U-Boot启动过程完全分析
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1.1?????? U-Boot工作过程
? U-Boot启动内核的过程可以分为两个阶段，两个阶段的功能如下： ?????? （1）第一阶段的功能 ?? 硬件设备初始化 ?? 加载U-Boot第二阶段代码到RAM空间 ?? 设置好栈 ?? 跳转到第二阶段代码入口 ?????? （2）第二阶段的功能 ?? 初始化本阶段使用的硬件设备 ?? 检测系统内存映射 ?? 将内核从Flash读取到RAM中 ?? 为内核设置启动参数 ?? 调用内核 1.1.1???????????? U-Boot启动第一阶段代码分析?????? 第一阶段对应的文件是cpu/arm920t/start.S和board/samsung/mini2440/lowlevel_init.S。 ?????? U-Boot启动第一阶段流程如下： ?
图 2.1 U-Boot启动第一阶段流程 ? ?????? 根据cpu/arm920t/u-boot.lds中指定的连接方式： ENTRY(_start) SECTIONS { ?????? . = 0x00000000; ? ?????? . = ALIGN(4); ?????? .text : ?????? { ???????????????????? cpu/arm920t/start.o??? (.text) ???? ?????????? board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o (.text) ??? ???????????? board/samsung/mini2440/nand_read.o (.text) ????????????? *(.text) ?????? } ?????? … … } ?????? 第一个链接的是cpu/arm920t/start.o，因此u-boot.bin的入口代码在cpu/arm920t/start.o中，其源代码在cpu/arm920t/start.S中。下面我们来分析cpu/arm920t/start.S的执行。 1.????? 硬件设备初始化 （1）设置异常向量 ?????? cpu/arm920t/start.S开头有如下的代码： .globl _start _start:??? b???? start_code???????????????????????? /* 复位 */ ?????? ldr?? pc,_undefined_instruction????? /*?未定义指令向量 */ ?????? ldr?? pc,_software_interrupt??????????? /* ?软件中断向量 */ ?????? ldr?? pc,_prefetch_abort????????????????? /*? 预取指令异常向量 */ ?????? ldr?? pc,_data_abort??????????????????????? /* ?数据操作异常向量 */ ?????? ldr?? pc,_not_used?????????????????????????? /*? 未使用?? */ ?????? ldr?? pc,_irq???????????????????????????????????? /*? irq中断向量? */ ?????? ldr?? pc,_fiq???????????????????????????????????? /*? fiq中断向量? */ /*? 中断向量表入口地址 */ _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 ? ?????? 以上代码设置了ARM异常向量表，各个异常向量介绍如下： 表 2.1 ARM异常向量表
?????? 在cpu/arm920t/start.S中还有这些异常对应的异常处理程序。当一个异常产生时，CPU根据异常号在异常向量表中找到对应的异常向量，然后执行异常向量处的跳转指令，CPU就跳转到对应的异常处理程序执行。 ?????? 其中复位异常向量的指令“b start_code”决定了U-Boot启动后将自动跳转到标号“start_code”处执行。 （2）CPU进入SVC模式 start_code: ?????? /* ?????? ?* set the cpu to SVC32 mode ?????? ?*/ ?????? mrs r0,cpsr ?????? bic? r0,r0,#0x1f??????? /*工作模式位清零 */ ?????? orr?? r0,#0xd3????????????? /*工作模式位设置为“10011”（管理模式），并将中断禁止位和快中断禁止位置1 */ ?????? msr cpsr,r0 ?????? 以上代码将CPU的工作模式位设置为管理模式，并将中断禁止位和快中断禁止位置一，从而屏蔽了IRQ和FIQ中断。 （3）设置控制寄存器地址 # if defined(CONFIG_S3C2400) #? define pWTCON 0x15300000 #? define INTMSK? 0x14400008 #? define CLKDIVN????? 0x14800014 #else????? /* s3c2410与s3c2440下面4个寄存器地址相同 */ #? define pWTCON 0x53000000?????????????? /* WATCHDOG控制寄存器地址 */ #? define INTMSK? 0x4A000008???????????????????? /* INTMSK寄存器地址? */ #? define INTSUBMSK 0x4A00001C????? /* INTSUBMSK寄存器地址 */ #? define CLKDIVN????? 0x4C000014?????? ? ????????? /* CLKDIVN寄存器地址 */ # endif ?????? 对与s3c2440开发板，以上代码完成了WATCHDOG，INTMSK，INTSUBMSK，CLKDIVN四个寄存器的地址的设置。各个寄存器地址参见参考文献[4] 。 （4）关闭看门狗 ?????? ldr?? r0,=pWTCON ?????? mov?????? r1,#0x0 ?????? str?? r1,[r0]?? /* 看门狗控制器的最低位为0时，看门狗不输出复位信号 */ ?????? 以上代码向看门狗控制寄存器写入0，关闭看门狗。否则在U-Boot启动过程中，CPU将不断重启。 （5）屏蔽中断 ?????? /* ?????? ?* mask all IRQs by setting all bits in the INTMR - default ?????? ?*/ ?????? mov?????? r1,#0xffffffff???? /* 某位被置1则对应的中断被屏蔽 */ ?????? ldr?? r0,=INTMSK ?????? str?? r1,[r0] ?????? INTMSK是主中断屏蔽寄存器，每一位对应SRCPND（中断源引脚寄存器）中的一位，表明SRCPND相应位代表的中断请求是否被CPU所处理。 ???????? 根据参考文献4，INTMSK寄存器是一个32位的寄存器，每位对应一个中断，向其中写入0xffffffff就将INTMSK寄存器全部位置一，从而屏蔽对应的中断。 # if defined(CONFIG_S3C2440) ??? ????? ldr? r1,=0x7fff?????? ??? ????? ldr? r0,=INTSUBMSK ??? ????? str? r1,[r0] # endif ?????? INTSUBMSK每一位对应SUBSRCPND中的一位，表明SUBSRCPND相应位代表的中断请求是否被CPU所处理。 ?????? 根据参考文献4，INTSUBMSK寄存器是一个32位的寄存器，但是只使用了低15位。向其中写入0x7fff就是将INTSUBMSK寄存器全部有效位（低15位）置一，从而屏蔽对应的中断。 （6）设置MPLLCON,UPLLCON,CLKDIVN # if defined(CONFIG_S3C2440)? #define MPLLCON?? 