嵌入式linux开发uboot移植（三）――uboot启动过程源码分析
一、uboot启动流程简介
与大多数BootLoader一样，uboot的启动过程分为BL1和BL2两个阶段。BL1阶段通常是开发板的配置等设备初始化代码，需要依赖依赖于SoC体系结构，通常用汇编语言来实现；BL2阶段主要是对外部设备如网卡、Flash等的初始化以及uboot命令集等的自身实现，通常用C语言来实现。
1、BL1阶段
uboot的BL1阶段代码通常放在start.s文件中，用汇编语言实现，其主要代码功能如下：
（1） 指定uboot的入口。在链接脚本uboot.lds中指定uboot的入口为start.S中的_start。
（2）设置异常向量(exception vector)
（3）关闭IRQ、FIQ，设置SVC模式
（4）关闭L1 cache、设置L2 cache、关闭MMU
（5）根据OM引脚确定启动方式
（6）在SoC内部SRAM中设置栈
（7）lowlevel_init（主要初始化系统时钟、SDRAM初始化、串口初始化等）
（8）设置开发板供电锁存
（9）设置SDRAM中的栈
（10）将uboot从SD卡拷贝到SDRAM中
（11）设置并开启MMU
（12）通过对SDRAM整体使用规划，在SDRAM中合适的地方设置栈
（13）清除bss段，远跳转到start_armboot执行，BL1阶段执行完
2、BL2阶段
start_armboot函数位于lib_arm/board.c中，是C语言开始的函数，也是BL2阶段代码中C语言的主函数，同时还是整个u-boot（armboot）的主函数，BL2阶段的主要功能如下：
（1）规划uboot的内存使用
（2）遍历调用函数指针数组init_sequence中的初始化函数
（3）初始化uboot的堆管理器mem_malloc_init
（4）初始化SMDKV210开发板的SD/MMC控制器mmc_initialize
（5）环境变量重定位env_relocate
（6）、将环境变量中网卡地址赋值给全局变量的开发板变量
（7）、开发板硬件设备的初始化devices_init
（8）、跳转表jumptable_init
（9）、控制台初始化console_init_r
（10）、网卡芯片初始化eth_initialize
（11）、uboot进入主循环main_loop
二、uboot程序入口分析
1、link.lds链接脚本文件分析
u-boot.lds文件是uboot工程的链接脚本文件，位于board\samsung\smdkc110目录下，对于工程项目编译后期的链接阶段非常重要，决定了uboot程序的组装。
u-boot.lds链接文件中的ENTRY(_start)指定了uboot程序的入口地址为_start。
2、定位uboot程序入口地址
在SourceInsight建立uboot工程，利用索引功能查找_start，在搜索结果中找到与三星smdkv210开发板相关的代码，最终锁定cpu\s5pc11x\start.S文件，定位到文件中的_start标识符。
三、start.S文件分析
1、头文件分析
start.S有四个头文件：
#include <config.h>
config.h头文件在配置开发板时由mkconfig脚本创建的头文件，头文件内容即包含开发板的头文件：#include <configs/smdkv210single.h>
#include <version.h>
version.h头文件的内容为包含自动生成的版本头文件，头文件内容为：#include "version_autogenerated.h"，version_autogenerated.h头文件定义了版本宏，宏定义为：#define U_BOOT_VERSION "U-Boot 1.3.4"。版本宏的值就是Makefile中定义的版本信息。
#include <asm/proc/domain.h>
domain.h头文件在定义了CONFIG_ENABLE_MMU宏时有效，为链接文件，实际指向的文件为include/asm-arm/proc-armv/domain.h。
#include <regs.h>
regs.h头文件为链接文件，指向s5pc110.h头文件，s5pc110.h文件内部使用宏定义了有关SoC内部寄存器的大量信息。
2、头校验信息的占位
#if defined(CONFIG_EVT1) && !defined(CONFIG_FUSED)
.word 0x2000
.word 0x0
.word 0x0
.word 0x0
#endif
定义uboot程序开头的16字节校验头信息填充空间，头校验信息块内的值需要在后面写入。
3、异常向量表的构建
.globl _start
_start:
b reset
ldrpc, _undefined_instruction
ldrpc, _software_interrupt
ldrpc, _prefetch_abort
ldrpc, _data_abort
ldrpc, _not_used
ldrpc, _irq
ldrpc, _fiq
uboot程序的入口点实际是定义了异常向量表，异常向量表由SoC硬件实现，因此uboot在开机上电复位时需要跳转到reset执行。
4、复位reset分析
SoC上电复位后运行的第一段代码就是reset。主要包括以下几部分：
A、关闭IRQ、FIQ，并将处理器模式设置为SVC模式
B、CPU关键寄存器的初始化cpu_init_crit：
关闭L2 cache
初始化L2 cache
开启L2 cache
关闭L1 cache
关闭MMU
读取OM启动引脚信息
确定从启动设备SD卡启动
设置SRAM中的栈为调用lowlevel_init做准备（lowlevel_init内部有嵌套调用）
调用lowlevel_init（主要初始化系统时钟、SDRAM初始化、串口初始化等）
设置开发板供电锁存
设置SDRAM中的栈
判断当前代码是否运行在SDRAM中，如果当前代码运行在SDRAM中，则跳过代码重定位。
判断启动方式，选择SD卡启动设备，跳转到mmcsd_boot
SD卡启动的准备工作，从SD卡拷贝uboot到SDRAM：movi_bl2_copy
