Linux系统移植：U-Boot 启动流程（中）

Posted 2022-01-27 JeckXu666

Linux系统移植：U-Boot 启动流程（中）

一、board_init_f 函数详解

board_init_f 函数是 _main 函数初始化中调用的重要函数之一，函数主要有两个工作：

1. 初始化一系列外设，比如串口、定时器，打印一些消息
2. 初始化 gd 的各个成员变量，本质上 uboot 是 linux 的引导文件，引导完成后 linux 会在 DRAM 前面的地址区域启动，为了防止 linux 启动后对 uboot 进行干扰，uboot 会将自己重定位到 DRAM 最后面的地址区域

拷贝之前肯定要给 uboot 各部分分配好内存位置和大小，比如 gd 应该存放到哪个位置，malloc 内存池应该存放到哪个位置等。这些信息都保存在 gd 的成员变量中，因此首先要对 gd 的这些成员变量做初始化

此函数定义在文件 common/board_f.c 中：

void board_init_f(ulong boot_flags)

#ifdef CONFIG_SYS_GENERIC_GLOBAL_DATA
	/*
	 * For some archtectures, global data is initialized and used before
	 * calling this function. The data should be preserved. For others,
	 * CONFIG_SYS_GENERIC_GLOBAL_DATA should be defined and use the stack
	 * here to host global data until relocation.
	 */
	gd_t data;

	gd = &data;

	/*
	 * Clear global data before it is accessed at debug print
	 * in initcall_run_list. Otherwise the debug print probably
	 * get the wrong vaule of gd->have_console.
	 */
	zero_global_data();
#endif

	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)
	/* NOTREACHED - jump_to_copy() does not return */
	hang();
#endif

	/* Light up LED1 */
	imx6_light_up_led1();

因为没有定义 CONFIG_SYS_GENERIC_GLOBAL_DATA，后面的代码无效

下面的代码初始化 gd 里面两个成员变量为 0

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

重点是下面的一个函数 initcall_run_list(init_sequence_f) 函数，从函数名可以知道，运行初始化调用列表里面的函数，传入的参数是 init_sequence_f ，一个存放各个函数入口的数组

这个数组里面有大量条件编译，我直接分析里面部分关键的函数**（这一段是本函数的灵魂）**：

• setup_mon_len 函数：

  设置 gd 的 mon_len 成员变量，此处为 __bss_end - _start，即整个代码的长度

• initf_malloc 函数：

  初始化 gd 中跟 malloc 有关的成员变量，比如 malloc_limit，表示 malloc 内存池大小

• initf_console_record 函数：

  如 果 定 义 了 宏 CONFIG_CONSOLE_RECORD 和 宏 CONFIG_SYS_MALLOC_F_LEN 的话此函数就会调用函数 console_record_init

• arch_cpu_init 函数：

  初始化 CPU

• **initf_dm 函数： **

  驱动模型的一些初始化

• arch_cpu_init_dm 函数：

  空函数

• mark_bootstage 函数：

  设置某些标记，具体作用不清楚

• board_early_init_f 函数：

  板子最先开始的初始化设置，I.MX6ULL 用来初始化串口的 IO 配置

• timer_init 函数：

  初始化定时器，因为 Cortex-A7 内核中有一个定时器，这里初始化的就是 Cortex-A 内核的那个定时器，该定时器来为 uboot 提供时间。类似于 Cortex-M 内核 Systick 定时器（内核定时器和外设定时器基本差不多）

• board_postclk_init 函数：

  I.MX6ULL 是设置 VDDSOC 电压

• **get_clocks 函数： **

  用于获取一些时钟值，I.MX6ULL 获取的是 sdhc_clk 时钟，也就是 SD 卡外设的时钟

• env_init 函数：

  设置 gd 的成员变量 env_addr，也就是环境变量的保存地址

• init_baud_rate 函数：

  用于初始化波特率，根据环境变量的 baudrate 值来初始化 gd->baudrate

• serial_init 函数：

  初始化串口

• console_init_f 函数：

  用于设置 gd->have_console 为 1，表示有个控制台，同时将前面暂存在缓冲区中的数据通过控制台打印出来

• display_options 函数：

  调用该函数来通过串口输出一些信息

  

