嵌入式linux开发uboot移植——uboot启动过程源码分析

Posted 2020-07-28

嵌入式linux开发uboot移植（三）——uboot启动过程源码分析

一、uboot启动流程简介

    与大多数BootLoader一样，uboot的启动过程分为BL1和BL2两个阶段。BL1阶段通常是开发板的配置等设备初始化代码，需要依赖依赖于SoC体系结构，通常用汇编语言来实现；BL2阶段主要是对外部设备如网卡、Flash等的初始化以及uboot命令集等的自身实现，通常用C语言来实现。

1、BL1阶段

    uboot的BL1阶段代码通常放在start.s文件中，用汇编语言实现，其主要代码功能如下：

    （1） 指定uboot的入口。在链接脚本uboot.lds中指定uboot的入口为start.S中的_start。

 （2）设置异常向量(exception vector)

        （3）关闭IRQ、FIQ，设置SVC模式

        （4）关闭L1 cache、设置L2 cache、关闭MMU

        （5）根据OM引脚确定启动方式

        （6）在SoC内部SRAM中设置栈

 （7）lowlevel_init（主要初始化系统时钟、SDRAM初始化、串口初始化等）

    （8）设置开发板供电锁存

    （9）设置SDRAM中的栈

    （10）将uboot从SD卡拷贝到SDRAM中

    （11）设置并开启MMU

（12）通过对SDRAM整体使用规划，在SDRAM中合适的地方设置栈

 （13）清除bss段，远跳转到start_armboot执行，BL1阶段执行完

2、BL2阶段

    start_armboot函数位于lib_arm/board.c中，是C语言开始的函数，也是BL2阶段代码中C语言的主函数，同时还是整个u-boot（armboot）的主函数，BL2阶段的主要功能如下：

        （1）规划uboot的内存使用

    （2）遍历调用函数指针数组init_sequence中的初始化函数

 （3）初始化uboot的堆管理器mem_malloc_init

 （4）初始化SMDKV210开发板的SD/MMC控制器mmc_initialize

 （5）环境变量重定位env_relocate

 （6）、将环境变量中网卡地址赋值给全局变量的开发板变量

 （7）、开发板硬件设备的初始化devices_init

 （8）、跳转表jumptable_init

 （9）、控制台初始化console_init_r

 （10）、网卡芯片初始化eth_initialize

 （11）、uboot进入主循环main_loop

二、uboot程序入口分析

1、link.lds链接脚本文件分析

u-boot.lds文件是uboot工程的链接脚本文件，位于board\samsung\smdkc110目录下，对于工程项目编译后期的链接阶段非常重要，决定了uboot程序的组装。

u-boot.lds链接文件中的ENTRY(_start)指定了uboot程序的入口地址为_start。

2、定位uboot程序入口地址

在SourceInsight建立uboot工程，利用索引功能查找_start，在搜索结果中找到与三星smdkv210开发板相关的代码，最终锁定cpu\s5pc11x\start.S文件，定位到文件中的_start标识符。

三、start.S文件分析

1、头文件分析

start.S有四个头文件：

#include <config.h>

    config.h头文件在配置开发板时由mkconfig脚本创建的头文件，头文件内容即包含开发板的头文件：#include <configs/smdkv210single.h>

#include <version.h>

    version.h头文件的内容为包含自动生成的版本头文件，头文件内容为：#include "version_autogenerated.h"，version_autogenerated.h头文件定义了版本宏，宏定义为：#define U_BOOT_VERSION "U-Boot 1.3.4"。版本宏的值就是Makefile中定义的版本信息。

#include <asm/proc/domain.h>

    domain.h头文件在定义了CONFIG_ENABLE_MMU宏时有效，为链接文件，实际指向的文件为include/asm-arm/proc-armv/domain.h。

#include <regs.h>

regs.h头文件为链接文件，指向s5pc110.h头文件，s5pc110.h文件内部使用宏定义了有关SoC内部寄存器的大量信息。

2、头校验信息的占位

#if defined(CONFIG_EVT1) && !defined(CONFIG_FUSED)

