代码从这里开始执行!!

 

 

 

让系统进入SVC(管理员模式)

 

 

 

这些都是为AT91RM9200写的

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

系统时钟的寄存器地址定义

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

关闭看门狗

 

 

 

 

关闭所有中断

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

设置时钟的分频比

 

 

 

 

 

跳入cpu_init_crit,这是一个系统初始化函数,他还会调用board/*/lowlevel_init.S中的lowlevel_init函数。

主要是对系统总线的初始化,初始化了连接存储器的位宽、速度、刷新率等重要参数。经过这个函数的正确初始化,Nor FlashSDRAM才可以被系统使用。下面的代码重定向就依赖它。

代码重定向,它首先检测自己是否已经在内存中:

如果是直接跳到下面的堆栈初始化代码 stack_setup

如果不是就将自己从Nor Flash中拷贝到内存中

 

 

 

自拷贝循环

 

请注意看英文注释

 

 

 

 

 

 

堆栈初始化代码(为第二阶段的C语言做准备)

 

 

 

 

 

BSS段清零(为第二阶段的C语言做准备)

BSS段(bss segment)通常是用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称。BSS段属于静态内存分配。在编译时,编译器已经为他们分配好了空间,只不过他们的值为0,为了节省空间,在binELF文件中不占空间。

编译器会计算出_bss_start_bss_end的值,不是定义的

 

跳入第二阶段的C语言代码入口_start_armboot(已经被重定向到内存)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

前面所说的cpu_init_crit系统初始化函数

 

 

操作CP15协处理器,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

调用board/*/lowlevel_init.S中的lowlevel_init函数,对系统总线的初始化,初始化了连接存储器的位宽、速度、刷新率等重要参数。经过这个函数的正确初始化,Nor FlashSDRAM才可以被系统使用。

后面的代码略,主要是中断相关代码,但是U-boot基本不使用中断所以暂且略过。

 

 

现在我们再来看看lib_arm/board.c中的第二阶段入口函数start_armboot :

void start_armboot (void)                     

{

      init_fnc_t **init_fnc_ptr;

      char *s;

#if defined(CONFIG_VFD) || defined(CONFIG_LCD)

      unsigned long addr;

#endif

 

      /* Pointer is writable since we allocated a register for it */

      gd = (gd_t*)(_armboot_start - CONFIG_SYS_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));

      /* compiler optimization barrier needed for GCC >= 3.4 */

      __asm__ __volatile__("": : :"memory");

 

      memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t));

      gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));

      memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));

 

      gd->flags |= GD_FLG_RELOC;

 

      monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;

 

      for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {

             if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {

                    hang ();

             }

      }

 

      /* armboot_start is defined in the board-specific linker script */

      mem_malloc_init (_armboot_start - CONFIG_SYS_MALLOC_LEN,

                    CONFIG_SYS_MALLOC_LEN);

 

#ifndef CONFIG_SYS_NO_FLASH

      /* configure available FLASH banks */

      display_flash_config (flash_init ());

#endif /* CONFIG_SYS_NO_FLASH */

 

#ifdef CONFIG_VFD

#    ifndef PAGE_SIZE

#      define PAGE_SIZE 4096

#    endif

      /*

       * reserve memory for VFD display (always full pages)

       */

      /* bss_end is defined in the board-specific linker script */

      addr = (_bss_end + (PAGE_SIZE - 1)) & ~(PAGE_SIZE - 1);

      vfd_setmem (addr);

      gd->fb_base = addr;

#endif /* CONFIG_VFD */

 

#ifdef CONFIG_LCD

      /* board init may have inited fb_base */

      if (!gd->fb_base) {

#           ifndef PAGE_SIZE

#             define PAGE_SIZE 4096

#           endif

             /*

              * reserve memory for LCD display (always full pages)

              */

             /* bss_end is defined in the board-specific linker script */

             addr = (_bss_end + (PAGE_SIZE - 1)) & ~(PAGE_SIZE - 1);

             lcd_setmem (addr);

             gd->fb_base = addr;

      }

#endif /* CONFIG_LCD */

 

#if defined(CONFIG_CMD_NAND)

      puts ("NAND:  ");

      nand_init();            /* go init the NAND */

#endif

 

#if defined(CONFIG_CMD_ONENAND)

      onenand_init();

#endif

 

#ifdef CONFIG_HAS_DATAFLASH

      AT91F_DataflashInit();

      dataflash_print_info();

#endif

 

      /* initialize environment */

      env_relocate ();

 

#ifdef CONFIG_VFD

      /* must do this after the framebuffer is allocated */

      drv_vfd_init();

#endif /* CONFIG_VFD */

 

#ifdef CONFIG_SERIAL_MULTI

      serial_initialize();

#endif

 

      /* IP Address */

      gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");

