bootloader详解----u-boot启动的2个阶段

前边，我们说了，一般的bootloader都分为两个阶段。我在讲U-boot实现源码分析时，也是按照这连个阶段来分析，如果对这两个阶段不清楚，请看前边的博客。好了，开始今天的主题：U-boot在开发板上移植过程详解(2)---U-boot实现源码分析(start.S分析)

第一阶段：

    1）一些基本的硬件初始化工作                                                

    u-boot对应的第一阶段代码放在cpu/arm920t/start.S文件中，入口代码如下：

.globl _start                 ;global声明一个符号可被其它文件引用，相当于声明了一个全局变量，.globl与.global相同 _start:    b       reset    ;b是不带返回的跳转(bl是带返回的跳转)，意思是无条件直接跳转到reset标号出执行程序     ldr    pc, _undefined_instruction  ;ldr相当于mov操作     ldr    pc, _software_interrupt     ldr    pc, _prefetch_abort     ldr    pc, _data_abort     ldr    pc, _not_used     ldr    pc, _irq     ldr    pc, _fiq ;.word伪操作用于分配一段字内存单元(分配的单元都是字对齐的)，并用伪操作中的expr初始化。 _undefined_instruction:  .word undefined_instruction   ;就是在当前地址，即_undefined_instruction 处存放 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

 

   这部分就是异常向量表。当系统上电或复位后，将执行第一条指令，即跳转到标签为reset的代码处执行,具体如下：

reset:                                   ;设置CPU为SVC32管理模式     mrs    r0,cpsr                     ;mrs将状态寄存器cpsr(current program status register)的内容传送至通用寄存器     bic    r0,r0,#0x1f                ;r0和0x1f（00011111）的反码进行位与,是把 r0后面5位清零     orr    r0,r0,#0xd3                ;r0和0xd3(11010011)进行位或,最后得到r0=11010011,目的是设置r0的后5位为10011,让ARM进入SVC特权模式     msr    cpsr,r0 #if defined(CONFIG_S3C2400)   ;关闭看门狗 # define pWTCON        0x15300000   ;看门狗寄存器 # define INTMSK         0x14400008    ;中断屏蔽寄存器 # define CLKDIVN        0x14800014    ;时钟分频寄存器 #elif defined(CONFIG_S3C2410) # define pWTCON        0x53000000 # define INTMSK         0x4A000008    # define INTSUBMSK    0x4A00001C   ;次级中断屏蔽寄存器 # define CLKDIVN    0x4C000014        ;时钟分频寄存器 #endif #if defined(CONFIG_S3C2400) || defined(CONFIG_S3C2410)     ldr       r0, =pWTCON     mov     r1, #0x0     str       r1, [r0]     mov     r1, #0xffffffff                    ;屏蔽所有中断     ldr       r0, =INTMSK     str       r1, [r0] # if defined(CONFIG_S3C2410)     ldr       r1, =0x3ff     ldr       r0, =INTSUBMSK     str       r1, [r0] # endif     ldr    r0, =CLKDIVN                       ;设置时钟     mov    r1, #3     str    r1, [r0] #endif    /* CONFIG_S3C2400 || CONFIG_S3C2410 */ #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT     bl    cpu_init_crit                         ;跳转并把转移后面紧接的一条指令地址保存到链接寄存器LR(R14)中，以此来完成子程序的调用 #endif

   上面的代码将CPU设为管理模式，关闭看门狗，屏蔽中断并设置中断，最后调用cpu_init_crit函数进行cpu的初始化，代码如下：

cpu_init_crit:                                 ;清除指令和数据缓存     mov    r0, #0     mcr    p15, 0, r0, c7, c7, 0            ;mcr{条件} 协处理器编码, 协处理器操作码1, 目的寄存器, 源寄存器1, 源寄存器2, 协处理器操作码2      mcr    p15, 0, r0, c8, c7, 0            ;mcr指令用于将ARM处理器寄存器的数据传送到协处理器寄存器中,若协处理器不能成功完成操作，则                                                     ;产生未定义指令异常。其中协处理器操作码1和协处理器操作码2为协处理器将要执行的操作，目的寄存器                                                     ;为ARM处理器的寄存器，源寄存器1和源寄存器2均为协处理器的寄存器。      mrc    p15, 0, r0, c1, c0, 0            ;mrc 协处理器寄存器到ARM处理器寄存器的数据传送指令     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     mov    ip, lr                                 ;设置SDRAM控制器,与具体的目标板相关     bl    lowlevel_init     mov    lr, ip     mov    pc, lr