C、设置MMU，开启MMU
D、通过对SDRAM整体使用规划，在SDRAM中合适的地方设置栈
E、清除bss段，远跳转到start_armboot执行，BL1阶段执行完
5、lowlevel_init分析
lowlevel_init位于\board\samsung\smdkc110\lowlevel_init.S中，主要功能如下：
A、检查复位状态，判断启动的方式
根据复位状态选择复位启动的方式，处于低功耗状态时复位启动可以跳过后续多个步骤。
B、IO状态恢复
C、关闭看门狗
D、外部SRAM的GPIO初始化、外部SROM初始化
E、开发板供电锁存设置
F、判断当前代码是否运行在SDRAM，如果当前代码运行在SDRAM，说明目前从低功耗状态复位，可以跳过系统时钟初始化、串口初始化、SDRAM初始化等
G、初始化系统时钟：system_clock_init
H、初始化SDRAM内存：mem_ctrl_asm_init
I、初始化串口，打印出’O’：uart_asm_init
J、初始化trustzone：tzpc_init
K、初始化nand或onenand
L、检查复位状态
M、关闭ABB
N、串口打印出‘K’
说明：”OK”是打印出的调试信息，如果打印出’O’则说明在串口初始化uart_asm_init前的所有代码是正确的。如果打印出”OK”则说明在开发板板级初始化lowlevel_init前的所有代码是正常工作的。
system_clock_init、uart_asm_init、tzpc_init、nand_asm_init都位于lowlevel_init.S文件内，mem_ctrl_asm_init位于cpu\s5pc11x\s5pc110\cpu_init.S文件中。
四、board.c文件分析
uboot在执行完BL1阶段后远跳转到start_armboot函数执行BL2，start_armboot函数位于lib_arm\board.c中。
1、重要变量的说明
typedef int (init_fnc_t) (void);函数类型
init_fnc_t **init_fnc_ptr;//二级函数指针
#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR register volatile gd_t *gd asm ("r8")
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR定义了一个存储在寄存器r8中的指向gd_t类型全局变量的指针gd。
全局变量结构体的定义：
typedefstructglobal_data {
bd_t*bd;//boardinfo结构体信息，存放和开发板有关的信息
unsigned longflags;//标志位
unsigned longbaudrate;//串口通信波特率
unsigned longhave_console;//控制台/* serial_init() was called */
unsigned longreloc_off;//重定位偏移量/* Relocation Offset */
unsigned longenv_addr;//环境变量结构体的地址/* Address of Environment struct */
unsigned longenv_valid;//环境变量使用标志/* Checksum of Environment valid? */
unsigned longfb_base;//fb基地址/* base address of frame buffer */
#ifdef CONFIG_VFD
unsigned charvfd_type;///* display type */
#endif
void**jt;//跳转表/* jump table */
} gd_t;
开发板信息结构体变量的定义：
typedef struct bd_info {
intbi_baudrate;//硬件串口波特率/* serial console baudrate */
unsigned longbi_ip_addr;//开发板IP地址/* IP Address */
unsigned charbi_enetaddr[6];//开发板网卡地址 /* Ethernet adress */
struct environment_s *bi_env;//环境变量指针
ulong bi_arch_number;//机器码/* unique id for this board */
ulong bi_boot_params;//uboot启动参数/* where this board expects params */
struct/* RAM configuration */
{
ulong start;
ulong size;
}bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS];//内存插条信息
#ifdef CONFIG_HAS_ETH1
/* second onboard ethernet port */
unsigned char bi_enet1addr[6];//第二块网卡的地址
#endif
} bd_t;
2、uboot的内存规划
SDRAM_BASE被MMU映射在0xC0000000，CFG_UBOOT_BASE是0xC3E00000
在BL1段运行时，uboot镜像被拷贝到CFG_UBOOT_BASE开始的地址处。
gd的地址：
gd_base = CFG_UBOOT_BASE + CFG_UBOOT_SIZE - CFG_MALLOC_LEN - CFG_STACK_SIZE - sizeof(gd_t);
bd的地址：
gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));
3、start_armboot函数分析
start_armboot函数的主要功能如下：
（1）、遍历调用函数指针数组init_sequence中的初始化函数