.word 0x2000

.word 0x0

.word 0x0

.word 0x0

#endif

定义uboot程序开头的16字节校验头信息填充空间，头校验信息块内的值需要在后面写入。

3、异常向量表的构建

.globl _start

_start:

b reset

ldrpc, _undefined_instruction

ldrpc, _software_interrupt

ldrpc, _prefetch_abort

ldrpc, _data_abort

ldrpc, _not_used

ldrpc, _irq

ldrpc, _fiq

    uboot程序的入口点实际是定义了异常向量表，异常向量表由SoC硬件实现，因此uboot在开机上电复位时需要跳转到reset执行。

4、复位reset分析

SoC上电复位后运行的第一段代码就是reset。主要包括以下几部分：

A、关闭IRQ、FIQ，并将处理器模式设置为SVC模式

B、CPU关键寄存器的初始化cpu_init_crit：

    关闭L2 cache

    初始化L2 cache

    开启L2 cache

    关闭L1 cache

    关闭MMU

    读取OM启动引脚信息

    确定从启动设备SD卡启动

    设置SRAM中的栈为调用lowlevel_init做准备（lowlevel_init内部有嵌套调用）

    调用lowlevel_init（主要初始化系统时钟、SDRAM初始化、串口初始化等）

    设置开发板供电锁存

    设置SDRAM中的栈

    判断当前代码是否运行在SDRAM中，如果当前代码运行在SDRAM中，则跳过代码重定位。

    判断启动方式，选择SD卡启动设备，跳转到mmcsd_boot

    SD卡启动的准备工作，从SD卡拷贝uboot到SDRAM：movi_bl2_copy

C、设置MMU，开启MMU

D、通过对SDRAM整体使用规划，在SDRAM中合适的地方设置栈

E、清除bss段，远跳转到start_armboot执行，BL1阶段执行完

5、lowlevel_init分析

lowlevel_init位于\board\samsung\smdkc110\lowlevel_init.S中，主要功能如下：

    A、检查复位状态，判断启动的方式

根据复位状态选择复位启动的方式，处于低功耗状态时复位启动可以跳过后续多个步骤。

    B、IO状态恢复

    C、关闭看门狗

    D、外部SRAM的GPIO初始化、外部SROM初始化

    E、开发板供电锁存设置

    F、判断当前代码是否运行在SDRAM，如果当前代码运行在SDRAM，说明目前从低功耗状态复位，可以跳过系统时钟初始化、串口初始化、SDRAM初始化等

    G、初始化系统时钟：system_clock_init

    H、初始化SDRAM内存：mem_ctrl_asm_init

    I、初始化串口，打印出’O’：uart_asm_init

    J、初始化trustzone：tzpc_init

    K、初始化nand或onenand

    L、检查复位状态

    M、关闭ABB

    N、串口打印出‘K’

说明：”OK”是打印出的调试信息，如果打印出’O’则说明在串口初始化uart_asm_init前的所有代码是正确的。如果打印出”OK”则说明在开发板板级初始化lowlevel_init前的所有代码是正常工作的。

system_clock_init、uart_asm_init、tzpc_init、nand_asm_init都位于lowlevel_init.S文件内，mem_ctrl_asm_init位于cpu\s5pc11x\s5pc110\cpu_init.S文件中。

四、board.c文件分析

uboot在执行完BL1阶段后远跳转到start_armboot函数执行BL2，start_armboot函数位于lib_arm\board.c中。

1、重要变量的说明

typedef int (init_fnc_t) (void);函数类型

init_fnc_t **init_fnc_ptr;//二级函数指针

#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR     register volatile gd_t *gd asm ("r8")

DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR定义了一个存储在寄存器r8中的指向gd_t类型全局变量的指针gd。

全局变量结构体的定义：

typedefstructglobal_data {

bd_t*bd;//boardinfo结构体信息，存放和开发板有关的信息

unsigned longflags;//标志位

unsigned longbaudrate;//串口通信波特率

unsigned longhave_console;//控制台/* serial_init() was called */

unsigned longreloc_off;//重定位偏移量/* Relocation Offset */

unsigned longenv_addr;//环境变量结构体的地址/* Address  of Environment struct */

unsigned longenv_valid;//环境变量使用标志/* Checksum of Environment valid? */

unsigned longfb_base;//fb基地址/* base address of frame buffer */

#ifdef CONFIG_VFD

unsigned charvfd_type;///* display type */

#endif

void**jt;//跳转表/* jump table */

} gd_t;