  这里是 u-boot 版本信息

• display_text_info 函数：

  打印一些文本信息，如果开启 UBOOT 的 DEBUG 功能的话就会输出 text_base、bss_start、bss_end

• print_cpuinfo 函数：

  打印 CPU 信息

• show_board_info 函数：

  打印板子信息

• INIT_FUNC_WATCHDOG_INIT 函数：

  初始化看门狗，对于 I.MX6ULL 来说是空函数

• INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET 函数：

  复位看门狗，对于 I.MX6ULL 来说是空函数

• init_func_i2c 函数：

  初始化 I2C

• announce_dram_init 函数：

  输出字符串 “DRAM:”

• dram_init 函数：

  设置 gd->ram_size 的值，对于正点原子 I.MX6ULL 开发板 EMMC 版本核心板来说就是 512MB

• post_init_f 函数：

  完成一些测试，同时初始化 gd->post_init_f_time

• testdram 函数：

  测试 DRAM，空函数

• setup_dest_addr 函数：

  设置目的地址，主要设置 gd->ram_size，gd->ram_top，gd->relocaddr这三个的值，

• reserve_round_4k 函数：

  对 gd->relocaddr 做4KB对 齐

• reserve_mmu 函数：

  留出 MMU 的 TLB 表的位置，分配 MMU 的 TLB 表内存以后会对 gd->relocaddr 做 64K 字节对齐

  //IMX 相关信息
  gd->arch.tlb_size= 0X4000 //MMU 的 TLB 表大小
  gd->arch.tlb_addr=0X9FFF0000 //MMU 的 TLB 表起始地址，64KB 对齐以后
  gd->relocaddr=0X9FFF0000 //relocaddr 地址
  

• reserve_trace 函数：

  留出跟踪调试的内存，I.MX6ULL 没有用到

• reserve_uboot 函数：

  留出重定位后的 uboot 所占用的内存区域，uboot 所占用大小由gd->mon_len 所指定，留出 uboot 的空间以后还要对 gd->relocaddr 做 4K 字节对齐，并且重新设置 gd->start_addr_sp

• **reserve_malloc 函数： **

  留出 malloc 区域，调整 gd->start_addr_sp 位置，malloc 区域由宏 TOTAL_MALLOC_LEN 定义

  #define TOTAL_MALLOC_LEN (CONFIG_SYS_MALLOC_LEN + CONFIG_ENV_SIZE)
  

• reserve_board 函数：

  留出板子 bd 所占的内存区，bd 是结构体 bd_t，bd_t 大小为 80 字节

• setup_machine 函数：

  设置机器 ID，linux 启动的时候会和这个机器 ID 匹配，如果匹配的话 linux 就会启动正常。I.MX6ULL 不用该方式了，该方式是老版本的 uboot 和 linux 使用的，新版本使用设备树启动，因此此函数无效

• reserve_global_data 函数：

  保留出 gd_t 的内存区域

• reserve_fdt 函数：

  留出设备树相关的内存区域

• reserve_arch 函数：

  空函数

• reserve_stacks 函数：

  留出栈空间，先对 gd->start_addr_sp 减去 16，然后做 16 字节对齐

• setup_dram_config 函数：

  设置 dram 信息，就是设置 gd->bd->bi_dram[0].start 和 gd->bd->bi_dram[0].size，后面会传递给 linux 内核，告诉 linux DRAM 的起始地址和大小

• show_dram_config 函数：

  显示 DRAM 的配置

• display_new_sp 函数：

  显示新的 sp 位置，即 gd->start_addr_sp 存放的值

• reloc_fdt 函数：

  用于重定位 fdt，没有用到

• setup_reloc 函数：

  设置 gd 的其他一些成员变量，供后面重定位的时候使用，并且将以前的 gd 拷贝到 gd->new_gd 处

board_init_f 函数就执行完成后，内存分配如下：

二、relocate_code 函数详解

relocate_code 函数是用于代码拷贝，此函数定义在文件 arch/arm/lib/relocate.S 中

首先获取各个地址：

ENTRY(relocate_code)
	ldr	r1, =__image_copy_start	/* r1 <- SRC &__image_copy_start */
	subs	r4, r0, r1		/* r4 <- relocation offset */
	beq	relocate_done		/* skip relocation */
	ldr	r2, =__image_copy_end	/* r2 <- SRC &__image_copy_end */

• r1=__image_copy_start， r1 寄存器保存镜像源地址
• r0 是 uboot 拷贝的目标首地址，r4=r0-r1 因此 r4 保存偏移量
• r2 中保存拷贝之前的代码结束地址

然后函数 copy_loop 完成代码拷贝工作：

copy_loop:
	ldmia	r1!, r10-r11		/* copy from source address [r1]    */
	stmia	r0!, r10-r11		/* copy to   target address [r0]    */
	cmp	r1, r2			/* until source end address [r2]    */
	blo	copy_loop