   在这个函数中做了一下工作：清除指令与数据缓存，禁用MMU与数据指令缓存，最后调用lowlevel_init函数设置SDRAM控制器。该函数的实现与具体的目标板有关的。

   2）准备RAM空间 

    所谓准备RAM空间，就是初始化内存芯片，使它可用。 在board/smdk2410/lowlevel.init.S就是这个作用，要注意这时的代码，数据都保存在NOR Flash上，内存中还没有，所以读取数据时要变换地址，如下：

_TEXT_BASE: .word    TEXT_BASE .globl lowlevel_init lowlevel_init:     ;现在起三行进行地址变化，因为这时候内存中还没有数据，不能使用连接程序时确定的地址来读取数据         ldr     r0, =SMRDATA                  ;SMBRDATA表示这13个寄存器的值存放在开始地址(连接地址)，值为0x33F8XXXX,处于内存中             ldr     r1, _TEXT_BASE                ;获得代码段的起始地址(_TEXT_BASE=0X33F80000)     sub    r0, r0, r1                         ;将r0和r1相减，这就是13个寄存器值在Nor Flash上存放的开始地址                                  ldr     r1, =BWSCON                   ;Bus Width Status Controller     add     r2, r0, #13*4 0:     ldr     r3, [r0], #4     str     r3, [r1], #4     cmp   r2, r0     bne    0b     mov   pc, lr     .ltorg SMRDATA:                                   ;13个寄存器的值     .word … …     .word … …

   这里做完以后，就要将整个U-boot的代码都复制到SDRAM中，这些又都在start.S中实现，如下：

relocate:                                     ;将u-boot复制到RAM中     adr    r0, _start                         ;r0:当前代码的开始地址     ldr     r1, _TEXT_BASE                ;r1:代码段的连接地址     cmp   r0, r1                              ;测试现在是在Flash中还是在RAM中     beq    stack_setup                     ;如果已经在RAM中(这通常是调试时直接下载到RAM中)，则不需要复制     ldr     r2, _armboot_start             ;_armboot_start在前边已经定义,是第一条指令的运行地址     ldr     r3, _bss_start                   ;在连接脚本u-boot.lds中定义，是代码的结束地址     sub    r2, r3, r2                          ;r2=代码段的长度     add    r2, r0, r2                         ;r2=NOR Flash上代码段的结束地址 copy_loop:     ldmia    r0!, {r3-r10}                  ;从地址[r0]处获得数据     stmia    r1!, {r3-r10}                  ;复制到地址[r1]处     cmp    r0, r2                             ;复制是否复制完毕     ble    copy_loop                        ;没复制完，则继续

   接下来，就要设置栈，栈的设置灵活性很大，只要让sp寄存器指向一段没有使用的内存即可。

stack_setup:     ldr     r0, _TEXT_BASE                                 ;_TEXT_BASE为代码段的开始地址，值为0x33F80000     sub    r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN                   ;代码段下面，留出一段内存以实现malloc     sub    r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE              ;再留出一段内存，存一些全局参数 #ifdef CONFIG_USE_IRQ     sub    r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)    ;IRQ,FIQ模式的栈 #endif     sub    sp, r0, #12                                       ;最后，留下12字节的内存给abort异常，往下的内存就都是栈了

   3）跳转到第二阶段代码的C入口点

   在跳转之前，还要清除BSS段(初始值为0，无初始值的全局变量，静态变量放在BSS段)，代码如下：

clear_bss:     ldr       r0, _bss_start                 ;BSS段的开始地址，它的值在连接脚本U-boot.lds中确定     ldr       r1, _bss_end                   ;BSS段的结束地址，它的值也在连接脚本u-boot.lds确定     mov     r2, #0x00000000       clbss_l:str    r2, [r0]                      ;往BSS段中写入0值     add    r0, r0, #4     cmp    r0, r1     ble    clbss_l

