從0移植uboot (二) _啟動流程分析

来源:http://www.cnblogs.com/xiaojiang1025/archive/2017/02/23/6435839.html
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經過了上一篇的配置，我們已經執行make就可以編譯出一個uboot.bin，但這還不夠，首先，此時的uboot並不符合三星晶元對bootloader的格式要求，其次，此時的uboot.bin也沒有結合我們的開發板進行配置，還無法使用。而要進行這樣的個性化配置，前提條件就是對uboot開機流程和編譯系 ...


經過了上一篇的配置，我們已經執行make就可以編譯出一個uboot.bin，但這還不夠，首先，此時的uboot並不符合三星晶元對bootloader的格式要求，其次，此時的uboot.bin也沒有結合我們的開發板進行配置，還無法使用。而要進行這樣的個性化配置，前提條件就是對uboot開機流程和編譯系統有所瞭解，本文主要討論前者。uboot是一個兩階段bootloader，第一階段主要做硬體直接相關的初始化，使用彙編編寫;第二階段主要為操作系統的運行準備環境，主要用C編寫，這裡以ARM平臺為例分析其啟動流程。下麵是啟動過程中主要涉及的文件

arch/arm/cpu/armv7/start.S
board/samsung/myboard/lowlevel_init.S
arch/arm/lib/crt0.S
arch/arm/lib/board.c
arch/samsung/myboard/myboard.c

第一階段

第一階段的主要文件和任務如下

arch/arm/cpu/armv7/start.S
           1. 設置CPU為SVC模式
           2. 關閉中斷，MMU，Cache
board/samsung/origen/lowlevel_init.S
           3. 關閉看門狗
           4. 初始化記憶體，串口
           5. 設置棧
           6. 代碼自搬移
           7. 清BSS
           8. 跳轉到C入口？？？？

start.S

 39 .globl _start
 40 _start: b       reset
 41         ldr     pc, _undefined_instruction
 42         ldr     pc, _software_interrupt
 43         ldr     pc, _prefetch_abort
 44         ldr     pc, _data_abort
 45         ldr     pc, _not_used
 46         ldr     pc, _irq
 47         ldr     pc, _fiq

--40--> 異常向量表設置

126 reset:
127         bl      save_boot_params
131         mrs     r0, cpsr
132         bic     r0, r0, #0x1f
133         orr     r0, r0, #0xd3
134         msr     cpsr,r0

--126-->設置CPU為SVC模式

下麵這三行代碼非常重要，是整個uboot啟動過程的交叉點

154         bl      cpu_init_cp15
155         bl      cpu_init_crit
158         bl      _main

--154-->跳轉執行cpu_init_cp15，即初始化CP15協處理器
--155-->跳轉執行cpu_init_crit,
--158-->跳轉執行_main，即第二階段

287 ENTRY(cpu_init_cp15)
291         mov     r0, #0                  @ set up for MCR
292         mcr     p15, 0, r0, c8, c7, 0   @ invalidate TLBs
293         mcr     p15, 0, r0, c7, c5, 0   @ invalidate icache
294         mcr     p15, 0, r0, c7, c5, 6   @ invalidate BP array
295         mcr     p15, 0, r0, c7, c10, 4  @ DSB
296         mcr     p15, 0, r0, c7, c5, 4   @ ISB
297 
301         mrc     p15, 0, r0, c1, c0, 0
302         bic     r0, r0, #0x00002000     @ clear bits 13 (--V-)
303         bic     r0, r0, #0x00000007     @ clear bits 2:0 (-CAM)
304         orr     r0, r0, #0x00000002     @ set bit 1 (--A-) Align
305         orr     r0, r0, #0x00000800     @ set bit 11 (Z---) BTB
307         bic     r0, r0, #0x00001000     @ clear bit 12 (I) I-cache
311         mcr     p15, 0, r0, c1, c0, 0
312         mov     pc, lr                  @ back to my caller
313 ENDPROC(cpu_init_cp15)

