uboot1：启动流程和移植框架

Posted 2021-05-17 liuwanpeng

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了uboot1：启动流程和移植框架相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

0 环境
1 移植框架
3 执行流程
参考

0 环境

ARMV8，uboot 2020.10，rpi3平台

1 移植框架

board，不用说了，板级，uboot使用dts后，这块代码应尽量简化
machine， SOC级，主要是一些外设
ARCH，如arm（包含armv7和armv8）
CPU，如armv8

各框架启动时的关系：

配置相关文件：

configs/xxx_defconfig: 平台的默认配置，make ***_defconfig时会用到
include/conigs/***.h: 各平台的一些额外CONFIG_配置项，写在头文件里

3 执行流程

3.0 链接地址

Makefile中：

LDFLAGS_u-boot += -Ttext $(CONFIG_SYS_TEXT_BASE)

链接文件

ENTRY(_start)
SECTIONS
{
 . = 0x00000000; /*text段在lds文件的偏移0*/
 . = ALIGN(8);
 .text :
 {
  *(.__image_copy_start)
  arch/arm/cpu/armv8/start.o (.text*)
 }
 ...

CONFIG_SYS_TEXT_BASE： lds文件中偏移为0，再结合-Ttext选项，所以CONFIG_SYS_TEXT_BASE是重定位之前，最初的uboot起始地址

3.1 start.S, 入口

此阶段的CONFIG_

已定义：
CONFIG_SYS_TEXT_BASE: uboot realocate之前的起始地址，代码里 _TEXT_BASE = CONFIG_SYS_TEXT_BASE

未定义：
CONFIG_SYS_RESET_SCTRL, 设置 little endian, 关cache, 关MMU
CONFIG_ARMV8_SET_SMPEN, 若为EL3，使能SMPEN, EL2/1无动作
CONFIG_ARMV8_SPIN_TABLE和CONFIG_ARMV8_MULTIENTRY，像是两种处理slave core的方式，不过rpi3应该只有core0执行uboot，所以都没有定义

代码加注释：arch/arm/cpu/armv8/start.S

/*************************************************************************
 *
 * Startup Code (reset vector)
 *
 *************************************************************************/

.globl	_start
_start:
#if defined(CONFIG_LINUX_KERNEL_IMAGE_HEADER)
#include <asm/boot0-linux-kernel-header.h>
#elif defined(CONFIG_ENABLE_ARM_SOC_BOOT0_HOOK)
/*
 * Various SoCs need something special and SoC-specific up front in
 * order to boot, allow them to set that in their boot0.h file and then
 * use it here.
 */
#include <asm/arch/boot0.h>
#else
	b	reset     // 执行此分支
#endif

	.align 3    #  2^3 = 8 Bytes对齐

/*
 * 计算几个变量的值，并写入bin文件里，这些变量后面会用到
 */
.globl	_TEXT_BASE
_TEXT_BASE:
	.quad	CONFIG_SYS_TEXT_BASE

/*
 * These are defined in the linker script.
 */
.globl	_end_ofs
_end_ofs:
	.quad	_end - _start

.globl	_bss_start_ofs
_bss_start_ofs:
	.quad	__bss_start - _start

.globl	_bss_end_ofs
_bss_end_ofs:
	.quad	__bss_end - _start

reset:
	/* Allow the board to save important registers */
	b	save_boot_params    // 一般为空，直接跳到save_boot_params_ret
.globl	save_boot_params_ret
save_boot_params_ret:

