u-boot启动代码start.S详解

U-BOOT 
一、U-BOOT的目录结构 
u-boot目录下有18个子目录，分别存放管理不通的源程序。这些目录中所要存放的文件有其规则，可以分成三类。 
￭第一类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关； 
￭第二类目录是一些通用的函数或者驱动程序； 
￭第三类目录是u-boot的应用程序、工具或者文档。 
Board：和一些已有开发板相关的文件，比如Makefile和u-boot.lds等都和具体开发板的硬件和地址分配有关。 
Common：与体系结构无关的文件，实现各种命令的C文件。 
CPU：CPU相关文件，其中的子目录都是以u-boot所支持的CPU为名，比如有子目录arm926ejs、mips、mpc8260和nios等，每个特定的子目录中都包括cpu.c和interrupt.c和start.S。其中cpu.c初始化cpu、设置指令cache和数据cache等；interrupt.c设置系统的各种终端和异常，比如快速中断，开关中断、时钟中断、软件中断、预取中止和未定义指令等；start.S是u-boot启动时执行的第一个文件，他主要是设置系统堆栈和工作发式，为进入C程序奠定基础。 
Disk：disk驱动的分区处理代码、 
Doc：文档。 
Drivers：通用设备驱动程序，比如各种网卡、支持CFI的flash、串口和USB总线等。 
Dtt：数字温度测量器或者传感器的驱动 
Examples：一些独立运行的应用程序的例子。 
Fs：支持文件系统的文件，u-boot现在支持cramfs、fat、fdos、jffs2、yaffs和registerfs。 
Include：头文件，还有对各种硬件平台支持的会变文件，系统的配置文件和对文件系统支持的文件。 
Net：与网络有关的代码，BOOTP协议、TFTP协议RARP协议和NFS文件系统的实现。 
Lib_ppc：存放对PowerPC体系结构通用的文件，主要用于实现PowerPC平台通用的函数，与PowerPC体系结构相关的代码。 
Lib_i386：存放对X86体系结构通用的文件，主要用于实现X86平台通用的函数，与PowerPc体系结构相关的代码。 
Lib_arm：存放对ARM体系结构通用的文件，主要用于实现ARM平台通用的函数，与ARM体系结构相关的代码。 
Lib_generic：通用的多功能函数实现。 
Post：上电自检。 
Rtc： 实时时钟驱动。 
Tools：创建S-Record格式文件和U-BOOT images的工具。 

二、u-boot的编译 
u-boot的源码是通过GCC和Makefile组织编译的，顶层目录下的Makefile首先可以设置板子的定义，然后递归地调用各级目录下的Makefile，最后把编译过的程序链接成u-boot的映像。 
顶层目录下的Makefile，它是负责U-Boot整体配置编译。每一种开发板在Makefile都需要有板子配置的定义，如smdk2442定义如下： 
smdk2442_config: unconfig 
 @./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2442 
执行配置U-Boot的命令make smdk2442_config，通过./mkconfig脚本生成include/config.mk的配置文件。文件内容是根据Makefile对板子的配置生成的。 
配置环境和编译过程如下所述,U-boot的编译环境配置需要：cross-2.95.3.tar.bz2和s3c24x0_uboot_rel_0_0_1_061002.tar.bz2，将文件拷贝到/home/amoi/working/下，（chenpx@chenpx:/mnt/hgfs/share$ cp cross-2.95.3.tar.bz2 /home/amoi/working  
和chenpx@chenpx:/mnt/hgfs/share$ cp s3c-u-boot-1.1.6.tar.bz2 /home/amoi/working）， 
 然后对对文件进行解压（chenpx@chenpx:/home/chenpx/working$ tar jxvf cross-2.95.3.tar.bz2和chenpx@chenpx:/home/chenpx/working$ tar jxvf s3c24x0_uboot_rel_0_0_1_061002.tar.bz2），在/usr/local/目录下建立一个arm文件夹（mkdir –p /usr/local/arm （-p  是需要时创建上层目录，如目录早已存在则不当作错误））将cross-2.95.3.tar.bz2解压出来的移动到/usr/local/arm/下（mv 2.95.3 /usr/local/arm/） 
移动后添加环境变量export PATH=$PATH:/usr/local/2.95.3/bin/ 
  
修改s3c24x0_uboot_dev中的makefile,修改CROSS_COMPILE = /usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-其他的用#注释掉。 
  

接下来就是加载配置：  
最后进行编译：make，最终在s3c24x0_uboot-dev目录下生成u-boot、u-boot.bin、u-boot.map、2 u-boot.srec四个文件。

三、u-boot系统启动流程 
大多数bootloader都分为stage1和stage2两部分，u-boot也不例外。依赖于CPU体系结构的代码（如设备初始化代码等）通常都放在stage1且可以用汇编语言来实现，而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且有更好的可读性和移植性。 
1、Stage1  start.S代码结构  
u-boot的stage1代码通常放在start.S文件中，他用汇编语言写成，其主要代码部分如下： 
（1）定义入口。由于一个可执行的Image必须有一个入口点，并且只能有一个全局入口，通常这个入口放在ROM（Flash）的0x0地址，因此，必须通知编译器以使其知道这个入口，该工作可通过修改连接器脚本来完成。 
（2）设置异常向量（Exception Vector）。 
（3）设置CPU的速度、时钟频率及终端控制寄存器。 