--291-->關閉Cache
--301-->關閉MMU

324 ENTRY(cpu_init_crit)
331         b       lowlevel_init           @ go setup pll,mux,memory
332 ENDPROC(cpu_init_crit)

--331-->跳轉到lowlevel_init，位於board/samsung/origen/lowlevel_init.S，進行板級相關的設置。

lowlevel_init.S

這是位於目錄的初始化文件，主要完成特定開發板的初始化工作，包括時鐘、記憶體和串口等。

 82         bl system_clock_init
 85         bl mem_ctrl_asm_init
 87 1:
 88         /* for UART */
 89         bl uart_asm_init
 90         bl tzpc_init
 91         pop     {pc}
114 system_clock_init:
329 uart_asm_init:
357 tzpc_init:

--82-->初始化系統時鐘，即跳轉到114行
--85-->初始化系統記憶體
--89-->初始化UART串口，即跳轉到329行
--90-->初始化TrustZoneProtectorController，即跳轉到357行

執行完lowlevel_init.S，依據上面那三行代碼，執行流程就該回到start.S執行156行跳轉到_main,開始執行第二階段。

第二階段

從start.S跳轉到_main ，標緻著uboot啟動過程的第二階段的開始。在第二階段，核心文件是crt0.S，但我們最關心的是其中回調板級C程式的入口位置。第二階段的流程如下:

arch/arm/lib/crt0.S
           1. 初始化C運行環境，調用board_init_f()
arch/arm/lib/board.c
           1. board_init_f對全局信息GD結構體進行填充
arch/arm/lib/crt0.S
           1. 代碼重定位
           2. 代碼自搬移
           3. 執行超迴圈
arch/arm/lib/board.c
           1. board_init_r()是進入定製板目錄的入口

crt0.S

進入第二階段是首要任務就是準備C語言運行的環境:

 96 _main:
102 #if defined(CONFIG_NAND_SPL)
103         /* deprecated, use instead CONFIG_SPL_BUILD */
104         ldr     sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
105 #elif defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK)
106         ldr     sp, =(CONFIG_SPL_STACK)
107 #else
108         ldr     sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
109 #endif
110         bic     sp, sp, #7      /* 8-byte alignment for ABI compliance */
111         sub     sp, #GD_SIZE    /* allocate one GD above SP */
112         bic     sp, sp, #7      /* 8-byte alignment for ABI compliance */
113         mov     r8, sp          /* GD is above SP */
114         mov     r0, #0
115         bl      board_init_f

_main
--104-->初始化SP，為C語言做準備
--110-->保存128B放GD結構體來存放全局信息，
--111-->GD的地址放在r8中，
--115-->跳轉到board_init_f()，這個整個初始化過程中第一次執行的C代碼

board.c

下麵這個函數就是uboot初始化過程中執行的第一個C函數，可以看作這個文件的入口函數。函數比較長，我就不逐句分析了，這個函數主要的作用就是執行一些高等級的初始化。其中最重要的就是準備全局信息GD結構體

209 typedef int (init_fnc_t) (void);
243 init_fnc_t *init_sequence[] = {
244         arch_cpu_init,          /* basic arch cpu dependent setup */
245         mark_bootstage,
246 #ifdef CONFIG_OF_CONTROL
247         fdtdec_check_fdt,
            ...
277 void board_init_f(ulong bootflag)
278 {
        ...
291         gd->mon_len = _bss_end_ofs;
292 #ifdef CONFIG_OF_EMBED
293         /* Get a pointer to the FDT */
294         gd->fdt_blob = _binary_dt_dtb_start;
295 #elif defined CONFIG_OF_SEPARATE
296         /* FDT is at end of image */
297         gd->fdt_blob = (void *)(_end_ofs + _TEXT_BASE);
298 #endif
299         /* Allow the early environment to override the fdt address */
300         gd->fdt_blob = (void *)getenv_ulong("fdtcontroladdr", 16,
301                                                 (uintptr_t)gd->fdt_blob);
302 
303         for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
304                 if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
305                         hang ();
306                 }
307         }
        ...