#if CONFIG_POSITION_INDEPENDENT // 未定义
	/*
	 * Fix .rela.dyn relocations. This allows U-Boot to be loaded to and
	 * executed at a different address than it was linked at.
	 */
pie_fixup:
	adr	x0, _start		/* x0 <- Runtime value of _start */
	ldr	x1, _TEXT_BASE		/* x1 <- Linked value of _start */
	sub	x9, x0, x1		/* x9 <- Run-vs-link offset */
	adr	x2, __rel_dyn_start	/* x2 <- Runtime &__rel_dyn_start */
	adr	x3, __rel_dyn_end	/* x3 <- Runtime &__rel_dyn_end */
pie_fix_loop:
	ldp	x0, x1, [x2], #16	/* (x0, x1) <- (Link location, fixup) */
	ldr	x4, [x2], #8		/* x4 <- addend */
	cmp	w1, #1027		/* relative fixup? */
	bne	pie_skip_reloc
	/* relative fix: store addend plus offset at dest location */
	add	x0, x0, x9
	add	x4, x4, x9
	str	x4, [x0]
pie_skip_reloc:
	cmp	x2, x3
	b.lo	pie_fix_loop
pie_fixup_done:
#endif

// 未定义此宏，设置 little endian， 关cache、 关MMU
#ifdef CONFIG_SYS_RESET_SCTRL  
	bl reset_sctrl
#endif

#if defined(CONFIG_ARMV8_SPL_EXCEPTION_VECTORS) || !defined(CONFIG_SPL_BUILD)
.macro	set_vbar, regname, reg
	msr	\\regname, \\reg
.endm
	adr	x0, vectors     # vectors是中断向量表，在arch/arm/cpu/armv8/exception.S中定义
#else
.macro	set_vbar, regname, reg
.endm
#endif
	/*
	 * Could be EL3/EL2/EL1, Initial State:
	 * Little Endian, MMU Disabled, i/dCache Disabled
	 */
	switch_el x1, 3f, 2f, 1f
3:	set_vbar vbar_el3, x0
	mrs	x0, scr_el3
	orr	x0, x0, #0xf			/* SCR_EL3.NS|IRQ|FIQ|EA */
	msr	scr_el3, x0
	msr	cptr_el3, xzr			/* Enable FP/SIMD */
#ifdef COUNTER_FREQUENCY
	ldr	x0, =COUNTER_FREQUENCY
	msr	cntfrq_el0, x0			/* Initialize CNTFRQ */
#endif
	b	0f
2:	set_vbar	vbar_el2, x0
	mov	x0, #0x33ff
	msr	cptr_el2, x0			/* Enable FP/SIMD */
	b	0f
1:	set_vbar	vbar_el1, x0    /* 设置中断向量表，x0 = vectors */
	mov	x0, #3 << 20
	msr	cpacr_el1, x0			/* Enable FP/SIMD */
0:
	isb

	/*
	 * Enable SMPEN bit for coherency.
	 * This register is not architectural but at the moment
	 * this bit should be set for A53/A57/A72.
	 */
#ifdef CONFIG_ARMV8_SET_SMPEN   // 未定义
	switch_el x1, 3f, 1f, 1f
3:
	mrs     x0, S3_1_c15_c2_1               /* cpuectlr_el1 */
	orr     x0, x0, #0x40
	msr     S3_1_c15_c2_1, x0
	isb
1:
#endif

	/* Apply ARM core specific erratas，处理一些已知的芯片bug */
	bl	apply_core_errata

	/*
	 * Cache/BPB/TLB Invalidate
	 * i-cache is invalidated before enabled in icache_enable()
	 * tlb is invalidated before mmu is enabled in dcache_enable()
	 * d-cache is invalidated before enabled in dcache_enable()
	 */

	/* Processor specific initialization */
	// 初始化临时sp， 实现一个weak函数s_init，给各个平台一个早期初始化的机会
    // 不过重新实现s_init的厂商不多
	bl	lowlevel_init

#if defined(CONFIG_ARMV8_SPIN_TABLE) && !defined(CONFIG_SPL_BUILD)
	branch_if_master x0, x1, master_cpu
	b	spin_table_secondary_jump
	/* never return */
#elif defined(CONFIG_ARMV8_MULTIENTRY)
	branch_if_master x0, x1, master_cpu