（4）初始化内存控制器。 
（5）将ROM中的程序复制到RAM中。 
（6）初始化堆栈。 
（7）转到RAM中执行，该工作可使用指令ldr pc来完成。 
2、Stage2  C语言代码部分 
lib_arm/board.c中的start arm boot是C语言开始的函数也是整个启动代码中C语言的主函数，同时还是整个u-boot（armboot）的主函数，该函数只要完成如下操作： 
（1）调用一系列的初始化函数。 
（2）初始化Flash设备。 
（3）初始化系统内存分配函数。 
（4）如果目标系统拥有NAND设备，则初始化NAND设备。 
（5）如果目标系统有显示设备，则初始化该类设备。 
（6）初始化相关网络设备，填写IP、MAC地址等。 
（7）进去命令循环（即整个boot的工作循环），接受用户从串口输入的命令，然后进行相应的工作。

3、U-Boot的启动顺序 
主要顺序如下图所示 
  
                         函数顺序               初始化顺序 
                                 图为 U-Boot顺序 
下面就根据代码进行解释： 

001 /*********************** 中断向量 ***********************/
002 .globl _start                         //u-boot启动入口
003 _start: b       reset               //复位向量并且跳转到reset
004  ldr pc, _undefined_instruction
005  ldr pc, _software_interrupt
006  ldr pc, _prefetch_abort
007  ldr pc, _data_abort
008  ldr pc, _not_used
009  ldr pc, _irq                     //中断向量
010  ldr pc, _fiq                     //中断向量
011  b  sleep_setting             //跳转到sleep_setting
012 并通过下段代码拷贝到内存里
013 relocate:                             //把uboot重新定位到RAM
014  adr r0, _start                  // r0 是代码的当前位置
015  ldr r2, _armboot_start               //r2 是armboot的开始地址
016  ldr r3, _armboot_end                //r3 是armboot的结束地址
017  sub r2, r3, r2                      // r2得到armboot的大小
018  ldr r1, _TEXT_BASE            // r1 得到目标地址
019  add r2, r0, r2                       // r2 得到源结束地址
020 copy_loop:                             //重新定位代码
021  ldmia r0!, {r3-r10}                  //从源地址[r0]中复制
022  stmia r1!, {r3-r10}                  //复制到目标地址[r1]
023  cmp  r0, r2                        //复制数据块直到源数据末尾地址[r2]
024  ble copy_loop
025 系统上电或reset后，cpu的PC一般都指向0x0地址，在0x0地址上的指令是
026 reset:                                 //复位启动子程序
027 /******** 设置CPU为SVC32模式***********/
028  mrs r0,cpsr                       //将CPSR状态寄存器读取，保存到R0中
029  bic r0,r0,#0x1f
030  orr r0,r0,#0xd3
031  msr cpsr,r0
032                      //将R0写入状态寄存器中
033 /************** 关闭看门狗 ******************/
034  ldr      r0, =pWTCON
035  mov     r1, #0x0
036  str       r1, [r0]
037 /************** 关闭所有中断 *****************/
038  mov r1, #0xffffffff
039  ldr r0, =INTMSK
040  str r1, [r0]
041  ldr r2, =0x7ff
042  ldr r0, =INTSUBMSK
043  str r2, [r0]
044 /************** 初始化系统时钟 *****************/
045  ldr r0, =LOCKTIME
046  ldr     r1, =0xffffff
047  str     r1, [r0]
048 clear_bss:
049         ldr       r0, _bss_start           //找到bss的起始地址
050         add      r0, r0, #4              //从bss的第一个字开始
051         ldr       r1, _bss_end           // bss末尾地址
052         mov      r2, #0x00000000       //清零
053 clbss_l:str        r2, [r0]                // bss段空间地址清零循环
054         add     r0, r0, #4
055         cmp     r0, r1
056         bne      clbss_l
057 /***************** 关键的初始化子程序 ************************/
