U-BOOT启动过程分析经典文章汇集

发布时间：2020-12-15 18:46:19 所属栏目：百科来源：网络整理

导读：U-Boot启动过程尽管有了调试跟踪手段，甚至也可以通过串口打印信息了，但是不一定能够判断出错原因。如果能够充分理解代码的启动流程，那么对准确地解决和分析问题很有帮助。开发板上电后，执行U-Boot的第一条指令，然后顺序执行U-Boot启动函数。函数调用

U-Boot启动过程

尽管有了调试跟踪手段，甚至也可以通过串口打印信息了，但是不一定能够判断出错原因。如果能够充分理解代码的启动流程，那么对准确地解决和分析问题很有帮助。

开发板上电后，执行U-Boot的第一条指令，然后顺序执行U-Boot启动函数。函数调用顺序如图6.3所示。

看一下board/smsk2410/u-boot.lds这个链接脚本，可以知道目标程序的各部分链接顺序。第一个要链接的是cpu/arm920t/start.o，那么U-Boot的入口指令一定位于这个程序中。下面详细分析一下程序跳转和函数的调用关系以及函数实现。

1．cpu/arm920t/start.S

这个汇编程序是U-Boot的入口程序，开头就是复位向量的代码。

图6.3? U-Boot启动代码流程图

_start: b?????? reset??????? //复位向量

?????? ldr?? pc,_undefined_instruction

…

?/* the actual reset code ?*/

reset: ???????? //复位启动子程序

?????? /* 设置CPU为SVC32模式 */

?????? mrs?? r0,cpsr

?????? bic?? r0,r0,#0x1f

?????? orr?? r0,#0xd3

?????? msr?? cpsr,r0

/* 关闭看门狗 */

/* 这些初始化代码在系统重起的时候执行，运行时热复位从RAM中启动不执行 */

#ifdef CONFIG_INIT_CRITICAL

?????? bl??? cpu_init_crit

#endif

relocate:?????????????? ??????? /* 把U-Boot重新定位到RAM */

?????? adr?? r0,_start????? ??? /* r0是代码的当前位置 */

?????? ldr?? r1,_TEXT_BASE????? /* 测试判断是从Flash启动，还是RAM */

?????? cmp???? r0,r1?????? ?? /* 比较r0和r1，调试的时候不要执行重定位 */

?????? beq???? stack_setup??? /* 如果r0等于r1，跳过重定位代码 */

?????? /* 准备重新定位代码 */

?????? ldr?? r2,_armboot_start

?????? ldr?? r3,_bss_start

?????? sub?? r2,r3,r2????? ??? /* r2 得到armboot的大小?? */

?????? add?? r2,r2????? ??? /* r2 得到要复制代码的末尾地址 */

copy_loop: /* 重新定位代码 */

?????? ldmia r0!,{r3-r10}?? /*从源地址[r0]复制 */

?????? stmia r1!,{r3-r10}?? /* 复制到目的地址[r1] */

?????? cmp?? r0,r2????????? /* 复制数据块直到源数据末尾地址[r2] */

?????? ble?? copy_loop

?????? /* 初始化堆栈等??? */

stack_setup:

?????? ldr?? r0,_TEXT_BASE????? ??? ??? /* 上面是128 KiB重定位的u-boot */

?????? sub?? r0,#CFG_MALLOC_LEN???? /* 向下是内存分配空间 */

#ifdef CONFIG_USE_IRQ

?????? sub?? sp,#12???? /* 为abort-stack预留3个字 */

clear_bss:

?????? mov ? r2,#0x00000000???? /* 清零 */

clbss_l:str r2,[r0]??????? /* bss段地址空间清零循环...? */

?????? add?? r0,#4

?????? bne?? clbss_l

?????? /* 跳转到start_armboot函数入口，_start_armboot字保存函数入口指针 */

_start_armboot: .word start_armboot???? //start_armboot 函数在 lib_arm/board.c 中实现

/* 关键的初始化子程序 */

cpu_init_crit:

……? //初始化CACHE，关闭MMU等操作指令

?????? /* 初始化RAM时钟。

??????? *? 因为内存时钟是依赖开发板硬件的，所以在 board 的相应目录下可以找到 memsetup.S 文件。

?????? */

?????? mov?? ip,lr

?????? bl??? memsetup ???????? //memsetup 子程序在 board/smdk2410/memsetup.S 中实现

?????? mov?? lr,ip

?????? mov?? pc,51); font-family:Arial; font-size:14px; line-height:26px; text-align:left"> 2．lib_arm/board.c

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。

void start_armboot (void)

{

?????? DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;

?????? ulong size;

?????? init_fnc_t **init_fnc_ptr;

?????? char *s;

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

?????? gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));

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

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

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

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

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

?????? monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;