0x4C000004 #define UPLLCON?? 0x4C000008?? ??? ????? ldr? r0,=CLKDIVN?? ??? ????? mov? r1,#5 ??? ????? str? r1,[r0] ? ??? ????? ldr? r0,=MPLLCON ??? ????? ldr? r1,=0x7F021? ??? ????? str? r1,[r0] ? ?? ?ldr? r0,=UPLLCON? ??? ????? ldr? r1,=0x38022 ??? ????? str? r1,[r0] # else ?????? /* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 */ ?????? /* default FCLK is 120 MHz ! */ ?????? ldr?? r0,=CLKDIVN ?????? mov?????? r1,#3 ?????? str?? r1,[r0] #endif ?????? CPU上电几毫秒后，晶振输出稳定，FCLK=Fin（晶振频率），CPU开始执行指令。但实际上，FCLK可以高于Fin，为了提高系统时钟，需要用软件来启用PLL。这就需要设置CLKDIVN，MPLLCON，UPLLCON这3个寄存器。 ?????? CLKDIVN寄存器用于设置FCLK，HCLK，PCLK三者间的比例，可以根据表2.2来设置。 表 2.2 S3C2440 的CLKDIVN寄存器格式
? ?????? 设置CLKDIVN为5，就将HDIVN设置为二进制的10，由于CAMDIVN[9]没有被改变过，取默认值0，因此HCLK = FCLK/4。PDIVN被设置为1，因此PCLK= HCLK/2。因此分频比FCLK:HCLK:PCLK = 1:4:8 。 ?????? MPLLCON寄存器用于设置FCLK与Fin的倍数。MPLLCON的位[19:12]称为MDIV，位[9:4]称为PDIV，位[1:0]称为SDIV。 ?????? 对于S3C2440，FCLK与Fin的关系如下面公式： ?????? MPLL(FCLK) = (2×m×Fin)/(p× ) ?????? 其中： m=MDIC+8，p=PDIV+2，s=SDIV ?????? MPLLCON与UPLLCON的值可以根据参考文献4中“PLL VALUE SELECTION TABLE”设置。该表部分摘录如下： 表 2.3 推荐PLL值
?????? 当mini2440系统主频设置为405MHZ，USB时钟频率设置为48MHZ时，系统可以稳定运行，因此设置MPLLCON与UPLLCON为： ?????? MPLLCON=(0x7f<<12) | (0x02<<4) | (0x01) = 0x7f021 ?????? UPLLCON=(0x38<<12) | (0x02<<4) | (0x02) = 0x38022 （7）关闭MMU，cache ?????? 接着往下看： #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT ?????? bl??? cpu_init_crit #endif ?????? cpu_init_crit这段代码在U-Boot正常启动时才需要执行，若将U-Boot从RAM中启动则应该注释掉这段代码。 ?????? 下面分析一下cpu_init_crit到底做了什么： 320? #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT 321? cpu_init_crit: 322? ??? /* 323? ??? ?* 使数据cache与指令cache无效 */ 324? ??? ?*/? 325? ??? mov?????? r0,#0 326? ??? mcr p15,c7,0??? /* 向c7写入0将使ICache与DCache无效*/ 327? ??? mcr p15,c8,0??? /* 向c8写入0将使TLB失效 */ 328? 329? ??? /* 330? ??? ?* disable MMU stuff and caches 331? ??? ?*/ 332? ??? mrc p15,c1,c0,0??? /*? 读出控制寄存器到r0中? */ 333? ??? bic? r0,#0x00002300?? @ clear bits 13,9:8 (--V- --RS) 334? ??? bic? r0,#0x00000087?? @ clear bits 7,2:0 (B--- -CAM) 335? ??? orr?? r0,#0x00000002?? @ set bit 2 (A) Align 336? ??? orr?? r0,#0x00001000?? @ set bit 12 (I) I-Cache 337? ??? mcr p15,0??? /*? 保存r0到控制寄存器? */ 338? 339? ??? /* 340? ??? ?* before relocating,we have to setup RAM timing 341? ??? ?* because memory timing is board-dependend,you will 342? ??? ?* find a lowlevel_init.S in your board directory. 343? ??? ?*/ 344? ??? mov?????? ip,lr 345? 346? ??? bl??? lowlevel_init 347? 348? ??? mov?????? lr,ip 349? ??? mov?????? pc,lr 350? #endif /* CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT */ ?????? 代码中的c0，c1，c7，c8都是ARM920T的协处理器CP15的寄存器。其中c7是cache控制寄存器，c8是TLB控制寄存器。325~327行代码将0写入c7、c8，使Cache，TLB内容无效。 ?????? 第332~337行代码关闭了MMU。这是通过修改CP15的c1寄存器来实现的，先看CP15的c1寄存器的格式（仅列出代码中用到的位）： 表 2.3 CP15的c1寄存器格式（部分）
?????? 各个位的意义如下： V : ?表示异常向量表所在的位置，0：异常向量在0x00000000；1：异常向量在 0xFFFF0000 ?????? 332~337行代码将c1的 M位置零，关闭了MMU。 （8）初始化RAM控制寄存器 ?????? 其中的lowlevel_init就完成了内存初始化的工作，由于内存初始化是依赖于开发板的，因此lowlevel_init的代码一般放在board下面相应的目录中。对于mini2440，lowlevel_init在board/samsung/mini2440/lowlevel_init.S中定义如下： 45? #define BWSCON?? 0x48000000??????? /* 13个存储控制器的开始地址 */ ? … … 129? _TEXT_BASE: 130? ??? .word???? TEXT_BASE 131? 132? .globl lowlevel_init 133? lowlevel_init: 134? ??? /* memory control configuration */ 135? ??? /* make r0 relative the current location so that it */ 136? ??? /* reads SMRDATA out of FLASH rather than memory ! */ 137? ??? ldr???? r0,=SMRDATA 138? ??? ldr?? r1,_TEXT_BASE 139? ??? sub? r0,r1????????????? /* SMRDATA减 _TEXT_BASE就是13个寄存器的偏移地址 */ 140? ??? ldr?? r1,=BWSCON?? /* Bus Width Status Controller */ 141? ??? add???? r2,#13*4 142? 