	/*
	 * Slave CPUs
	 */
slave_cpu:
	wfe
	ldr	x1, =CPU_RELEASE_ADDR
	ldr	x0, [x1]
	cbz	x0, slave_cpu
	br	x0			/* branch to the given address */
#endif /* CONFIG_ARMV8_MULTIENTRY */
master_cpu:
	bl	_main   /*  跳转后不返回*/

3.2 __main

此阶段的CONFIG_

已定义：
CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR： 调用board_init_f和relocate_code之前用的SP
CONFIG_SYS_MALLOC_F_LEN： 早期用于malloc的空间大小

未定义：
CONFIG_TPL_BUILD:TPL跟SPL差不多，是第三级程序加载器，也是一个精简版的u-boot，很少用到，参见 doc/README.TPL

代码加注释：arch/arm/lib/crt0_64.S

ENTRY(_main)

/*
 * Set up initial C runtime environment and call board_init_f(0).
 * 先分配SP地址(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR), 在sp上分配大名鼎鼎的gd_t空间，gd_t是重要的全局数据，地址保存在X18里，整个uboot都在使用
 */
#if defined(CONFIG_TPL_BUILD) && defined(CONFIG_TPL_NEEDS_SEPARATE_STACK)
	ldr	x0, =(CONFIG_TPL_STACK)
#elif defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK)
	ldr	x0, =(CONFIG_SPL_STACK)
#elif defined(CONFIG_INIT_SP_RELATIVE)
	adr	x0, __bss_start
	add	x0, x0, #CONFIG_SYS_INIT_SP_BSS_OFFSET
#else
	ldr	x0, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)      // 进此分支， CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR一般在include/configs/****.h中定义
#endif
	bic	sp, x0, #0xf	/* 16-byte alignment for ABI compliance */
	mov	x0, sp
	bl	board_init_f_alloc_reserve    // 从sp顶端分配早期malloc空间（受CONFIG_SYS_MALLOC_F_LEN控制），分配global_data（gd）空间
	mov	sp, x0
	/* set up gd here, outside any C code， 把global_data的地址赋给X18，X18始终保存着gd的地址 */
	mov	x18, x0
	bl	board_init_f_init_reserve      // gd初始化为0， gd->malloc_base赋值（受CONFIG_SYS_MALLOC_F_LEN控制）

	mov	x0, #0
	bl	board_init_f                // front, 前置初始化.执行函数指针数组init_sequence_f里的若干初始化函数，会把重定位时需要的若干信息写给gd

#if !defined(CONFIG_SPL_BUILD)
/*
 * Set up intermediate environment (new sp and gd) and call
 * relocate_code(addr_moni). Trick here is that we\'ll return
 * \'here\' but relocated.
 */
	ldr	x0, [x18, #GD_START_ADDR_SP]	/* x0 <- gd->start_addr_sp， 获取重定位后的sp地址*/
	bic	sp, x0, #0xf	/* 16-byte alignment for ABI compliance ，将重定位后的地址赋给sp */
	ldr	x18, [x18, #GD_NEW_GD]		/* x18 <- gd->new_gd， 将重定位后的gd地址赋给X18 */

   /* 先把relocation_return给lr，此时lr的地址是为重定位前的relocation_return
    * 后面会给lr增加重定位的offset，保证重定位执行完毕返回lr时，能找到重定位后的relocation_return
    */
	adr	lr, relocation_return       
#if CONFIG_POSITION_INDEPENDENT      // 未定义
	/* Add in link-vs-runtime offset */
	adr	x0, _start		/* x0 <- Runtime value of _start */
	ldr	x9, _TEXT_BASE		/* x9 <- Linked value of _start */
	sub	x9, x9, x0		/* x9 <- Run-vs-link offset */
	add	lr, lr, x9
#endif
	/* Add in link-vs-relocation offset */
	ldr	x9, [x18, #GD_RELOC_OFF]	/* x9 <- gd->reloc_off */
	add	lr, lr, x9	/* new return address after relocation， 给lr加上重定位offset，此时lr已经指向重定位后的relocation_return */
	ldr	x0, [x18, #GD_RELOCADDR]	/* x0 <- gd->relocaddr， 重定位后的起始地址 */
	b	relocate_code               /* 重定位，拷贝text、data、rodata段， 拷贝并重写rel_dyn段，具体原理单独描述 */

relocation_return:

