u-boot启动流程详解-基于iTop4412开发板

Posted 2022-06-20 最是人间第七味

前言

u-boot的作用：CPU上电后，需要设置很多状态，包括CPU状态、中断状态、MMU状态等，其次要做的就是对硬件资源经行板级初始化、代码重定向等，最后若不进入命令行模式，就会将linux内核从flash(NAND，NOR FLASH，SD，MMC等)拷贝到DDR中，最后启动linux内核。

4412 u-boot启动流程:

A.开机运行iRom中代码

B.BL1阶段(E4412_N.bl1.xxxxG.bin:8KB，三星提供的bin文件，没有源码)

C.BL2(SPL)阶段(bl2.bin :16KB，uboot启动第一阶段代码，在uboot中称为SPL阶段)

D.uboot第二阶段代码(u-boot.bin ：小于512KB，uboot启动第二阶段代码)

接下来，我就会按以上流程逐步开始分析uboot启动流程。

1.开机运行iRom中代码

4412内部存在一个大小位64Kb的iRom,物理内存首地址为0x0000_0000。ARM芯片启动时从物理地址0x0000_0000的存储介质中取第一条指令开始运行。三星在iROM中固化了一段启动代码，因此，芯片上电时首先运行iROM中的这段代码。这段代码主要做以下4个工作：

1. 初始化出程序运行的基本环境，比如关闭看门狗、设置栈以及初始化时钟等

2. 读取OM脚判断uboot的启动介质（内部EMMC、外部SD/MMC卡等）

3. 从启动介质加载BL1阶段代码到iRAM中特定的地址（0x0202_1400）处，4412的iRAM有256Kb，起始物理地址是0x0202_0000

      4. iROM中的启动代码对BL1代码做完整性校验，校验通过后，跳转到iRAM中的BL1运行

2.BL1阶段

BL1阶段主要做如下工作：

　　1. 从启动介质拷贝BL2代码（SPL阶段）到iRAM的0x0202_3400处，因此在编译uboot时，BL2的链接地址需要设置为0x0202_3400

./include/configs/itop4412.h
/* MMC SPL */
#define COPY_BL2_FNPTR_ADDR   0x02020030
#define CONFIG_SPL_TEXT_BASE  0x02023400 /* 0x02021410 */

2. 校验BL2的完整性，通过后跳到BL2运行

　　在BL2中有两个数据Checksum和Signature，BL1对BL2的校验就是检查这两个数据。BL2有效程序必须小于14332B，14KB-4B的地方用于存放Checksum,14KB的地方用于存放Signature

    

Uboot2015中，编译出uboot的第一阶段SPL后，使用board/Samsung/itop4412/tools/mkitop4412spl.c计算校验和放到14KB-4B的地方。

　　编译SPL阶段的脚本文件scripts/Makefile.spl中调用mkitop4412spl

3.SPL阶段

至此uboot开始运行，BL2在iRAM中运行，主要的工作是：

1. 初始化时钟、初始化串口、初始化动态内存DRAM

2. 拷贝uboot第二阶段代码到DRAM中，然后跳转到DRAM中执行uboot第二阶段代码

详细过程见下段描述：

3.1.从链接脚本u-boot.lds开始

    前言： u-boot.lds -找到u-boot启动入口的钥匙

    程序的链接是由链接脚本来决定的，所以通过链接脚本可以找到程序的入口。uboot在未编译之前，可以在uboot代码里的arch/arm/cpu/下找到u-boot.lds，在编译后会基于这个.lds文件，生成最终使用的.lds，4412的lds源码如下：

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS

 . = 0x00000000;
 . = ALIGN(4);
 .text :
 
  cpu/arm_cortexa9/start.o (.text)
  cpu/arm_cortexa9/s5pc210/cpu_init.o (.text)
  board/samsung/smdkc210/lowlevel_init.o (.text)
  common/ace_sha1.o (.text)
  *(.text)
 
 . = ALIGN(4);
 .rodata :  *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) 
 . = ALIGN(4);
 .data :  *(.data) 
 . = ALIGN(4);
 .got :  *(.got) 
 __u_boot_cmd_start = .;
 .u_boot_cmd :  *(.u_boot_cmd) 
 __u_boot_cmd_end = .;
 . = ALIGN(4);
 __bss_start = .;
 .bss :  *(.bss) 
 _end = .;

根据第3行可以确定SPL阶段的入口点是_start。_start在源码arch/arm/lib/vectors.S中有定义：

*
 *************************************************************************
 *
 * Symbol _start is referenced elsewhere, so make it global
 *
 *************************************************************************
 */

.globl _start

/*
 *************************************************************************
 *
 * Vectors have their own section so linker script can map them easily
 *
 *************************************************************************
 */