0: 143? ??? ldr???? r3,[r0],#4??? /*将13个寄存器的值逐一赋值给对应的寄存器*/ 144? ??? str???? r3,[r1],#4 145? ??? cmp???? r2,r0 146? ??? bne? ???0b 147? 148? ??? /* everything is fine now */ 149? ??? mov?????? pc,lr 150? 151? ??? .ltorg 152? /* the literal pools origin */ 153? 154? SMRDATA:??????????? /*? 下面是13个寄存器的值? */ 155? .word? … … 156 ? .word? … … ?… … ?????? lowlevel_init初始化了13个寄存器来实现RAM时钟的初始化。lowlevel_init函数对于U-Boot从NAND Flash或NOR Flash启动的情况都是有效的。 ?????? U-Boot.lds链接脚本有如下代码： ?????? .text : ?????? { ???????????????????? cpu/arm920t/start.o??? (.text) ???? ?????????? board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o (.text) ??? ???????????? board/samsung/mini2440/nand_read.o (.text) ????????????? … … ?????? } ?????? board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o将被链接到cpu/arm920t/start.o后面，因此board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o也在U-Boot的前4KB的代码中。 ?????? U-Boot在NAND Flash启动时，lowlevel_init.o将自动被读取到CPU内部4KB的内部RAM中。因此第137~146行的代码将从CPU内部RAM中复制寄存器的值到相应的寄存器中。 ?????? 对于U-Boot在NOR Flash启动的情况，由于U-Boot连接时确定的地址是U-Boot在内存中的地址，而此时U-Boot还在NOR Flash中，因此还需要在NOR Flash中读取数据到RAM中。 ?????? 由于NOR Flash的开始地址是0，而U-Boot的加载到内存的起始地址是TEXT_BASE，SMRDATA标号在Flash的地址就是SMRDATA－TEXT_BASE。 ?????? 综上所述，lowlevel_init的作用就是将SMRDATA开始的13个值复制给开始地址[BWSCON]的13个寄存器，从而完成了存储控制器的设置。 （9）复制U-Boot第二阶段代码到RAM ?????? cpu/arm920t/start.S原来的代码是只支持从NOR Flash启动的，经过修改现在U-Boot在NOR Flash和NAND Flash上都能启动了，实现的思路是这样的： ? ?????? bl??? bBootFrmNORFlash /*? 判断U-Boot是在NAND Flash还是NOR Flash启动? */ ?????? cmp?????? r0,#0????????? /*? r0存放bBootFrmNORFlash函数返回值，若返回0表示NAND Flash启动，否则表示在NOR Flash启动? */ ?????? beq nand_boot???????? /*? 跳转到NAND Flash启动代码? */ ? /*? NOR Flash启动的代码? */ ?????? b???? stack_setup???????? /* 跳过NAND Flash启动的代码 */ ? nand_boot: /*? NAND Flash启动的代码? */ ? stack_setup:??????? ?????? /* 其他代码 */ ? ?????? 其中bBootFrmNORFlash函数作用是判断U-Boot是在NAND Flash启动还是NOR Flash启动，若在NOR Flash启动则返回1，否则返回0。根据ATPCS规则，函数返回值会被存放在r0寄存器中，因此调用bBootFrmNORFlash函数后根据r0的值就可以判断U-Boot在NAND Flash启动还是NOR Flash启动。bBootFrmNORFlash函数在board/samsung/mini2440/nand_read.c中定义如下： int bBootFrmNORFlash(void) { ??? volatile unsigned int *pdw = (volatile unsigned int *)0; ??? unsigned int dwVal; ?? ??? dwVal = *pdw;?????? ??/* 先记录下原来的数据 */ ??? *pdw = 0x12345678; ??? if (*pdw != 0x12345678)?????? /* 写入失败，说明是在NOR Flash启动 */ ??? { ??????? return 1;????? ??? } ??? else?????? ??????????????????????????? /* 写入成功，说明是在NAND Flash启动 */ ??? { ??????? *pdw = dwVal;??????? /* 恢复原来的数据 */ ??????? return 0; ??? } } ???? 无论是从NOR Flash还是从NAND Flash启动，地址0处为U-Boot的第一条指令“ b??? start_code”。 ?????? 对于从NAND Flash启动的情况，其开始4KB的代码会被自动复制到CPU内部4K内存中，因此可以通过直接赋值的方法来修改。 ?????? 对于从NOR Flash启动的情况，NOR Flash的开始地址即为0，必须通过一定的命令序列才能向NOR Flash中写数据，所以可以根据这点差别来分辨是从NAND Flash还是NOR Flash启动：向地址0写入一个数据，然后读出来，如果发现写入失败的就是NOR Flash，否则就是NAND Flash。 ?????? 下面来分析NOR Flash启动部分代码： 208? ??? adr? r0,_start????????????? /* r0 <- current position of code?? */ 209? ??? ldr?? r1,_TEXT_BASE??????????? /* test if we run from flash or RAM */ ? /* 判断U-Boot是否是下载到RAM中运行，若是，则不用?再复制到RAM中了，这种情况通常在调试U-Boot时才发生 */ 210? ??? cmp ???? r0,r1????? /*_start等于_TEXT_BASE说明是下载到RAM中运行 */ 211? ??? beq stack_setup 212? /* 以下直到nand_boot标号前都是NOR Flash启动的代码 */ 213? ??? ldr?? r2,_armboot_start 214? ??? ldr?? r3,_bss_start 215? ??? sub? r2,r3,r2????????????? /* r2 <- size of armboot??????????? */ 216? ??? add r2,r2????????????? /* r2 <- source end address???????? */ 217? /* 搬运U-Boot自身到RAM中*/ 218? copy_loop: 219? ??? ldmia???? r0!,{r3-r10} /* 从地址为[r0]的NOR Flash中读入8个字的数据 */ 220? ??? stmia????? r1!,{r3-r10} /* 将r3至r10寄存器的数据复制给地址为[r1]的内存 */ 221? ??? cmp?????? r0,r2??????????????????? /* until source end addreee [r2]??? */ 222? ??? ble? copy_loop 223? ??? b???? stack_setup???????? /* 跳过NAND Flash启动的代码 */ ?????? 