/*
 * Set up final (full) environment
 */
	bl	c_runtime_cpu_setup		/* still call old routine， 设置中断向量表vbar_elX */
#endif /* !CONFIG_SPL_BUILD */
#if !defined(CONFIG_SPL_BUILD) || CONFIG_IS_ENABLED(FRAMEWORK)
#if defined(CONFIG_SPL_BUILD)
	bl	spl_relocate_stack_gd           /* may return NULL */
	/* set up gd here, outside any C code, if new stack is returned */
	cmp	x0, #0
	csel	x18, x0, x18, ne
	/*
	 * Perform \'sp = (x0 != NULL) ? x0 : sp\' while working
	 * around the constraint that conditional moves can not
	 * have \'sp\' as an operand
	 */
	mov	x1, sp
	cmp	x0, #0
	csel	x0, x0, x1, ne
	mov	sp, x0
#endif

/*
 * Clear BSS section
 */
	ldr	x0, =__bss_start		/* this is auto-relocated! */
	ldr	x1, =__bss_end			/* this is auto-relocated! */
clear_loop:
	str	xzr, [x0], #8
	cmp	x0, x1
	b.lo	clear_loop

	/* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */
	mov	x0, x18				/* gd_t */
	ldr	x1, [x18, #GD_RELOCADDR]	/* dest_addr */
	b	board_init_r			/* PC relative jump，重定位后的初始化和main loop， rear后置初始化 */

	/* NOTREACHED - board_init_r() does not return */
#endif

ENDPROC(_main)

3.3 board_init_f()和init_sequence_f[]

此阶段的CONFIG_选项：

已定义：
CONFIG_OF_CONTROL：使用device tree
CONFIG_OF_EMBED: dts与uboot集成到一起，一般都用此方式。makefile连接时会把dtb放到__dtb_dt_begin的位置
CONFIG_DM: 使能driver model，驱动模型，一套抽象且统一的驱动框架，复杂了，也为标准化
CONFIG_BAUDRATE， 默认串口波特率
CONFIG_SERIAL_PRESENT，存在串口
CONFIG_DM_VIDEO，

未定义：
CONFIG_OF_SEPARATE：dts与uboot分开，一般不用
CONFIG_TIMER_EARLY：尽早使用timer
CONFIG_BOARD_EARLY_INIT_F： 早期board初始化,给board提供一个hook
CONFIG_SYSRESET
CONFIG_DISPLAY_CPUINFO
CONFIG_DISPLAY_BOARDINFO
CONFIG_SYS_I2C
CONFIG_SYS_DRAM_TEST
CONFIG_SYS_MEM_TOP_HIDE： 让uboot对上面的内存不可见，将ram_size -= CONFIG_SYS_MEM_TOP_HIDE
CONFIG_SYS_SDRAM_BASE: DDR的起始地址，没啥意义，0
CONFIG_PRAM： protected RAM, 可以预留一段不被uboot使用
CONFIG_SYS_NONCACHED_MEMORY：分配non-cache区域