   现在，c函数的运行环境已经完全准备好了，通过如下命令直接跳转(这之后，程序才在内存中执行)，它将调用lib_arm/board.c中的start_armboot函数(这是一个C语言函数)，这是第二阶段的入口点：

ldr    pc, _start_armboot _start_armboot:    .word start_armboot

   在第二阶段代码中，将进行更多的初始化工作，如对各种设备和接口的初始化，串口终端的初始化等。如果没有设置自动运行，则最终将进入一个循环，在循环内读取用户输入的命令并执行，这些会在下一节详细介绍。

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U-boot在开发板上移植过程详解(3)---U-boot实现源码分析(第二阶段)

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  U-boot的第二阶段和bootloader所完成的功能基本上是一致的，只是顺序上有点差别。另外，u-boot在启动内核之前可以让用户决定是否进入下载模式，即进入u-boot的控制界面。

     第二阶段是从lib_arm/board.c中的start_armboot函数开始的。移植u-boot的主要工作在于对硬件的初始化，驱动。这里就重点按照硬件的操作上。

     (1)初始化本阶段要用到的硬件设备

      这里最重要的是设置系统时钟，初始化串口，只要这两个设置好了，就可以从串口看到打印信息。board_init函数设置MPLL、改变系统时钟，它是开发板相关的函数，在board/samsung/smdk2440/smdk2440.c中实现。值得注意的是board_init函数还保存了机器类型ID，这将在调用内核的时候传递给内核。

      串口的初始化函数主要是serial_init,它设置UART控制器，是CPU的相关函数，在cpu/arm920t/s3c2440/serial.c中实现。

     (2)检测系统内存映射

      对于特定的开发板，器内存的分布是明确的，所以可以直接设置。board/smdk2410/smdk2410.c中的dram_init函数指定了本开发板的内存起始地址为0x300

00000,大小为0x40000000.代码如下:  

int dram_init(void) { //这两个值都定义在include/configs/smdk2440.h中 gd->bd->bi_dram[0] . start = PHYS_SDRAM_1; //即0x30000000 gd->bd->bi_dram[0].size = PHYS_SDRAM_1_SIZE; //即0x04000000 return 0; }

     这些设置的参数，将在后面向内核传递参数时用到。

   (3)U-boot命令实现

     我们已经知道，即使是内核的启动，也是通过U-boot命令来实现的。u-boot中的每个命令都通过U-BOOT-CMD宏(在include/command.h)来定义，格式如下：

U_BOOT_CMD(name, maxargs, repeatable, command, “usage”, "help”) 各项参数说明如下： name:命令的名字，注意，它不是一个字符串(不要用双引号括起来) maxargs：最大的参数个数 repeatable：命令是否可重复，可重复是指运行一个命令后，下次敲回车即可再次运行 command：对应的函数指针，类型为(*cmd)(struct cmd_tbl_s *, int, int, char *[]) usage:简短的使用说明，这是个字符串

     下面以bootm命令来说明，它有如下定义：

U_BOOT_CMD(         bootm, CFG_MAXARGS, 1, do_bootm,         "string1”,         "string2" );

    利用U_BOOT_CMD的宏展开后的命令如下

cmd_tbl_t  __u_boot_cmd_boot  __attribute__  ((unused, section(".u_boot_cmd")))  = { "bootm",                                       CFG_MAXARGS, 1,  do_bootm, "string1", “string2”};

    对于每个使用U_BOOT_CMD宏来定义的命令，其实都是在".u_boot_cmd"段中定义一个cmd_tbl_t结构,如下：

struct cmd_tbl_s { char *name; //命名名称 int maxargs; //最大参数个数   int repeatable; //是否允许自动重复 int (*cmd)(struct cmd_tbl_s *, int, int, char *[]); //实现函数 char *usage; //帮助信息(短) char *help; //帮助信息（长） }; typedef struct cmd_tbl_s cmd_tbl_t;