从 r1 读取 uboot 代码保存到 r10 和 r11 中，一次就只拷贝这 2 个 32 位的数据。拷贝完成以后 r1 的值会更新，保存下一个要拷贝的数据地址，然后将 r10 和 r11 的数据写到 r0 开始的地方，也就是目的地址，写完以后 r0 的值也会更新，更新为下一个要写入的数据地址，末尾比较 r1 是否和 r2 相等，检查是否拷贝完成

后面的代码就是重定位.rel.dyn 段，.rel.dyn 段是存放.text 段中需要重定位地址的集合

重定位就是 uboot 将自身拷贝到 DRAM 的另一个地放去继续运行(DRAM 的高地址处)

	/*
	 * fix .rel.dyn relocations
	 */
	ldr	r2, =__rel_dyn_start	/* r2 <- SRC &__rel_dyn_start */
	ldr	r3, =__rel_dyn_end	/* r3 <- SRC &__rel_dyn_end */
fixloop:
	ldmia	r2!, r0-r1		/* (r0,r1) <- (SRC location,fixup) */
	and	r1, r1, #0xff
	cmp	r1, #23			/* relative fixup? */
	bne	fixnext

	/* relative fix: increase location by offset */
	add	r0, r0, r4
	ldr	r1, [r0]
	add	r1, r1, r4
	str	r1, [r0]
fixnext:
	cmp	r2, r3
	blo	fixloop

relocate_done:

#ifdef __XSCALE__
	/*
	 * On xscale, icache must be invalidated and write buffers drained,
	 * even with cache disabled - 4.2.7 of xscale core developer's manual
	 */
	mcr	p15, 0, r0, c7, c7, 0	/* invalidate icache */
	mcr	p15, 0, r0, c7, c10, 4	/* drain write buffer */
#endif

	/* ARMv4- don't know bx lr but the assembler fails to see that */

#ifdef __ARM_ARCH_4__
	mov	pc, lr
#else
	bx	lr
#endif

ENDPROC(relocate_code)

注意：重定位以后，运行地址就和链接地址不同了，那寻址的时候会不会出问题？原因如下：

首先 uboot 函数寻址时使用到了 bl 指令，而 bl 指令时位置无关指令，bl 指令是相对寻址的 (pc+offset)，因此 uboot 中函数调用是与绝对位置无关的，其次函数对变量的访问没有直接进行，而是使用了一个第三方偏移地址，专业术语叫做 Label，这个第三方偏移地址就是实现重定位后运行不会出错的重要原因！

uboot 对于重定位后链接地址和运行地址不一致的解决方法就是 采用位置无关码，在使用 ld 进行链接的时候使用选项“-pie”生成位置无关的可执行文件，生成一个.rel.dyn 段，uboot 就是靠这个.rel.dyn 来解决重定位问题的

三、relocate_vectors 函数详解

函数 relocate_vectors 用于重定位向量表，此函数定义在文件 relocate.S 中

如果定义了 CONFIG_CPU_V7M 的话就执行下面的代码，这是 Cortex-M内核单片机执行的语句，对于 I.MX 来说是无效的

ENTRY(relocate_vectors)

#ifdef CONFIG_CPU_V7M
	/*
	 * On ARMv7-M we only have to write the new vector address
	 * to VTOR register.
	 */
	ldr	r0, [r9, #GD_RELOCADDR]	/* r0 = gd->relocaddr */
	ldr	r1, =V7M_SCB_BASE
	str	r0, [r1, V7M_SCB_VTOR]
#else

定义了 CONFIG_HAS_VBAR 的话就执行下面的语句，主要是向量表偏移，Cortex-A7 是支持向量表偏移，重定位后 uboot 的首地址即 r0=gd->relocaddr，因为向量表肯定是从这个地址开始存放的，所以将 r0 的值写入到 CP15 的 VBAR 寄存器中，也就是将新的向量表首地址写入到寄存器 VBAR 中，设置向量表偏移，一般正确执行的就是这段代码

#ifdef CONFIG_HAS_VBAR
	/*
	 * If the ARM processor has the security extensions,
	 * use VBAR to relocate the exception vectors.
	 */
	ldr	r0, [r9, #GD_RELOCADDR]	/* r0 = gd->relocaddr */
	mcr     p15, 0, r0, c12, c0, 0  /* Set VBAR */
#else