下面再来分析NAND Flash启动部分代码： nand_boot: ??? mov r1,#NAND_CTL_BASE? ??? ldr r2,=( (7<<12)|(7<<8)|(7<<4)|(0<<0) ) ??? str r2,[r1,#oNFCONF]?? /* 设置NFCONF寄存器 */ ? ?????? /* 设置NFCONT，初始化ECC编/解码器，禁止NAND Flash片选 */ ??? ldr r2,=( (1<<4)|(0<<1)|(1<<0) ) ??? str r2,#oNFCONT]? ? ??? ldr r2,=(0x6)?????????? /* 设置NFSTAT */ str r2,#oNFSTAT] ? ?????? /* 复位命令，第一次使用NAND Flash前复位 */ ??? mov r2,#0xff??????????? ??? strb r2,#oNFCMD] ??? mov r3,#0?????????????? ? ??? /* 为调用C函数nand_read_ll准备堆栈 */ ??? ldr sp,DW_STACK_START?? ??? mov fp,#0?????????????? ??? /* 下面先设置r0至r2，然后调用nand_read_ll函数将U-Boot读入RAM */ ??? ldr r0,=TEXT_BASE????? /* 目的地址：U-Boot在RAM的开始地址 */ ??? mov r1,#0x0???? ????????? /* 源地址：U-Boot在NAND Flash中的开始地址 */ ??? mov r2,#0x30000? ??????? /* 复制的大小，必须比u-boot.bin文件大，并且必须是NAND Flash块大小的整数倍，这里设置为0x30000（192KB） */ ??? bl? nand_read_ll?? ????????????? /* 跳转到nand_read_ll函数，开始复制U-Boot到RAM */ tst? r0,#0x0???????????????????? /* 检查返回值是否正确 */ beq stack_setup bad_nand_read: loop2: b loop2??? //infinite loop ? .align 2 DW_STACK_START: .word STACK_BASE+STACK_SIZE-4 ?????? 其中NAND_CTL_BASE，oNFCONF等在include/configs/mini2440.h中定义如下： #define NAND_CTL_BASE? 0x4E000000? // NAND Flash控制寄存器基址 ? #define STACK_BASE? 0x33F00000???? //base address of stack #define STACK_SIZE? 0x8000???????? //size of stack ? #define oNFCONF? 0x00????? /* NFCONF相对于NAND_CTL_BASE偏移地址 */ #define oNFCONT? 0x04????? /* NFCONT相对于NAND_CTL_BASE偏移地址*/ #define oNFADDR? 0x0c???? /* NFADDR相对于NAND_CTL_BASE偏移地址*/ #define oNFDATA? 0x10????? /* NFDATA相对于NAND_CTL_BASE偏移地址*/ #define oNFCMD?? 0x08???? /* NFCMD相对于NAND_CTL_BASE偏移地址*/ #define oNFSTAT? 0x20??????? /* NFSTAT相对于NAND_CTL_BASE偏移地址*/ #define oNFECC?? 0x2c????????????? /* NFECC相对于NAND_CTL_BASE偏移地址*/ ?????? NAND Flash各个控制寄存器的设置在S3C2440的数据手册有详细说明，这里就不介绍了。 ?????? 代码中nand_read_ll函数的作用是在NAND Flash中搬运U-Boot到RAM，该函数在board/samsung/mini2440/nand_read.c中定义。 ?????? NAND Flash根据page大小可分为2种： 512B/page和2048B/page的。这两种NAND Flash的读操作是不同的。因此就需要U-Boot识别到NAND Flash的类型，然后采用相应的读操作，也就是说nand_read_ll函数要能自动适应两种NAND Flash。 ?????? 参考S3C2440的数据手册可以知道：根据NFCONF寄存器的Bit3（AdvFlash (Read only)）和Bit2 （PageSize (Read only)）可以判断NAND Flash的类型。Bit2、Bit3与NAND Flash的block类型的关系如下表所示： 表 2.4 NFCONF的Bit3、Bit2与NAND Flash的关系
? ?????? 由于的NAND Flash只有512B/page和2048 B/page这两种，因此根据NFCONF寄存器的Bit3即可区分这两种NAND Flash了。 ?????? 完整代码见board/samsung/mini2440/nand_read.c中的nand_read_ll函数，这里给出伪代码： int nand_read_ll(unsigned char *buf,unsigned long start_addr,int size) { //根据NFCONF寄存器的Bit3来区分2种NAND Flash ?????? if( NFCONF & 0x8 ) ?????? /* Bit是1，表示是2KB/page的NAND Flash */ ?????? { ????????????? //////////////////////////////////// ????????????? 读取2K block 的NAND Flash ????????????? //////////////////////////////////// ? ?????? } ?????? else????????????????????? /* Bit是0，表示是512B/page的NAND Flash */ ?????? { ????????????? ///////////////////////////////////// ????????????? 读取512B block 的NAND Flash ????????????? ///////////////////////////////////// ? ?????? } ??? return 0; } （10）设置堆栈 ?????? /* ?设置堆栈 */ stack_setup: ?????? ldr?? r0,_TEXT_BASE??????????? /* upper 128 KiB: relocated uboot?? */ ?????? sub? r0,#CONFIG_SYS_MALLOC_LEN?? /* malloc area????????????? */ ?????? sub? r0,#CONFIG_SYS_GBL_DATA_SIZE /*? 跳过全局数据区?????????????? */ #ifdef CONFIG_USE_IRQ ?????? sub? r0,#(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ) #endif ?????? sub? sp,#12?????????? /* leave 3 words for abort-stack??? */ ?????? 只要将sp指针指向一段没有被使用的内存就完成栈的设置了。根据上面的代码可以知道U-Boot内存使用情况了，如下图所示： ? ?