 

      stdio_init ();    /* get the devices list going. */

 

      jumptable_init ();

 

#if defined(CONFIG_API)

      /* Initialize API */

      api_init ();

#endif

 

      console_init_r ();    /* fully init console as a device */

 

#if defined(CONFIG_ARCH_MISC_INIT)

      /* miscellaneous arch dependent initialisations */

      arch_misc_init ();

#endif

#if defined(CONFIG_MISC_INIT_R)

      /* miscellaneous platform dependent initialisations */

      misc_init_r ();

#endif

 

      /* enable exceptions */

      enable_interrupts ();

 

      /* Perform network card initialisation if necessary */

#ifdef CONFIG_DRIVER_TI_EMAC

      /* XXX: this needs to be moved to board init */

extern void davinci_eth_set_mac_addr (const u_int8_t *addr);

      if (getenv ("ethaddr")) {

             uchar enetaddr[6];

             eth_getenv_enetaddr("ethaddr", enetaddr);

             davinci_eth_set_mac_addr(enetaddr);

      }

#endif

 

#if defined(CONFIG_DRIVER_SMC91111) || defined (CONFIG_DRIVER_LAN91C96)

      /* XXX: this needs to be moved to board init */

      if (getenv ("ethaddr")) {

             uchar enetaddr[6];

             eth_getenv_enetaddr("ethaddr", enetaddr);

             smc_set_mac_addr(enetaddr);

      }

#endif /* CONFIG_DRIVER_SMC91111 || CONFIG_DRIVER_LAN91C96 */

 

      /* Initialize from environment */

      if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {

             load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);

      }

#if defined(CONFIG_CMD_NET)

      if ((s = getenv ("bootfile")) != NULL) {

             copy_filename (BootFile, s, sizeof (BootFile));

      }

#endif

 

#ifdef BOARD_LATE_INIT

      board_late_init ();

#endif

 

#ifdef CONFIG_GENERIC_MMC

      puts ("MMC:   ");

      mmc_initialize (gd->bd);

#endif

 

#ifdef CONFIG_BITBANGMII

      bb_miiphy_init();

#endif

#if defined(CONFIG_CMD_NET)

#if defined(CONFIG_NET_MULTI)

      puts ("Net:   ");

#endif

      eth_initialize(gd->bd);

#if defined(CONFIG_RESET_PHY_R)

      debug ("Reset Ethernet PHY\n");

      reset_phy();

#endif

#endif

      /* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again. */

      for (;;) {

             main_loop ();

      }

 

      /* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */

}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gd_t bd_t这两个数据结构比较重要,建议大家看看。

分配一个存储全局数据的区域,地址给指针 gd

 

 

全局数据的区清零

gd->bd(指针)赋值(在gd的前面)并清零

 

gd->flags赋值,表示已经重定向(在内存中)

monitor_flash_lenu-boot代码长度。

初始化循环

init_sequence是一个初始化函数集的函数指针数组(后面讲解)

如果有任何一个函数失败就进入死循环。

这个始化函数集比较重要,建议大家认真跟踪一下。

 

 

初始化堆空间,清零。

 

 

初始化Nor Flash相关参数,并显示其大小。

 

 

 

 

 

初始化VFD存储区(LCD显示相关)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

初始化LCD显存

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

初始化Nand Flash控制器,并显示其容量大小

 

 

 

初始化OneNand

 

 

 

 

初始化 DataFlash

 

初始化环境变量,如果认为没有找到存储其中的,就用默认值并打印:“*** Warning - bad CRC, using default environment”。这是我们常看到的。

 

 

初始化 VFDLCD显示相关)

 

 

 

 

初始化串口。

 

 

从环境变量里获取IP地址

 

初始化标准输入输出设备。比如:串口、LCD、键盘等等

 

初始化全局数据表中的跳转表gd->jt

跳转表是一个函数指针数组,定义了u-boot中基本的常用的函数库,gd->jt是这个函数指针数组的首指针。

 

初始化API,用于为U-boot编写的应用程序

 

初始化 console,平台无关,不一定是串口哦,如果把标准输出设为vga,字符会显示在LCD上。

 

 

平台相关的其他初始化,有的平台有

 

 

 

 

 

 

 

中断使能(一般不使用,很多平台此函数是空的)

 

 

 

 

 

TI芯片中的内置MAC初始化(平台相关)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

一种网卡芯片初始化(平台相关)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

获取 bootfile参数

 

 

 

 

 

一些板级初始化(有的板子有)

 

 

 

SD/MMC控制器初始化

 

 

 

 

MII相关初始化

 

 

 

网卡初始化

 

 

 

 

 

 

 

进入主循环,其中会读取bootdelaybootcmd

bootdelay时间内按下键进入命令行,否则执行bootcmd的命令。

标有红色的是比较重要的地方。

大致的U-boot启动流程就简单介绍到这。

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