058 / * cpu初始化关键寄存器
059  * 设置重要寄存器
060  * 设置内存时钟
061 * /
062 cpu_init_crit:
063  /** flush v4 I/D caches*/
064  mov r0, #0
065  mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* flush v3/v4 cache */
066  mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* flush v4 TLB */
067 /************* disable MMU stuff and caches ****************/
068  mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
069  bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS)
070  bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM)
071  orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 2 (A) Align
072  orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-Cache
073  mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
074 /******* 在重新定位前，我们要设置RAM的时间，因为内存时钟依赖开发板硬件的，你将会找到board目录底下的memsetup.S。**************/
075  mov ip, lr
076 #ifndef CONFIG_S3C2440A_JTAG_BOOT
077  bl memsetup        //调用memsetup子程序（在board/smdk2442memsetup.S）
078 #endif
079  mov lr, ip
080  mov pc, lr                        //子程序返回
081
082 memsetup:
083 /**************** 初始化内存 **************/
084         mov     r1, #MEM_CTL_BASE
085         adrl    r2, mem_cfg_val
086         add     r3, r1, #52
087 1:       ldr     r4, [r2], #4
088         str     r4, [r1], #4
089         cmp     r1, r3
090         bne     1b
091 /*********** 跳转到原来进来的下一个指令（start.S文件里） ***************/
092 mov     pc, lr                 //子程序返回
093 /****************** 建立堆栈 *******************/
094  ldr r0, _armboot_end               //armboot_end重定位
095  add r0, r0, #CONFIG_STACKSIZE    //向下配置堆栈空间
096  sub sp, r0, #12                  //为abort-stack预留个3字
097 /**************** 跳转到C代码去 **************/
098  ldr pc, _start_armboot           //跳转到start_armboot函数入口，start_armboot
099 字保存函数入口指针
100 _start_armboot: .word start_armboot    //start_armboot函数在lib_arm/board.c中实现
101 从此进入第二阶段C语言代码部分
102 /**************** 异常处理程序 *******************/
103  .align  5
104 undefined_instruction:               //未定义指令
105  get_bad_stack
106  bad_save_user_regs
107  bl  do_undefined_instruction
108  .align 5
109 software_interrupt:                   //软件中断
110  get_bad_stack
111  bad_save_user_regs
112  bl  do_software_interrupt
113  .align 5
114 prefetch_abort:                      //预取异常中止
115  get_bad_stack
116  bad_save_user_regs
117  bl  do_prefetch_abort
118  .align 5
119 data_abort:                          //数据异常中止
120  get_bad_stack
121  bad_save_user_regs
122  bl  do_data_abort
123  .align 5
124 not_used:                            //未利用
125  get_bad_stack
126  bad_save_user_regs
127  bl  do_not_used
128  .align 5
129 irq:                                   //中断请求
130  get_irq_stack
131  irq_save_user_regs
132  bl  do_irq
133  irq_restore_user_regs
134  .align 5
135 fiq:                                   //快速中断请求