图2.2 U-Boot内存使用情况 ? （11）清除BSS段 clear_bss: ?????? ldr?? r0,_bss_start????????????? /* BSS段开始地址，在u-boot.lds中指定*/ ?????? ldr?? r1,_bss_end?????????????? /* BSS段结束地址，在u-boot.lds中指定*/ ?????? mov?????? r2,#0x00000000 clbss_l:str???? r2,[r0]????????? /* 将bss段清零*/ ?????? add r0,#4 ?????? cmp ???? r0,r1 ?????? ble? clbss_l ?????? 初始值为0，无初始值的全局变量，静态变量将自动被放在BSS段。应该将这些变量的初始值赋为0，否则这些变量的初始值将是一个随机的值，若有些程序直接使用这些没有初始化的变量将引起未知的后果。 （12）跳转到第二阶段代码入口 ?????? ldr?? pc,_start_armboot ? _start_armboot:?? .word? start_armboot ?????? 跳转到第二阶段代码入口start_armboot处。 1.1.2???????????? U-Boot启动第二阶段代码分析?????? start_armboot函数在lib_arm/board.c中定义，是U-Boot第二阶段代码的入口。U-Boot启动第二阶段流程如下： ?
图 2.3 U-Boot第二阶段执行流程 ?????? 在分析start_armboot函数前先来看看一些重要的数据结构： （1）gd_t结构体 ?????? U-Boot使用了一个结构体gd_t来存储全局数据区的数据，这个结构体在include/asm-arm/global_data.h中定义如下： typedef? struct???? global_data { ?????? bd_t????????????? *bd; ?????? unsigned long????? flags; ?????? unsigned long????? baudrate; ?????? unsigned long????? have_console;????? /* serial_init() was called */ ?????? unsigned long????? env_addr;???? /* Address? of Environment struct */ ?????? unsigned long????? env_valid;??? /* Checksum of Environment valid? */ ?????? unsigned long????? fb_base; /* base address of frame buffer */ ?????? void????????????? **jt;????????????? /* jump table */ } gd_t; ?????? U-Boot使用了一个存储在寄存器中的指针gd来记录全局数据区的地址： #define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR???? register volatile gd_t *gd asm ("r8") ?????? DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR定义一个gd_t全局数据结构的指针，这个指针存放在指定的寄存器r8中。这个声明也避免编译器把r8分配给其它的变量。任何想要访问全局数据区的代码，只要代码开头加入“DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR”一行代码，然后就可以使用gd指针来访问全局数据区了。 ?????? 根据U-Boot内存使用图中可以计算gd的值： gd = TEXT_BASE －CONFIG_SYS_MALLOC_LEN － sizeof(gd_t) （2）bd_t结构体 ?????? bd_t在include/asm-arm.u/u-boot.h中定义如下： typedef struct bd_info { ??? int??????????????? bi_baudrate; ????????????? /* 串口通讯波特率 */ ??? unsigned long???? bi_ip_addr;?? ?????? /* IP 地址*/ ??? struct environment_s ?????? *bi_env;????????????? /* 环境变量开始地址 */ ??? ulong??? ??????? bi_arch_number;????? /* 开发板的机器码 */ ??? ulong??? ??????? bi_boot_params;?????? /* 内核参数的开始地址 */ ??? struct???????????????????????? /* RAM配置信息 */ ??? { ????????????? ulong start; ????????????? ulong size; ?? ?}bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS];? } bd_t; ?????? U-Boot启动内核时要给内核传递参数，这时就要使用gd_t，bd_t结构体中的信息来设置标记列表。 （3）init_sequence数组 ?????? U-Boot使用一个数组init_sequence来存储对于大多数开发板都要执行的初始化函数的函数指针。init_sequence数组中有较多的编译选项，去掉编译选项后init_sequence数组如下所示： typedef int (init_fnc_t) (void); ? init_fnc_t *init_sequence[] = { ?????? board_init,??? ? ?? /*开发板相关的配置--board/samsung/mini2440/mini2440.c */ ?????? timer_init,??????????? /* 时钟初始化-- cpu/arm920t/s3c24x0/timer.c */ ?????? env_init,? ????????? /*初始化环境变量--common/env_flash.c 或common/env_nand.c*/ ?????? init_baudrate,????? /*初始化波特率-- lib_arm/board.c */ ?????? serial_init,??????????? /* 串口初始化-- drivers/serial/serial_s3c24x0.c */ ?????? console_init_f,??? /* 控制通讯台初始化阶段1-- common/console.c */ ?????? display_banner,?? /*打印U-Boot版本、编译的时间-- gedit lib_arm/board.c */ ?????? dram_init,??????????? /*配置可用的RAM-- board/samsung/mini2440/mini2440.c */ ?????? display_dram_config,????????????? /* 显示RAM大小-- lib_arm/board.c */ ?????? NULL, }; ?????? 其中的board_init函数在board/samsung/mini2440/mini2440.c中定义，该函数设置了MPLLCOM，UPLLCON，以及一些GPIO寄存器的值，还设置了U-Boot机器码和内核启动参数地址 ： /* MINI2440开发板的机器码 */ gd->bd->bi_arch_number = MACH_TYPE_MINI2440; ? /* 内核启动参数地址 */ gd->bd->bi_boot_params = 0x30000100;?? ?????? 其中的dram_init函数在board/samsung/mini2440/mini2440.c中定义如下： int dram_init (void) { ????? /* 由于mini2440只有 */ ????? gd->bd->bi_dram[0].start = PHYS_SDRAM_1; ????? gd->bd->bi_dram[0].size = PHYS_SDRAM_1_SIZE; ? ????? return 0; } mini2440使用2片32MB的SDRAM组成了64MB的内存，接在存储控制器的BANK6，地址空间是0x30000000~0x34000000。 