依次遍历调用函数指针数组init_sequence中的函数，如果有函数执行出错，则执行hang函数，打印出”### ERROR ### Please RESET the board ###”，进入死循环。
（2）、初始化uboot的堆管理器mem_malloc_init
（3）、初始化SMDKV210的SD/MMC控制器mmc_initialize
（4）、环境变量重定位env_relocate
（5）、将环境变量中网卡地址赋值给全局变量的开发板变量
（6）、开发板硬件设备的初始化devices_init
（7）、跳转表jumptable_init
（8）、控制台初始化console_init_r
（9）、网卡芯片初始化eth_initialize
（10）、uboot进入主循环main_loop
void start_armboot (void)
{
//全局数据变量指针gd占用r8。
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
/* 给全局数据变量gd安排空间*/
gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));
memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t));
/* 给板子数据变量gd->bd安排空间*/
gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));
memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));
monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;//u-boot长度。
/* 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 ();
}
}
/* 初始化堆空间 */
mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);
/* 重新定位环境变量， */
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 (); /* 设备初始化 */
jumptable_init (); //跳转表初始化
console_init_r (); /* 完整地初始化控制台设备 */
enable_interrupts (); /* 使能中断处理 */
/* 通过环境变量初始化 */
if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
}
/* main_loop()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 */
}
}
4、函数指针数组init_sequence
函数指针数组init_sequence：
init_fnc_t *init_sequence[] = {
cpu_init,//CPU架构的初始化，为空cpu\s5pc11x\cpu.c
board_init,//开发板初始化board\samsung\smdkc110\smdkc110.c
interrupt_init,//定时器timer4初始化cpu\s5pc11x\interrupts.c
env_init,//环境变量初始化common\env_movi.c
init_baudrate,//波特率设置lib_arm\board.c
serial_init,//延时函数Ｃ，没有再次初始化串口cpu\s5pc11x\serial.c
console_init_f,//控制台第一阶段初始化，控制台未初始化好common\console.c
display_banner,//用串口发送uboot版本信息lib_arm\board.c
#if defined(CONFIG_DISPLAY_CPUINFO)
print_cpuinfo,//串口打印系统时钟信息cpu\s5pc11x\s5pc110\speed.c
#endif
#if defined(CONFIG_DISPLAY_BOARDINFO)
checkboard,//打印开发板信Board:SMDKV210
//board\samsung\smdkc110\smdkc110.c
#endif
#if defined(CONFIG_HARD_I2C) || defined(CONFIG_SOFT_I2C)
init_func_i2c,//SMDKV210未定义I2C，函数为空lib_arm\board.c
#endif
dram_init,//初始化gd->bd->bi_dram，开发板的SDRAM配置信息
board\samsung\smdkc110\smdkc110.c
display_dram_config,//串口打印出DRAM的大小信息，DRAM:xxxMB
lib_arm\board.c
NULL,
};
board_init函数：
dm9000_pre_init();//网卡初始化，GPIO和端口设置
gd->bd->bi_arch_number = MACH_TYPE;//开发板的机器码，uboot的机器码和linux的机器码之间必须适配
gd->bd->bi_boot_params = (PHYS_SDRAM_1+0x100);//uboot给内核的传参地址
display_banner函数：
打印uboot版本信息：uboot-1.3.4
print_cpuinfo函数：
打印CPU时钟系统的时钟信息
checkboard函数：
打印出开发板信息Board: SMDKV210
display_dram_config函数：
打印出DRAM的大小信息，DRAM:xxxMB
打印出的信息可以作为调试使用，依次遍历调用函数指针数组init_sequence中的函数，如果有函数执行出错，则执行hang函数，打印出”### ERROR ### Please RESET the board ###”，进入死循环。
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