  .section ".vectors", "ax"

/*
 *************************************************************************
 *
 * Exception vectors as described in ARM reference manuals
 *
 * Uses indirect branch to allow reaching handlers anywhere in memory.
 *
 *************************************************************************
 */

_start:

#ifdef CONFIG_SYS_DV_NOR_BOOT_CFG
  .word CONFIG_SYS_DV_NOR_BOOT_CFG
#endif

  b reset
  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

      

      SPL阶段的入口代码使用汇编写的，从_start入口点开始，进入复位中断向量执行点reset，开始设置程序运行的基本环境，比如将CPU设置为SVC模式、设置栈、关闭看门狗等；然后进入第一个c函数board_init_f，这个函数中会调用do_lowlevel_init初始化SOC内部的组件，比如系统时钟、串口、DRAM等，然后再调用copy_uboot_to_ram将uboot第二阶段代码拷贝到DRAM，并跳转到uboot第二阶段执行，详细调用过程如下图所示：

                         

4.uboot第二阶段代码

    　uboot第二阶段的入口点和SPL阶段的入口点是一样的，都是从Arch/arm/lib/ vectors.S的_start进入arch/arm/cpu/armv7/start.S的reset。

　　SPL阶段已经完成了SOC内部各组件的初始化工作，第二阶段uboot会初始化SOC外部的一些组件比如存储设备EMMC/SD、网卡等，然后会实现uboot代码的主体功能比如环境变量、命令行、启动内核等功能。

     以下会对流程进行详细分析：

4.1 arch/arm/lib/vectors.S

       _start->reset

      工作：uboot第二阶段入口点;跳转到reset

4.2 arch/arm/cpu/armv7/start.S

       reset

      工作：禁用中断，设置CPU为SVC模式(ARM处理器7种工作模式之一，系统复位或开机、软中断时进入到SVC模式)；跳转到_main

4.3 arch/arm/lib/crto.S

      _main

     工作：

     1.在DRAM中设置栈

     2.跳转到 board_init_f(uboot启动中的第一个c文件)

4.3.1 commom/board_f.c

         直接看源码

void board_init_f(ulong boot_flags)

  gd->flags = boot_flags;
  gd->have_console = 0;

  if (initcall_run_list(init_sequence_f))
    hang();

#if !defined(CONFIG_ARM) && !defined(CONFIG_SANDBOX) && \\
    !defined(CONFIG_EFI_APP) && !CONFIG_IS_ENABLED(X86_64)
  /* NOTREACHED - jump_to_copy() does not return */
  hang();
#endif

        可以看到函数最主要的语句就是initcall_run_list(init_sequence_f)，init_sequence_f是一个函数指针数组，因为存在很多预编译条件判断就不再这里赘述源码了，感兴趣的同学可以直接看源码。init_sequence_f数组里面放了很多初始化gd结构体的函数指针，重要的几个函数如下：

1.int reloc_fdt:重定位设备树

static int reloc_fdt(void)

#ifndef CONFIG_OF_EMBED
  if (gd->flags & GD_FLG_SKIP_RELOC)
    return 0;
  if (gd->new_fdt) 
    memcpy(gd->new_fdt, gd->fdt_blob, gd->fdt_size);
    gd->fdt_blob = gd->new_fdt;
  
#endif

  return 0;

2.env_init初始化env

int env_init(void)

  struct env_driver *drv = env_driver_lookup_default();
  int ret = -ENOENT;

  if (!drv)
    return -ENODEV;
  if (drv->init)
    ret = drv->init();
  if (ret == -ENOENT) 
    gd->env_addr = (ulong)&default_environment[0];
    gd->env_valid = ENV_VALID;

    return 0;
   else if (ret) 
    debug("%s: Environment failed to init (err=%d)\\n", __func__,
          ret);
    return ret;
  

  return 0;

3.dram_init:gd->bd中关于DDR配置部分全局变量的赋值（大小 起始地址 等）

int dram_init(void)

  /* We do not initialise DRAM here. We just query the size */
  gd->ram_size = query_sdram_size();
  return 0;

......受限于篇幅，对init_sequence_f函数组感兴趣的小伙伴可以直接去看一下源码。

4.3.2 跳转 relocate

     b relocate_code

    工作：代码段重定位，因为之前已经重定位过，所以该函数判断完条件后直接返回

4.3.3 跳转 relocate_vectors

b relocate_vectors

工作：重定位中断向量表

4.3.4 清零bss段

      bss段通常是指用来存放程序中未初始化的或者初始化为0的全局变量和静态变量的一块内存区域。特点是可读写的，感兴趣的小伙伴可以深入了解一下！

4.3.5 调用board_init_r

/* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */
  mov     r0, r9                  /* gd_t */
  ldr r1, [r9, #GD_RELOCADDR] /* dest_addr */
  /* call board_init_r */
#if CONFIG_IS_ENABLED(SYS_THUMB_BUILD)
  ldr lr, =board_init_r /* this is auto-relocated! */
  bx  lr
#else
  ldr pc, =board_init_r /* this is auto-relocated! */
#endif
  /* we should not return here. */
#endif