在include/configs/mini2440.h中PHYS_SDRAM_1和PHYS_SDRAM_1_SIZE 分别被定义为0x30000000和0x04000000（64M）。 ?????? 分析完上述的数据结构，下面来分析start_armboot函数： void start_armboot (void) { ?????? init_fnc_t **init_fnc_ptr; ?????? char *s; ?????? … … ?????? /* 计算全局数据结构的地址gd */ ?????? gd = (gd_t*)(_armboot_start - CONFIG_SYS_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t)); ?????? … … ?????? memset ((void*)gd,sizeof (gd_t)); ?????? gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t)); ?????? memset (gd->bd,sizeof (bd_t)); ?????? gd->flags |= GD_FLG_RELOC; ? ?????? monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start; ? /* 逐个调用init_sequence数组中的初始化函数? */ ?????? for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) { ????????????? if ((*init_fnc_ptr)() != 0) { ???????????????????? hang (); ????????????? } ?????? } ? /* armboot_start 在cpu/arm920t/start.S 中被初始化为u-boot.lds连接脚本中的_start */ ?????? mem_malloc_init (_armboot_start - CONFIG_SYS_MALLOC_LEN, ???????????????????? CONFIG_SYS_MALLOC_LEN); ? /* NOR Flash初始化 */ #ifndef CONFIG_SYS_NO_FLASH ?????? /* configure available FLASH banks */ ?????? display_flash_config (flash_init ()); #endif /* CONFIG_SYS_NO_FLASH */ ? ?????? … … /* NAND Flash 初始化*/ #if defined(CONFIG_CMD_NAND) ?????? puts ("NAND:? "); ?????? nand_init();???????? /* go init the NAND */ #endif ?????? … … ?????? /*配置环境变量，重新定位 */ ?????? env_relocate (); ?????? … … ?????? /* 从环境变量中获取IP地址 */ ?????? gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr"); ?????? stdio_init (); /* get the devices list going. */ ?????? jumptable_init (); ?????? … … ?????? console_init_r (); /* fully init console as a device */ ?????? … … ?????? /* enable exceptions */ ?????? enable_interrupts (); ? #ifdef CONFIG_USB_DEVICE ?????? usb_init_slave(); #endif ? ?????? /* 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 ?????? … … ?????? /* 网卡初始化 */ #if defined(CONFIG_CMD_NET) #if defined(CONFIG_NET_MULTI) ?????? puts ("Net:?? "); #endif ?????? eth_initialize(gd->bd); … … #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 */ } ?????? main_loop函数在common/main.c中定义。一般情况下，进入main_loop函数若干秒内没有 1.1.3???????????? U-Boot启动Linux过程?????? U-Boot使用标记列表（tagged list）的方式向Linux传递参数。标记的数据结构式是tag，在U-Boot源代码目录include/asm-arm/setup.h中定义如下： struct tag_header { ?????? u32 size;?????? /* 表示tag数据结构的联合u实质存放的数据的大小*/ ?????? u32 tag;??????? /* 表示标记的类型 */ }; ? struct tag { ?????? struct tag_header hdr; ?????? union { ????????????? struct tag_core?????????? core; ????????????? struct tag_mem32????? mem; ????????????? struct tag_videotext?? videotext; ????????????? struct tag_ramdisk???? ramdisk; ????????????? struct tag_initrd? initrd; ????????????? struct tag_serialnr?????? serialnr; ????????????? struct tag_revision????? revision; ????????????? struct tag_videolfb???? videolfb; ????????????? struct tag_cmdline???? cmdline; ? ????????????? /* ????????????? ?* Acorn specific ????????????? ?*/ ????????????? struct tag_acorn? acorn; ????????????? /* ????????????? ?* DC21285 specific ????????????? ?*/ ????????????? struct tag_memclk????? memclk; ?????? } u; }; ?????? U-Boot使用命令bootm来启动已经加载到内存中的内核。而bootm命令实际上调用的是do_bootm函数。对于Linux内核，do_bootm函数会调用do_bootm_linux函数来设置标记列表和启动内核。do_bootm_linux函数在lib_arm/bootm.c 中定义如下： 59?? int do_bootm_linux(int flag,int argc,char *argv[],bootm_headers_t *images) 60?? { 61?? ??? bd_t?????? *bd = gd->bd; 62?? ??? char?????? *s; 63?? ??? int?? machid = bd->bi_arch_number; 64? ???? void?????? (*theKernel)(int zero,int arch,uint params); 65?? 