     在u-boot的链接脚本board/smdk2410/u-boot.lds中有如下定义：

__u_boot_cmd_start = .;  .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }  __u_boot_cmd_end = .;

     在程序中就是根据命令的名字在内存段__u_boot_cmd_start~__u_boot_cmd_end找到它的cmd_tbl_t结构，然后调用它的函数(请参考common/comm

and.c中的find_cmd函数)。

    (4)引导内核的实现

     U-boot也是通过标记列表向内核传递参数的。ARM Linux内核对bootloader的引导功能有一定要求，在执行内核代码前必须设置下列条件：

     & 对CPU寄存器的设置为R0=0, R1=机器类型ID，R2=引导参数列表的地址

     & 必须禁止中断(IRQ与FIQ)

     & CPU必须处于SVC模式

     & MMU必须关闭

     & 数据缓存必须关闭
     现在linux虽然支持两种格式的引导参数，这里主要介绍最常用的新的方式---即上面所说的标记列表的,这种方式灵活，且对参数的描述更细致。

     标签列表的每个标签由标签头和标签体组成。标签头说明这个标签的大小(单位是整数不是字节)以及这个标签的类型。类型是由内核定义好的一个数字。标签头用一个结构体struct tag_header表示，如下：

struct tag_header{ u32 size; u32 tag; };

     在标签头之后，根据标签的类型，所需的标签体也是不同的。标签列表的结束由一个特殊的标签类型ATAG_NONE标志，它没有标签体。

     比较重要的两个标签类型是ATAG_MEM(设置内存信息)和ATAG_CMDLINE(用来传递命令行参数，即U-boot的bootargs变量的内容)，这里列出来，需要的请大家查看google。下面给出一些小细节：

     &u-boot源码中给出了一些设置标签列表的源代码，放在文件lib_arm/armlinux.c中，方法是先定义一个全局变量static struct tag *params,其中这个结构体的类型是一个将所有标签类型组合在一起的结构体,如下所示：

struct tag { struct tag_header hdr; union { struct tag_corecore; struct tag_mem32mem; struct tag_videotextvideotext; struct tag_ramdiskramdisk; struct tag_initrdinitrd; struct tag_serialnrserialnr; struct tag_revisionrevision; struct tag_videolfbvideolfb; struct tag_cmdlinecmdline; struct tag_acornacorn; struct tag_memclkmemclk; } u; };

    所有标签的头格式都是相同的，只是标签体不同，因此用联合体的方式将它们组合在一起。下面就是设置起始标签的函数代码：

static void setup_start_tag (bd_t *bd) { params = (struct tag *) bd->bi_boot_params; 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); }

    在这个函数中，首先将变量params的值设为标签列表的开始地址，然后逐个设置标签中的成员，最后params变量的值将指向下一个标签应该设置的地址。其中，tag_size是一个宏，用来得到标签的大小。最后，用于设置标签列表结束的函数如下：

static void setup_end_tag (bd_t *bd) { params->hdr.tag = ATAG_NONE; params->hdr.size = 0; }

    对于ARM架构的CPU，都是通过lib_arm/armlinux.c中的do_bootm_linxu函数来启动内核的，方法如下：

    首先，获得内核映像的入口地址：

theKernel = (void (*)(int, int, uint))ntohl(hdr->ih_ep);

     这样theKernel就指向内核存放的地址(对于ARM架构的CPU,通常是0x30008000),这里的hdr指向内核U-boot映像头部数据的指针，而hdr->ih_ep就是内核的入口地址，最后用下述代码调用内核：

theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params);

    这里的bd->bi_arch_number就是前面board_init函数设置的机器类型ID, bd->bi_boot_params就是标记列表的开始地址。根据ATPCS调用约定，上述函数的三个函数分别放在寄存器R0,R1,R2中，这样就实现了内核要求的入口条件。

    讲到这里，有关的U-boot的关键源码分析分析部分就完成了，下次开始就来U-boot移植的实践操作篇。