136  get_fiq_stack
137  /* someone ought to write a more effiction fiq_save_user_regs */
138  irq_save_user_regs
139  bl  do_fiq
140  irq_restore_user_regs
141 sleep_setting:                           //休眠设置
142 @ prepare the SDRAM self-refresh mode
143  ldr r0, =0x48000024 @ REFRESH Register
144  ldr r1, [r0]
145  orr r1, r1,#(1<<22) @ self-refresh bit set
146 @ prepare MISCCR[19:17]=111b to make SDRAM signals(SCLK0,SCLK1,SCKE) protected
147  ldr r2,=0x56000080 @ MISCCR Register
148  ldr r3,[r2]
149  orr r3,r3,#((1<<17)|(1<<18)|(1<<19))
150
151 @ prepare the Power_Off mode bit in CLKCON Register
152  ldr r4,=0x4c00000c @ CLKCON Register
153  ldr r5,=(1<<3)
154  b   set_sdram_refresh
155  .align 5
156 set_sdram_refresh:
157  str r1,[r0]             @ SDRAM self-refresh enable
158 @ wait until SDRAM into self-refresh
159  mov r1, #64
160 1:  subs    r1, r1, #1
161  bne 1b
162 @ set the MISCCR & CLKCON register for power off
163  str r3,[r2]
164  str r5,[r4]
165  nop                 @ waiting for power off
166  nop
167  nop
168  b   .
169 第二阶段进入lib_arm/board.c
170 start_armboot是U-Boot执行的第一个C语言函数，完成系统初始化工作，进入主循环，处理用户输入的命令。
171 进入start_armboot函数里，先对硬件资源进行初始化如下：
172 init_fnc_t *init_sequence[] = {
173  cpu_init,  /*基本的处理器相关配置 –cpu/arm920t/cpu.c*/
174  board_init,  /* 基本的开发板相关配置—board/smdk2442/smdk2442.c*/
175  interrupt_init,  /* 初始化例外处理---cpu/arm920t/ interrupt.c */
176  env_init,  /*初始化环境变量---common/cmd_flash.c */
177  init_baudrate,  /*初始化波特率设置—lib_arm/board.c */
178  serial_init,  /* 串口通讯设置--- cpu/arm920t/serial.c */
179  console_init_f,  /* 控制台初始化阶段1—common/console.c*/
180  display_banner,  /* 打印u-boot信息---lib_arm/board.c */
181  dram_init,  /* 配置可用的RAM—borad/smdk2442/smdk2442.c */
182  display_dram_config,    /*显示RAM的配置大小---lib_arm/board.c */
183 #if defined(CONFIG_VCMA9) || defined (CONFIG_CMC_PU2)
184         checkboard,
185 #endif
186         NULL,
187 };
188 使用以下语句调用执行
189 for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
190                 if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
191                         hang ();
192                 }
193         }
194 start_armboot的主要过程如下：
195 void start_armboot (void)
196 {
197  DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
198  ulong size;
199  gd_t gd_data;
200  bd_t bd_data;
201  init_fnc_t **init_fnc_ptr;
202  char *s;
203 #if defined(CONFIG_VFD)
204  unsigned long addr;
205 #endif
206  /* Pointer is writable since we allocated a register for it */
207  gd = &gd_data;
208  memset ((void *)gd, 0, sizeof (gd_t));
209  gd->bd = &bd_data;
210  memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));
211  monitor_flash_len = _armboot_end_data - _armboot_start;
212  /*** 调用执行init_sequence数组按顺序执行初始化 ***/
213 for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