66?? #ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG 67?? ??? char *commandline = getenv ("bootargs");?? /* U-Boot环境变量bootargs */ 68?? #endif ?????? … … 73?? ??? theKernel = (void (*)(int,int,uint))images->ep; /* 获取内核入口地址 */ ?????? … … 86?? #if defined (CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || 87?????? defined (CONFIG_CMDLINE_TAG) || 88?????? defined (CONFIG_INITRD_TAG) || 89?????? defined (CONFIG_SERIAL_TAG) || 90?????? defined (CONFIG_REVISION_TAG) || 91?????? defined (CONFIG_LCD) || 92?????? defined (CONFIG_VFD) 93?? ??? setup_start_tag (bd);???????????????????????????????????? /* 设置ATAG_CORE标志 */ ?????? … … 100? #ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS 101? ??? setup_memory_tags (bd);????????????????????? ?????? /* 设置内存标记 */ 102? #endif 103? #ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG 104? ??? setup_commandline_tag (bd,commandline);????? /* 设置命令行标记 */ 105? #endif ?????? … … 113? ??? setup_end_tag (bd);?????????????????????????????? /* 设置ATAG_NONE标志 */?????????? 114? #endif 115? 116? ??? /* we assume that the kernel is in place */ 117? ??? printf ("nStarting kernel ...nn"); ?????? … … 126? ??? cleanup_before_linux ();????????? /* 启动内核前对CPU作最后的设置 */ 127? 128? ??? theKernel (0,machid,bd->bi_boot_params);????? /* 调用内核 */ 129? ??? /* does not return */ 130? 131? ??? return 1; 132? } ?????? 其中的setup_start_tag，setup_memory_tags，setup_end_tag函数在lib_arm/bootm.c中定义如下： ?????? （1）setup_start_tag函数 static void setup_start_tag (bd_t *bd) { ?????? params = (struct tag *) bd->bi_boot_params;? /* 内核的参数的开始地址 */ ? ?????? params->hdr.tag = ATAG_CORE; ?????? params->hdr.size = tag_size (tag_core); ? ?????? params->u.core.flags = 0; ?????? params->u.core.pagesize = 0; ?????? params->u.core.rootdev = 0; ? ?????? params = tag_next (params); } ?????? 标记列表必须以ATAG_CORE开始，setup_start_tag函数在内核的参数的开始地址设置了一个ATAG_CORE标记。 ?????? （2）setup_memory_tags函数 static void setup_memory_tags (bd_t *bd) { ?????? int i; /*设置一个内存标记 */ ?????? for (i = 0; i < CONFIG_NR_DRAM_BANKS; i++) {??? ????????????? params->hdr.tag = ATAG_MEM; ????????????? params->hdr.size = tag_size (tag_mem32); ? ????????????? params->u.mem.start = bd->bi_dram[i].start; ????????????? params->u.mem.size = bd->bi_dram[i].size; ? ????????????? params = tag_next (params); ?????? } } ?????? setup_memory_tags函数设置了一个ATAG_MEM标记，该标记包含内存起始地址，内存大小这两个参数。 ?????? （3）setup_end_tag函数 static void setup_end_tag (bd_t *bd) { ?????? params->hdr.tag = ATAG_NONE; ?????? params->hdr.size = 0; } ?????? 标记列表必须以标记ATAG_NONE结束，setup_end_tag函数设置了一个ATAG_NONE标记，表示标记列表的结束。 ?????? U-Boot设置好标记列表后就要调用内核了。但调用内核前，CPU必须满足下面的条件： （1）??? CPU寄存器的设置 ?? r0=0 ?? r1=机器码 ?? r2=内核参数标记列表在RAM中的起始地址 （2）??? CPU工作模式 ?? 禁止IRQ与FIQ中断 ?? CPU为SVC模式 （3）??? 使数据Cache与指令Cache失效 ?????? do_bootm_linux中调用的cleanup_before_linux函数完成了禁止中断和使Cache失效的功能。cleanup_before_linux函数在cpu/arm920t/cpu.中定义： int cleanup_before_linux (void) { ?????? /* ?????? ?* this function is called just before we call linux ?????? ?* it prepares the processor for linux ?????? ?* ?????? ?* we turn off caches etc ... ?????? ?*/ ? ?????? disable_interrupts ();???????? /* 禁止FIQ/IRQ中断 */ ? ?????? /* turn off I/D-cache */ ?????? icache_disable();?????????????? /* 使指令Cache失效 */ ?????? dcache_disable();????????????? /* 使数据Cache失效 */ ?????? /* flush I/D-cache */ ?????? cache_flush();??????????????????? /* 刷新Cache */ ? ?????? return 0; } ?????? 由于U-Boot启动以来就一直工作在SVC模式，因此CPU的工作模式就无需设置了。 do_bootm_linux中： 64?? ??? void?????? (*theKernel)(int zero,uint params); … … 73?? ??? theKernel = (void (*)(int,uint))images->ep; … … 128? ??? theKernel (0,bd->bi_boot_params); ?????? 第73行代码将内核的入口地址“images->ep”强制类型转换为函数指针。根据ATPCS规则，函数的参数个数不超过4个时，使用r0~r3这4个寄存器来传递参数。