之前讲解了 board_init_f 函数，在此函数里面会调用一系列的函数来初始化一些外设和 gd 的成员变量。但是 board_init_f 并没有初始化所有的外设，还需要做一些后续工作，这些后续工作就是由函数 board_init_r 来完成的，board_init_r 函数定义在文件 common/board_r.c中:

void board_init_r(gd_t *new_gd, ulong dest_addr)

  /*
   * Set up the new global data pointer. So far only x86 does this
   * here.
   * TODO([e-mail]): Consider doing this for all archs, or
   * dropping the new_gd parameter.
   */
#if CONFIG_IS_ENABLED(X86_64)
  arch_setup_gd(new_gd);
#endif

#ifdef CONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOC
  int i;
#endif

#if !defined(CONFIG_X86) && !defined(CONFIG_ARM) && !defined(CONFIG_ARM64)
  gd = new_gd;
#endif

#ifdef CONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOC
  for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(init_sequence_r); i++)
    init_sequence_r[i] += gd->reloc_off;
#endif

  if (initcall_run_list(init_sequence_r))
    hang();

  /* NOTREACHED - run_main_loop() does not return */
  hang();

     第26行，调用 initcall_run_list 函数来执行初始化序列 init_sequence_r，init_sequence_r 是一个函数集合，init_sequence_r 也定义在文件 common/board_r.c 中，由于 init_sequence_f 的内容比较长，里面有大量的条件编译代码，受限于篇幅，也像之前分析最具代表性的几个。

1.initr_serial:初始化传串口

static int initr_serial(void)

  serial_initialize();
  return 0;

2.interrupt_init:初始化中断

int interrupt_init (void)

  /*
   * setup up stacks if necessary
   */
  IRQ_STACK_START_IN = gd->irq_sp + 8;

  return 0;

3.initr_enable_interrupts:使能中断

static int initr_enable_interrupts(void)

  enable_interrupts();
  return 0;

 4.initr_env:初始化环境变量

static int initr_env(void)

  /* initialize environment */
  if (should_load_env()) // 从指定设备加载环境变量，并验证有效性
    env_relocate();
  else
    set_default_env(NULL); // 失败使用默认的
#ifdef CONFIG_OF_CONTROL
  env_set_addr("fdtcontroladdr", gd->fdt_blob);
#endif

  /* Initialize from environment */
  load_addr = env_get_ulong("loadaddr", 16, load_addr);

  return 0;

5.run_main_loop:主循环，处理命令

static int run_main_loop(void)

#ifdef CONFIG_SANDBOX
  sandbox_main_loop_init();
#endif
  /* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again */
  for (;;)
    main_loop();
  return 0;

      uboot 启动以后会进入 3 秒倒计时，如果在 3 秒倒计时结束之前按下按下回车键，那么就

会进入 uboot 的命令模式，如果倒计时结束以后都没有按下回车键，那么就会自动启动 Linux 内

核，这个功能就是由 run_main_loop 函数来完成的。

6.main_loop:

main_loop()在common/main.c

/* We come here after U-Boot is initialised and ready to process commands */
void main_loop(void)

  const char *s;

  bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_MAIN_LOOP, "main_loop"); // 打印启动进度

#ifdef CONFIG_VERSION_VARIABLE
  env_set("ver", version_string);  /* set version variable，cmd/version.c */
#endif /* CONFIG_VERSION_VARIABLE */

  cli_init(); // 初始化 hushshell 相关的变量

  run_preboot_environment_command(); // 获取环境变量 perboot 的内容，perboot是一些预启动命令，一般不使用这个环境变量

#if defined(CONFIG_UPDATE_TFTP)
  update_tftp(0UL, NULL, NULL);
#endif /* CONFIG_UPDATE_TFTP */

  s = bootdelay_process();
  if (cli_process_fdt(&s))
    cli_secure_boot_cmd(s);

  autoboot_command(s); // 此函数就是检查倒计时是否结束、被打断

  cli_loop(); //  uboot 的命令行处理函数
  panic("No CLI available");

结尾

经过以上四个阶段，uboot便走完了它的一生，接下来便是linux的启动！

参考

1.​​https://www.cnblogs.com/lztutumo/p/13233094.html​​ 番茄大佬的uboot启动流程，写得比较好，可以看看！