后面的代码将重新定位的异常向量复制到正确的地址

	/*
	 * Copy the relocated exception vectors to the
	 * correct address
	 * CP15 c1 V bit gives us the location of the vectors:
	 * 0x00000000 or 0xFFFF0000.
	 */
	ldr	r0, [r9, #GD_RELOCADDR]	/* r0 = gd->relocaddr */
	mrc	p15, 0, r2, c1, c0, 0	/* V bit (bit[13]) in CP15 c1 */
	ands	r2, r2, #(1 << 13)
	ldreq	r1, =0x00000000		/* If V=0 */
	ldrne	r1, =0xFFFF0000		/* If V=1 */
	ldmia	r0!, r2-r8,r10
	stmia	r1!, r2-r8,r10
	ldmia	r0!, r2-r8,r10
	stmia	r1!, r2-r8,r10
#endif
#endif
	bx	lr
ENDPROC(relocate_vectors)

四、board_init_r 函数详解

board_init_f 并没有初始化所有的外设，还需要做一些后续工作，后续工作就是由函数 board_init_r 来完成

board_init_r 函数定义在文件 common/board_r.c中，该函数和 board_init_f 差不多，通过调用 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，这里为了缩小篇幅，将条件编译部分删除掉了

1 init_fnc_t init_sequence_r[] = 
2 initr_trace,
3 initr_reloc,
4 initr_caches,
5 initr_reloc_global_data,
6 initr_barrier,
7 initr_malloc,
8 initr_console_record,
9 bootstage_relocate,
10 initr_bootstage,
11 board_init, /* Setup chipselects */
12 stdio_init_tables,
13 initr_serial,
14 initr_announce,
15 INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
16 INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
17 INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
18 power_init_board,
19 initr_flash,
20 INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
21 initr_nand,
22 initr_mmc,
23 initr_env,
24 INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
25 initr_secondary_cpu,
26 INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
27 stdio_add_devices,
28 initr_jumptable,
29 console_init_r, /* fully init console as a device */
30 INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
31 interrupt_init,
32 initr_enable_interrupts,
33 initr_ethaddr,
34 board_late_init,
35 INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
36 INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
37 INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
38 initr_net,
39 INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
40 run_main_loop,
41 ;

• initr_trace 函数：

  初始化和调试跟踪有关的内容

• initr_reloc 函数

  设置 gd->flags，标记重定位完成

• initr_caches 函数

  初始化 cache，使能 cache

• initr_reloc_global_data 函数

  初始化重定位后 gd 的一些成员变量

• initr_barrier 函数

  I.MX6ULL 未用到

• initr_malloc 函数

  初始化 malloc

• initr_console_record 函数

  初始化控制台相关的内容，I.MX6ULL 未用到，空函数

• bootstage_relocate 函数

  启动状态重定位

• initr_bootstage 函数

  初始化 bootstage

• board_init 函数

  板级初始化，包括 74XX 芯片，I2C、FEC、USB 和 QSPI 等。这里执行的是 mx6ull_alientek_emmc.c 文件中的 board_init 函数

• stdio_init_tables 函数

  stdio 相关初始化

• initr_serial 函数

  初始化串口

• initr_announce 函数

  通知已经在 RAM 中运行

• power_init_board 函数

  初始化电源芯片，正点原子的 I.MX6ULL 开发板没有用到

• initr_flash 函数

  此函数无效

• initr_nand 函数

  始化 NAND，如果使用 NAND 版本核心板的话就会初始化 NAND

• initr_mmc 函数

  初始化 EMMC，如果使用 EMMC 版本核心板的话就会初始化 EMMC

• initr_env 函数

  初始化环境变量

• initr_secondary_cpu 函数

  初始化其他 CPU 核，I.MX6ULL 只有一个核，因此此函数没用

• stdio_add_devices 函数

  各种输入输出设备的初始化，如 LCD driver，I.MX6ULL 使用 drv_video_init 函数初始化 LCD

• initr_jumptable 函数

  初始化跳转表

• console_init_r 函数

  控制台初始化，初始化完成以后此函数会调用 stdio_print_current_devices 函数来打印出当前的控制台设备

• interrupt_init 函数

  初始化中断

• initr_enable_interrupts 函数

  使能中断

• initr_ethaddr 函数

  初始化网络地址，也就是获取 MAC 地址。读取环境变量 “ethaddr” 的值

• board_late_init 函数

  板子后续初始化，如果环境变量存储在 EMMC 或者 SD 卡中的话此函数会调用 board_late_mmc_env_init 函数初始化 EMMC/SD

• run_main_loop 函数

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