因此第128行的函数调用则会将0放入r0，机器码machid放入r1，内核参数地址bd->bi_boot_params放入r2，从而完成了寄存器的设置，最后转到内核的入口地址。 ?????? 到这里，U-Boot的工作就结束了，系统跳转到Linux内核代码执行。 1.1.4???????????? U-Boot添加命令的方法及U-Boot命令执行过程?????? 下面以添加menu命令（启动菜单）为例讲解U-Boot添加命令的方法。 （1）??? 建立common/cmd_menu.c ?????? 习惯上通用命令源代码放在common目录下，与开发板专有命令源代码则放在board/<board_dir>目录下，并且习惯以“cmd_<命令名>.c”为文件名。 （2）??? 定义“menu”命令 ?????? 在cmd_menu.c中使用如下的代码定义“menu”命令： _BOOT_CMD( ?????? menu,??? 3,??? 0,??? do_menu, ?????? "menu - display a menu,to select the items to do somethingn", ?????? " - display a menu,to select the items to do something" ); ?????? 其中U_BOOT_CMD命令格式如下： U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) ?????? 各个参数的意义如下： name：命令名，非字符串，但在U_BOOT_CMD中用“#”符号转化为字符串 maxargs：命令的最大参数个数 rep：是否自动重复（按Enter键是否会重复执行） cmd：该命令对应的响应函数 usage：简短的使用说明（字符串） help：较详细的使用说明（字符串） ?????? 在内存中保存命令的help字段会占用一定的内存，通过配置U-Boot可以选择是否保存help字段。若在include/configs/mini2440.h中定义了CONFIG_SYS_LONGHELP宏，则在U-Boot中使用help命令查看某个命令的帮助信息时将显示usage和help字段的内容，否则就只显示usage字段的内容。 ?????? U_BOOT_CMD宏在include/command.h中定义： #define U_BOOT_CMD(name,help) cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name,help} ?????? “##”与“#”都是预编译操作符，“##”有字符串连接的功能，“#”表示后面紧接着的是一个字符串。 ?????? 其中的cmd_tbl_t在include/command.h中定义如下： struct cmd_tbl_s { ?????? char????????????? *name;????????? /* 命令名 */ ?????? int????????? maxargs;?????? /* 最大参数个数 */ ?????? int????????? repeatable;??? /* 是否自动重复 */ ?????? int????????? (*cmd)(struct cmd_tbl_s *,char *[]);? /* ?响应函数 */ ?????? char????????????? *usage;???????? /* 简短的帮助信息 */ #ifdef??? CONFIG_SYS_LONGHELP ?????? char????????????? *help;?????????? /* ?较详细的帮助信息 */ #endif #ifdef CONFIG_AUTO_COMPLETE ?????? /* 自动补全参数 */ ?????? int????????? (*complete)(int argc,char last_char,int maxv,char *cmdv[]); #endif }; typedef struct cmd_tbl_s? cmd_tbl_t; ?????? 一个cmd_tbl_t结构体变量包含了调用一条命令的所需要的信息。 ?????? 其中Struct_Section在include/command.h中定义如下： #define Struct_Section? __attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd"))) ?????? 凡是带有__attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd"))属性声明的变量都将被存放在".u_boot_cmd"段中，并且即使该变量没有在代码中显式的使用编译器也不产生警告信息。 ?????? 在U-Boot连接脚本u-boot.lds中定义了".u_boot_cmd"段： ?????? . = .; ?????? __u_boot_cmd_start = .;????????? /*将 __u_boot_cmd_start指定为当前地址 */ ?????? .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) } ?????? __u_boot_cmd_end = .;?????????? /*? 将__u_boot_cmd_end指定为当前地址? */ ?????? 这表明带有“.u_boot_cmd”声明的函数或变量将存储在“u_boot_cmd”段。这样只要将U-Boot所有命令对应的cmd_tbl_t变量加上“.u_boot_cmd”声明，编译器就会自动将其放在“u_boot_cmd”段，查找cmd_tbl_t变量时只要在__u_boot_cmd_start与__u_boot_cmd_end之间查找就可以了。 ?????? 因此“menu”命令的定义经过宏展开后如下： cmd_tbl_t __u_boot_cmd_menu __attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd"))) = {menu,3,do_menu,"menu - display a menu," - display a menu,to select the items to do something"} ?????? 实质上就是用U_BOOT_CMD宏定义的信息构造了一个cmd_tbl_t类型的结构体。编译器将该结构体放在“u_boot_cmd”段，执行命令时就可以在“u_boot_cmd”段查找到对应的cmd_tbl_t类型结构体。 （3）??? 实现命令的函数 ?????? 在cmd_menu.c中添加“menu”命令的响应函数的实现。具体的实现代码略： int do_menu (cmd_tbl_t *cmdtp,int flag,char *argv[]) { ?????? /* 实现代码略 */ } （4）??? 将common/cmd_menu.c编译进u-boot.bin ?????? 在common/Makefile中加入如下代码： COBJS-$(CONFIG_BOOT_MENU) += cmd_menu.o ?????? 在include/configs/mini2440.h加入如代码： #define CONFIG_BOOT_MENU 1 ?????? 重新编译下载U-Boot就可以使用menu命令了 （5）menu命令执行的过程 ?????? 在U-Boot中输入“menu”命令执行时，U-Boot接收输入的字符串“menu”，传递给run_command函数。run_command函数调用common/command.c中实现的find_cmd函数在__u_boot_cmd_start与__u_boot_cmd_end间查找命令，并返回menu命令的cmd_tbl_t结构。然后run_command函数使用返回的cmd_tbl_t结构中的函数指针调用menu命令的响应函数do_menu，从而完成了命令的执行。 ? ? 作者：heaad ? ?http://www.cnblogs.com/heaad/? 邮箱：heaad@qq.com （编辑：李大同） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