board_init_f()直接执行init_sequence_f[]里的若干函数,黄底层为board移植时一般需要实现的。

setup_mon_len(), gd->mon_len = 整个程序大小(text/data/bss等)
fdtdec_setup()，gd->fdt_blob = __dtb_dt_begin，dts用
initf_malloc(), 初始化gd的malloc相关成员，gd->malloc_limit和gd->malloc_ptr
log_init()，log相关初始化，暂不关注
initf_bootstage()，初始化bootstage功能，用于标记启动到哪个阶段了
arch_cpu_init()，cpu级别的初始化操作，可以在需要的时候由CPU有关的code实现，weak实现啥也没干
mach_cpu_init()， SoC/machine级别初始化，在mach_***里可以覆盖weak实现
initf_dm(), driver model有关的初始化操作
arch_cpu_init_dm()， cpu相关的dm初始化
board_early_init_f(), 早期board级初始化，一般没用
timer_init()， timer初始化
env_init，environment系统初始化
init_baud_rate，gd->baudrate = env_get_ulong("baudrate", 10, CONFIG_BAUDRATE)，优先从环境变量“baudrate”中获取
serial_init，初始化串口，之后串口可用
console_init_f
display_options，显示版本信息等
display_text_info，进一步显示信息
checkcpu
announce_dram_init，打印一句话
dram_init， ddr初始化，如果其他boot已经初始化了，初始化gd->ram_size = ***
testdram， dram测试
后面是重定位后的地址分配相关内容，分配空间的函数以reserve_***开头，见下图

uboot把自己重定位到高地址，linux启动后在低地址
dram_init_banksize()，设置：

	gd->bd->bi_dram[bank].start
	gd->bd->bi_dram[bank].size
    gd->ram_size
	gd->ram_base

show_dram_config(), 显示dram信息
setup_bdinfo(), bd->bi_memstart和bd->bi_memsize
display_new_sp(), 显示sp
reloc_fdt(),reloc_bootstage(), reloc_bloblist()，如果定义了相关宏，则把对应内容放到上面图中对位的位置
setup_reloc(), 计算gd->reloc_off，将gd拷贝到新地址

3.4 relocate

relocate的历史：可能是早期SOC,uboot可能在ROM中执行，效率低，所以要拷贝到RAM里，虽然当前SOC，一般UBOOT在一开始就在RAM里了，但relocate这个环节被保留了。
arch/arm/lib/relocate_64.S, 对text、data、rel_dyn做重定位处理，返回时，已经在新地址运行了。
relocate是uboot比较难理解的部分，需要一些基础知识。

1.每个func后面有label，PC+offset找labal；2.label中存全局变量地址；3.func后面的label作为text段的一部分； 4.rel_dyn段再保存所有label的地址；5.重定位时从rel_dyn段找lable地址，再修改lable里的内容，即修改了全局变量的地址
rel_dyn里保存的数据格式（arm64）

-objdump -D u-boot > uboot_objdump.txt可得：

Disassembly of section .rela.dyn:
00000000000f6940 <__image_copy_end>:
   ...
   f6970:	00082ad0 	.inst	0x00082ad0 ; undefined
   f6974:	00000000 	udf	#0       // 8B, lable 地址
   f6978:	00000403 	udf	#1027
   f697c:	00000000 	udf	#0       // 8B, 标记
   f6980:	00102070 	.inst	0x00102070 ; undefined
   f6984:	00000000 	udf	#0      // 8B, lable中保存的数据,即地址0x00082ad0里保存的值(全局变量地址)
   ...
  f69a0:	000d71b8 	.inst	0x000d71b8 ; undefined
   f69a4:	00000000 	udf	#0
   f69a8:	00000403 	udf	#1027
   f69ac:	00000000 	udf	#0
   f69b0:	000e85e6 	.inst	0x000e85e6 ; undefined
   f69b4:	00000000 	udf	#0

rel_dyn的格式为：

long lable_addr;        label地址
long flag = 1027;
long val_in_lable;      labal里存的内容，即全局变量地址

所以rel_dyn重定位就很简单了， [lable_addr + rel_off] = val_in_lable + rel_off,, 段.rela.dyn本身没有拷贝，重定位后就不用了。