?????? /* 顺序执行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 ();

????????? ????}

?????? }

?????? /*配置可用的Flash */

?????? size = flash_init ();

?????? display_flash_config (size);

?????? /* _armboot_start 在u-boot.lds链接脚本中定义 */

?????? mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);

?????? /* 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");

?????? /* 以太网接口MAC 地址 */

?????? ……

?????? devices_init ();? ??? /* 获取列表中的设备 */

?????? jumptable_init ();

?????? console_init_r (); ?? /* 完整地初始化控制台设备 */

?????? enable_interrupts (); /* 使能例外处理 */

?????? /* 通过环境变量初始化 */

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

?????????????? load_addr = simple_strtoul (s,NULL,16);

?????? /* main_loop()总是试图自动启动，循环不断执行 */

?????? for (;;) {

??????????????? main_loop (); ???? /*? 主循环函数处理执行用户命令 ?-- common/main.c */

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

}

3．init_sequence[]

init_sequence[]数组保存着基本的初始化函数指针。这些函数名称和实现的程序文件在下列注释中。

init_fnc_t *init_sequence[] = {

?????? cpu_init,???? ??? ??? /* 基本的处理器相关配置 -- cpu/arm920t/cpu.c */

?????? board_init,??????????? /*? 基本的板级相关配置 ?-- board/smdk2410/smdk2410.c */

?????? interrupt_init,?? ???? /*? 初始化例外处理 ?-- cpu/arm920t/s3c24x0/interrupt.c */

?????? env_init,???? ??? ??? /* 初始化环境变量 -- common/cmd_flash.c */

?????? init_baudrate,??? ??? /* 初始化波特率设置 -- lib_arm/board.c */

?????? serial_init,????? ???? /*? 串口通讯设置 ?-- cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c */

?????? console_init_f,?? ??? /* 控制台初始化阶段1 -- common/console.c */

?????? display_banner,?? ??? /* 打印u-boot信息 -- lib_arm/board.c */

?????? dram_init,??????? ??? /* 配置可用的RAM -- board/smdk2410/smdk2410.c */

?????? display_dram_config,?/* 显示RAM的配置大小 -- lib_arm/board.c */

?????? NULL,

};

U-BOOT start_armboot浅析

start_armboot浅析

ARM920t架构的CPU在完成基本的初始化后（ARM汇编代码），就进入它的C语言代码，而C语言代码的入口就是start_armboot,start_armboot在lib_arm/board.c中。start_armboot将完成以下工作。

1.全局数据结构的初始化

比如gd_t结构的初始化:

251???????? gd = (gd_t*)(_armboot_start – CFG_MALLOC_LEN – sizeof(gd_t));

_armboot_start是u-boot在RAM中的开始地址（对于u-boot最终搬移到RAM中运行的情况）,CFG_MALLOC_LEN在include/configs/<board name>.h中定义。

bd_t结构的初始化:

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

u-boot把bd_t结构紧接着gd_t结构存放。

内存分配的初始化

316???????? mem_malloc_init(_armboot_start-CFG_MALLOC_LEN);

经过以上的初始化后，u-boot在内存中的布局为（在底端为低地址）

-----------------------------

BSS

-----------------------------

U-BOOT TEXT/DATA

-----------------------------

CFG_MALLOC_LEN

-----------------------------

gd_t

-----------------------------

bd_t

-----------------------------

STACK

-----------------------------

2.调用通用初始化函数

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

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

???????????????????? hang ();

????????????? }

?????? }

init_sequence[]是init_fnc_t函数指针数组，这个数组包含了众多初始化函数，比如cpu_init，board_init等。

3.初始化具体设备

这一部分包括对Flash，LCD，网络的初始化等，例如

318?#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_NAND)

?????? puts ("NAND:?");

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

#endif

367?devices_init();

386?#ifdef CONFIG_DRIVER_CS8900

?????? cs8900_get_enetaddr (gd->bd->bi_enetaddr);

#endif

4.初始化环境变量

环境变量在通用初始化函数里面，已经初始化一次（env_init），这里调用env_relocate对环境变量进行重新定位。在我的另一篇文章”U-BOOT ENV 实现”中有对环境变量实现的讨论。

5.进入主循环

当然start_armboot除了以上工作外，还完成其它的初始化工作，具体参考lib_arm/board.c，在一切准备就绪之后，就进入u-boot的主循环:

416?for (;;) {

????????????? main_loop ();