board_init_f()
--243--> 全局的函數指針數組，每個指針都是int (*ptr)(void)型的。
--291-->mon_len 通過鏈接腳本可以知道存放的是 uboot 代碼大小;
--294-->fdt_blob 存放設備數地址;
--303--遍歷函數指針數組init_sequence中的每一個成員，就是將數組中的每一個初始化函數都執行一次，這種寫法可以借鑒

crt0.S

函數board_init_f()返回後，繼續執行crt0.S中115行之後的部分，主要的工作是執行代碼自搬移，代碼重定位等工作，執行完這些之後，我們我們找到了最感興趣的下麵這幾句

163         /* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */
164         mov     r0, r8                  /* gd_t */
165         ldr     r1, [r8, #GD_RELOCADDR] /* dest_addr */
166         /* call board_init_r */
167         ldr     pc, =board_init_r       /* this is auto-relocated! */

--167-->跳轉到board_init_r函數執行，這次跳出去這個文件的語句就執行完畢了，不會再回來了

board.c

這也是最後一次跳轉到這個文件了，執行額函數如下

519 void board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr)
520 {
521         ulong malloc_start;
522 #if !defined(CONFIG_SYS_NO_FLASH)
523         ulong flash_size;
524 #endif
525 
526         gd->flags |= GD_FLG_RELOC;      /* tell others: relocation done */
527         bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_START_UBOOT_R, "board_init_r");
528 
529         monitor_flash_len = _end_ofs;
530 
531         /* Enable caches */
532         enable_caches();
533 
534         debug("monitor flash len: %08lX\n", monitor_flash_len);
535         board_init();   /* Setup chipselects */
        ...
650          /* set up exceptions */
651         interrupt_init();
652         /* enable exceptions */
653         enable_interrupts(); 
667         eth_initialize(gd->bd);
        ...
701         /* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again. */
702         for (;;) {
703                 main_loop();
704         }
705

board_init_r()
--532-->很多緊急工作都做完了，可以打開cache了
--535-->關鍵!!!這個就是我們苦苦尋找的板級定製文件的xxx.c的入口函數！！！
--651-->中斷初始化
--653-->使能中斷
--667-->網卡初始化，函數的實現在net/eth.c，會回調板級xxx.c中的board_eth_init()
--703-->執行超迴圈，主要功能是處理環境變數,解析命令，也就是uboot中和我們交互的命令的解析工作都在這裡執行!!!

main_loop()與啟動內核

main_loop()的實現在common/main.c，它的主要功能就是迴圈檢測輸入的命令並執行，其中一個環境變數bootdelay(自啟動)的設置決定了是否啟動內核，如果延時大於等於零,並且沒有在延時過程中接收到按鍵,則引導內核。ootloader 要想啟動內核,可以直接跳到內核的第一個指令處,即內核的起始地址,這樣便可以完成內核的啟動工作了。但是要想啟動內核還需要滿足下麵的一些條件，這些條件在Linux內核文檔"/Documentation/kernel-parameters.txt"中有說明，
1、cpu 寄存器設置

* R0 = 0
* R1 = 機器類型 id
* R2 = 啟動參數在記憶體中的起始地址

2、cpu 模式

* 禁止所有中斷
* 必須為 SVC(超級用戶)模式

3、Cache、MMU

* 關閉 MMU
* 指令 Cache 可以開啟或者關閉
* 數據 Cache 必須關閉

4、設備

* DMA 設備應當停止工作

5、PC 為內核的起始地址

關於uboot的啟動分析，本文只是冰山一角的一丟丟，不過希望通過我的這一堆廢話下來，能幫助你對uboot的啟動流程有一個整體的認識，當然，如果文中有錯誤，歡迎批評指正^-^



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