214   if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
215    hang ();
216   }
217  }
218 #if 0
219  /**************** 配置可用的flash单元 *************/
220  size = flash_init ();             //初始化flash
221  display_flash_config (size);      //显示flash的大小
222 /******** _arm_boot在armboot.lds链接脚本中定义 ********/
223 #endif
224 #ifdef CONFIG_VFD
225 #  ifndef PAGE_SIZE
226 #  define PAGE_SIZE 4096
227 #  endif
228  /*********** 为VFD显示预留内存(整个页面)  **********/
229 /******** armboot_real_end在board-specific链接脚本中定义********/
230  addr = (_armboot_real_end + (PAGE_SIZE - 1)) & ~(PAGE_SIZE - 1);
231  size = vfd_setmem (addr);
232  gd->fb_base = addr;
233  /******* 进入下一个界面 ********/
234
235 addr += size;
236  addr = (addr + (PAGE_SIZE - 1)) & ~(PAGE_SIZE - 1);
237  mem_malloc_init (addr);
238 #else
239
240
241 /********  armboot_real_end 在board-specific链接脚本中定义 *******/
242  mem_malloc_init (_armboot_real_end);
243 #endif    /* CONFIG_VFD */
244 #if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_NAND)
245  puts ("NAND:");
246  nand_init();  /* NAND初始化 */
247 #endif
248 #ifdef CONFIG_HAS_DATAFLASH
249  AT91F_DataflashInit();
250  dataflash_print_info();
251 #endif
252 /********* 初始化环境 **********/
253
254 env_relocate ();
255
256
257 /*********** 配置环境变量，重新定位 **********/
258
259 #ifdef CONFIG_VFD
260  /* must do this after the framebuffer is allocated */
261  drv_vfd_init();
262 #endif
263  /* 从环境中得到IP地址 */
264  bd_data.bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");
265  /*以太网接口MAC地址*/
266  {
267   int i;
268   ulong reg;
269   char *s, *e;
270   uchar tmp[64];
271   i = getenv_r ("ethaddr", tmp, sizeof (tmp));
272   s = (i > 0) ? tmp : NULL;
273   for (reg = 0; reg < 6; ++reg) {
274    bd_data.bi_enetaddr[reg] = s ? simple_strtoul (s, &e, 16) : 0;
275    if (s)
276     s = (*e) ? e + 1 : e;
277   }
278  }
279  devices_init (); /* 获取列表中的设备. */
280  jumptable_init ();
281 console_init_r (); /*完整地初始化控制台设备*/
282 #if defined(CONFIG_MISC_INIT_R)
283  /* 其他平台由初始化决定*/
284  misc_init_r ();
285 #endif
286  /* 启用异常处理 */
287  enable_interrupts ();
288 #ifdef CONFIG_DRIVER_CS8900
289  cs8900_get_enetaddr (gd->bd->bi_enetaddr);
290 #endif
291 #ifdef CONFIG_DRIVER_LAN91C96
292  if (getenv ("ethaddr")) {
293   smc_set_mac_addr(gd->bd->bi_enetaddr);
294  }
295  /* eth_hw_init(); */
296 #endif /* CONFIG_DRIVER_LAN91C96 */
297  /* 通过环境变量初始化*/
298  if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
299   load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
300  }
301 #if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_NET)
302  if ((s = getenv ("bootfile")) != NULL) {
303   copy_filename (BootFile, s, sizeof (BootFile));
304  }
305 #endif /* CFG_CMD_NET */
306 #ifdef BOARD_POST_INIT
307  board_post_init ();
308 #endif