?????? }

main_loop的代码比较长，基本是就是执行用户的输入命令。

下内容来自笔者在中国Linux论坛Linux嵌入技术讨论区的张贴：x`"m
?南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　Uw/%#*
--------------------------------------------------------------------------------"
aaronwong: u-boot中代码的疑问(_armboot_start与_start)?12Gm
---------------------------=j
我使用的是u-boot-1.3.0-rc2。在cpu/pxa/start.S中，有如下的标号定义：?w'
_TEXT_BASE:?7B
.word TEXT_BASE /*uboot映像在SDRAM中的重定位地址，我设置为0xa170 0000 */?k&BnQf
?南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　A%
.globl _armboot_start?/'b&%
_armboot_start:?50m B8
.word _start /*_start是程序入口，链接完毕它的值应该是0xa170 0000=TEXT_BASE*/?2inlX
/* 这句话的意思应该是在_armboot_start标号处，保存了_start的值，也就是说，_armboot_start是存放_start的地址，该地址对应的存储单元内容是0xa170 0000*/?~1
/*??南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　[-S(
* These are defined in the board-specific linker script. 下面的定义与上面应该是一个意思。?y1sDB
*/??南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　?Ud=F}
.globl _bss_start?W8
_bss_start:?4V1kfj
.word __bss_start?5`
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝?XM
按照上面的理解，__bss_start是uboot 的bss段起始地址，那么uboot映像的大小就是__bss_start - _start；在relocate代码段中计算uboot的大小时，也体现了这一点。?fHK'f0
实际上，_armboot_start并没有实际意义，它只是在"ldr r2,_armboot_start"中用來寻址_start的值而已，_bss_start也是一样的道理，真正有意义的应该是_start和 __bss_start本身。?;{I
但是，令我不解的是，在C入口函数start_armboot()中(对应文件为lib_arm/board.c)，有如下代码：?=-yz!
void start_armboot (void)?6#F[C
{??南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　dCb
.........?*=
gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t)); //第一句话?7
..........?xfw,
monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start; //第二句话?=r1m,
...............?=cN^x+
mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN); //第三句话?W
..........??
}??南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　u
==============================================?v#HG/
按照上面的理解，_armboot_start与_bss_start都是没有实际意义的，它们只是一个地址，有实际意义的是地址中的内容_start和 __bss_start（虽然也还是地址）。象第一句话，其“意图”很明显，是把gd作为全局数据结构体的指针，并初始化为“SDRAM中的uboot起始地址(即TEXT_BASE)－CFG_MALLOC_LEN－全局数据结构体大小”。?<BgA
要实现这个“意图”，应该是写成:gd = (gd_t*)(_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));或者gd = (gd_t*)(TEXT_BASE- CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));才对阿？用_armboot_start来作运算应该是没有任何意义才对！？?#0gYd?
第二句话也是一样的道理，它的意图是要计算u-boot映像的大小，应该写成__bss_start - _start才对阿？?@`PVq
我使用readelf工具查看编译所得到的uboot映像文件得到信息如下：?NK7,G
[aaronwong@localhost build]$ readelf -s u-boot|grep _start?G
1018: a1700048 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _bss_start?!Qgo}
1083: a1700044 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _armboot_start?W
1142: a1700000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _start?b9>
1197: a171b070 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __bss_start?m[<B2Q
上面我删除了与该讨论无关的包含“_start""t的标号信息。?&:gP
显然，我前面的理解应该是正确的(_start=TEXT_BASE=0xa170 0000)。那么u-boot源代码中的monitor_flash_len=_bss_start - _armboot_start=0xa1700048 - 0xa1700044 = 4，有什么意义？？?p
迷茫中，期盼大虾指点迷津，谢谢～！！！?<
?南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　M6fJvX
--------------------------------------------------------------------------------%:#-
eltshan: [Re: aaronwong]9o22#P
-----------------Zi
1018: a1700048 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _bss_start?D3dY(
1083: a1700044 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _armboot_start?_mAq>
1142: a1700000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _start?QNr+Pc
1197: a171b070 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __bss_start?+=
?南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　E-Y>
我想:?FCNh{M
_start所在的地址是a1700000,?eHEsMt
_armboot_start 所在的地址是a1700044,??
那么根据这句:?7.Iy
_armboot_start: .word _start?}<U
所以_armboot_start的值应该是a1700000?w34ok:
?南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　gh/
所以??南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　ka
monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start = a171b070 - a1700000 = 1b070?~=w
而不是你说的 = 4?FYxAA@
?南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　*E*4z
以上个人意见.Q~St
?南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　^p`Sc
--------------------------------------------------------------------------------Nkh
aaronwong: [Re: eltshan];DQlk5
-------------------p4
谢谢，eltshan！你的理解是正确的，不过我看了之后还是没能想得很明白，因为我在想，按你所说，那么_start的值应该是多少呢？难道是“b reset”这条指令的机器码？所以我对ELF格式的u-boot映像文件作了反汇编，分析之后终于找到了症结所在。以下是部分分析过程，首先是反汇编：?24
arm-iwmmxt-linux-gnueabi-objectdump -D u-boot > u-boot.s?*{|(q#
并提取了monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;这条语句相关的反汇编代码如下：?/
==============================?^o#c7
a1700044 <_armboot_start>:?b?
a1700044: a1700000 .word 0xa1700000?e{Zn
?南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　>
a1700048 <_bss_start>:?l#"{w
a1700048: a171b070 .word 0xa171b070?U3sK
?南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　!.
a171b070 <monitor_flash_len>:?R
a171b070: 00000000 .word 0x00000000?Q^$
?南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　MeE9
.....?m4
a1700f40: e59f41d0 ldr r4,[pc,#464] ; a1701118 <start_armboot+0x1dc>?lF-4
//r4=[a1701118]=a1700044?2/NL_;
.....?EW0Th
a1700f7c: e59f3198 ldr r3,#408] ; a170111c <start_armboot+0x1e0>?[T4Uwy
//r3=[a1700044]=a1700048?D
a1700f80: e5942000 ldr r2,[r4]?2/0N0
//r2=[a1700044]=a1700000?mV
a1700f84: e59f4194 ldr r4,#404] ; a1701120 <start_armboot+0x1e4>?bWFU
//r4=[a1701120]=a1719d24?#Bnq
a1700f88: e5933000 ldr r3,[r3]?*
//r3=[a1700048]=a171b070?<?
a1700f8c: e0623003 rsb r3,r2,r3?$e8I:
//r3= r3-r2 = a171b070-a1700000 = 1b070;?q|
a1700f90: e59f218c ldr r2,#396] ; a1701124 <start_armboot+0x1e8>?f1XV
//r2=[a1701124]=a171b070?}
a1700f94: e5823000 str r3,[r2]?h`lC]
//monitor_flash_len=[r2]=r3=1b070?mJT:HJ
......?=op4
?南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　9
a1701118: a1700044 .word 0xa1700044?Z0
a170111c: a1700048 .word 0xa1700048?fr3g(
a1701120: a1719d24 .word 0xa1719d24?EpcDe
a1701124: a171b070 .word 0xa171b070?XT&
========================================?:
上面//是我自己的注释。这表明，你的理解的确是正确的。?:}6
经过这个过程之后，我终于认识到自己的误解在哪里了。原来，我是把"汇编语言中LDR伪指令对符号的引用"与"C语言中对汇编程序中符号/常量/变量的引用"搞混淆了。我想说明以下几点：`[I
?南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　WY
(1) readelf以及u-boot.map和System.map所给出的符号表中符号的值，实际上是表示符号所在的地址，而不是指符号本身的值。E?F'R
?南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　u
(2) 汇编语言中没有指针的概念，因此对符号的引用是"赤裸裸"的。例如：?M"
==========?wM
.globl _armboot_start?J%
_armboot_start: .word _start?d_
ldr r2,_armboot_start?Kf
==========?,
实际上反汇编以后是：?466
============?;/g-oE
a1700044 <_armboot_start>:?}b
a1700044: a1700000 .word 0xa1700000?R
a1700074: e51f2038 ldr r2,#-56] ; a1700044 <_armboot_start>?b b}/4
============?[7A
也就是说，_armboot_start是一个地址0xa1700044，其中的内容是0xa1700000，上面对_armboot_start的引用是直接将其替换为其表示的地址0xa1700044，而非其中的内容0xa1700000。这就是"赤裸裸"的引用。?m
?南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　)bR;
(3) C语言则不同，对变量/符号/常量的引用必须要通过地址来寻址，不管是全局变量还是局部变量，不同的是局部变量在生命期结束后，所占的地址空间会被释放而已。即使是函数调用时的参数传递，虽然是将实参的值"拷贝"给形参，但"拷贝"的过程也是通过实参和形参的地址来对两者进行访问的。?p
所以，在C语言中的 "monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start" 这句话中对_armboot_star的引用，实际上是把它用作了指针，把它作为访问对象的地址来使用，通过这个地址即a1700044 来访问对应存储空间所存放的内容亦即0xa1700000，_bss_start也是同样的道理。所以这句话实际上是monitor_flash_len =[a1700048]-[0xa1700044]=a171b070-a1700000 = 1b070，这样就得到了正确的结果。?eNe#ij
?南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　MnK-47
现在，我们再回答最前面的问题：_start的值是什么？_start表示地址0xa1700000 ，在汇编语言中，对_start的"绝对引用"(这里是与用相对寻址进行跳转进行区别)就是将其替换为0xa1700000，但其中存放的内容的的确确就是"b reset"这条指令的机器码，所以如果在C语言中引用_start，得到的结果反而就是这个指令的机器码了。其实这个问题很简单，只是和C语言的引用搅在一起，一些概念被偷换了而已。?*

（编辑：李大同）

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U-BOOT启动过程分析 经典文章汇集

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