uboot源码及启动过程分析

时间：2022-10-27 04:54:40

一 uboot源码下载地址：

ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/

在此网站可以下载到最新的uboot，同时也可以根据需要下载各个不同时期版本的uboot。

二 uboot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：

.

├── api

├── arch

├── board

├── common

├── configs

├── disk

├── doc

├── drivers

├── dts

├── examples

├── fs

├── include

├── lib

├── Licenses

├── net

├── post

├── scripts

├── test

└── tools

 

19 directories

下面分别介绍各个文件的作用

api

U-Boot machine/arch independent API for external apps

Uboot为外部应用程序提供的独立API接口

arch

与各个平台的处理器相关的文件。

打开后出现如下文件夹：

arc,arm,avr32,powerpc等，代表不同的平台。

以ARM为例，点开arm文件夹，出现如下文件(夹)：

cpu,dts,lib……比较重要的有cpu，cpu文件夹包含arm不同的系列，如：arm11,arm720t,arm920t……

以arm920t为例，里面文件要重点阅读的有：

cpu.c,interrupts.c,start.s

cpu.c：初始化CPU、设置指令Cache和数据Cache等

interrupt.c：设置系统的各种中断和异常

start.S：是U-boot启动时执行的第一个文件，它主要做最早期的系统初始化，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。

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实际地址，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_*.c、U-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、LCD、Nand Flash等等

disk

fs

net

支持CPU无关的重要子系统：

磁盘驱动的分区处理代码

文件系统：FAT、JFFS2、EXT2等

网络协议：NFS、TFTP、RARP、DHCP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，几乎是所有架构的U-boot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-Record或U-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。
三、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

#include

/*

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

 *

 * 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 Flash、SDRAM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）

 

 

 

 

 



对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bin或ELF文件中不占空间。

编译器会计算出_bss_start和_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 Flash、SDRAM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。


二、 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和 bd_t这两个数据结构比较重要，建议大家看。

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

给 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_len为u-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 VFD（LCD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卡/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bootdelay和bootcmd

在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。


 


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