源码分析：

/*
 * void relocate_code(addr_moni)
 *
 * This function relocates the monitor code.
 * x0 holds the destination address.
 */
ENTRY(relocate_code)
	stp	x29, x30, [sp, #-32]!	/* create a stack frame */
	mov	x29, sp
	str	x0, [sp, #16]
	/*
	 * Copy u-boot from flash to RAM
	 * __image_copy_start = _TEXT_BASE = CONFIG_SYS_TEXT_BASE = 0x80000, 初始加载地址
	 */
	adrp	x1, __image_copy_start		/* x1 <- address bits [31:12] */
	add	x1, x1, :lo12:__image_copy_start/* x1 <- address bits [11:00] */
	subs	x9, x0, x1			/* x9 <- Run to copy offset, X9 = 重定位前后地址的offset */
	b.eq	relocate_done			/* skip relocation */
	/*
	 * Don\'t ldr x1, __image_copy_start here, since if the code is already
	 * running at an address other than it was linked to, that instruction
	 * will load the relocated value of __image_copy_start. To
	 * correctly apply relocations, we need to know the linked value.
	 *
	 * Linked &__image_copy_start, which we know was at
	 * CONFIG_SYS_TEXT_BASE, which is stored in _TEXT_BASE, as a non-
	 * relocated value, since it isn\'t a symbol reference.
	 */
	ldr	x1, _TEXT_BASE		/* x1 <- Linked &__image_copy_start */
	subs	x9, x0, x1		/* x9 <- Link to copy offset, X9 = 重定位前后地址的offset */

	adrp	x1, __image_copy_start		/* x1 <- address bits [31:12] */
	add	x1, x1, :lo12:__image_copy_start/* x1 <- address bits [11:00] */
	adrp	x2, __image_copy_end		/* x2 <- address bits [31:12] */
	add	x2, x2, :lo12:__image_copy_end	/* x2 <- address bits [11:00] */
copy_loop:
	ldp	x10, x11, [x1], #16	/* copy from source address [x1] */
	stp	x10, x11, [x0], #16	/* copy to   target address [x0] */
	cmp	x1, x2			/* until source end address [x2] */
	b.lo	copy_loop
	str	x0, [sp, #24]
	
	/* 上面代码完成__image_copy_start、__image_copy_end之间的代码拷贝，包括text和data段 */
	
	/*
	 * Fix .rela.dyn relocations
	 * rela.dyn里1个LABEL结构是：
	 * 8 Bytes 地址
	 * 8 Bytes 标记
	 * 8 Bytes addend
	 */
	adrp	x2, __rel_dyn_start		/* x2 <- address bits [31:12] */
	add	x2, x2, :lo12:__rel_dyn_start	/* x2 <- address bits [11:00] */
	adrp	x3, __rel_dyn_end		/* x3 <- address bits [31:12] */
	add	x3, x3, :lo12:__rel_dyn_end	/* x3 <- address bits [11:00] */
fixloop:
	ldp	x0, x1, [x2], #16	/* (x0,x1) <- (SRC location, fixup)， X0是label地址，X1存标记 */
	ldr	x4, [x2], #8		/* x4 <- label地址里的值 */
	and	x1, x1, #0xffffffff
	cmp	x1, #R_AARCH64_RELATIVE
	bne	fixnext

	/* relative fix: store addend plus offset at dest location */
	add	x0, x0, x9       
	add	x4, x4, x9
	str	x4, [x0]       /* label值 + offset =  lable里的值(全局变量地址) +offset */
fixnext:
	cmp	x2, x3
	b.lo	fixloop

relocate_done:
	switch_el x1, 3f, 2f, 1f
	bl	hang
3:	mrs	x0, sctlr_el3
	b	0f
2:	mrs	x0, sctlr_el2
	b	0f
1:	mrs	x0, sctlr_el1
0:	tbz	w0, #2, 5f	/* skip flushing cache if disabled */
	tbz	w0, #12, 4f	/* skip invalidating i-cache if disabled */
	ic	iallu		/* i-cache invalidate all */
	isb	sy
4:	ldp	x0, x1, [sp, #16]
	bl	__asm_flush_dcache_range
	bl     __asm_flush_l3_dcache
5:	ldp	x29, x30, [sp],#32
	ret
ENDPROC(relocate_code)