开发板信息结构体变量的定义：

typedef struct bd_info {

    intbi_baudrate;//硬件串口波特率/* serial console baudrate */

    unsigned longbi_ip_addr;//开发板IP地址/* IP Address */

    unsigned charbi_enetaddr[6];//开发板网卡地址 /* Ethernet adress */

    struct environment_s       *bi_env;//环境变量指针

    ulong        bi_arch_number;//机器码/* unique id for this board */

    ulong        bi_boot_params;//uboot启动参数/* where this board expects params */

    struct/* RAM configuration */

    {

ulong start;

ulong size;

    }bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS];//内存插条信息

#ifdef CONFIG_HAS_ETH1

    /* second onboard ethernet port */

    unsigned char   bi_enet1addr[6];//第二块网卡的地址

#endif

} bd_t;

2、uboot的内存规划

    SDRAM_BASE被MMU映射在0xC0000000，CFG_UBOOT_BASE是0xC3E00000

    在BL1段运行时，uboot镜像被拷贝到CFG_UBOOT_BASE开始的地址处。

  gd的地址：

gd_base = CFG_UBOOT_BASE + CFG_UBOOT_SIZE - CFG_MALLOC_LEN - CFG_STACK_SIZE - sizeof(gd_t);

  bd的地址：

gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));

3、start_armboot函数分析

    start_armboot函数的主要功能如下：

（1）、遍历调用函数指针数组init_sequence中的初始化函数

依次遍历调用函数指针数组init_sequence中的函数，如果有函数执行出错，则执行hang函数，打印出”### ERROR ### Please RESET the board ###”，进入死循环。

（2）、初始化uboot的堆管理器mem_malloc_init

（3）、初始化SMDKV210的SD/MMC控制器mmc_initialize

（4）、环境变量重定位env_relocate

（5）、将环境变量中网卡地址赋值给全局变量的开发板变量

（6）、开发板硬件设备的初始化devices_init

（7）、跳转表jumptable_init

（8）、控制台初始化console_init_r

（9）、网卡芯片初始化eth_initialize

（10）、uboot进入主循环main_loop

void start_armboot (void)
   {
   //全局数据变量指针gd占用r8。
   DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;       
   /* 给全局数据变量gd安排空间*/
   gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));
   memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t));
   /* 给板子数据变量gd->bd安排空间*/
   gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));
   memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));
   monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;//u-boot长度。       
   /* 顺序执行init_sequence数组中的初始化函数 */
   for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
       if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
           hang ();
                 }
          }
    /* 初始化堆空间 */
    mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);
    /* 重新定位环境变量， */
     env_relocate ();
    /* 从环境变量中获取IP地址 */
    gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");
    /* 以太网接口MAC 地址 */
    devices_init ();      /* 设备初始化 */
    jumptable_init ();  //跳转表初始化
    console_init_r ();    /* 完整地初始化控制台设备 */
    enable_interrupts (); /* 使能中断处理 */
     /* 通过环境变量初始化 */
     if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
        load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
     }
     /* main_loop()循环不断执行 */
     for (;;) {
         main_loop ();      /* 主循环函数处理执行用户命令 -- common/main.c */
          }
   }

4、函数指针数组init_sequence

函数指针数组init_sequence：

init_fnc_t *init_sequence[] = {

cpu_init,//CPU架构的初始化，为空cpu\s5pc11x\cpu.c

board_init,//开发板初始化board\samsung\smdkc110\smdkc110.c

interrupt_init,//定时器timer4初始化cpu\s5pc11x\interrupts.c

env_init,//环境变量初始化common\env_movi.c

init_baudrate,//波特率设置lib_arm\board.c

serial_init,//延时函数Ｃ，没有再次初始化串口cpu\s5pc11x\serial.c

console_init_f,//控制台第一阶段初始化，控制台未初始化好common\console.c

display_banner,//用串口发送uboot版本信息lib_arm\board.c

#if defined(CONFIG_DISPLAY_CPUINFO)

print_cpuinfo,//串口打印系统时钟信息cpu\s5pc11x\s5pc110\speed.c

#endif

#if defined(CONFIG_DISPLAY_BOARDINFO)

checkboard,//打印开发板信Board:SMDKV210

//board\samsung\smdkc110\smdkc110.c

#endif

#if defined(CONFIG_HARD_I2C) || defined(CONFIG_SOFT_I2C)

init_func_i2c,//SMDKV210未定义I2C，函数为空lib_arm\board.c

#endif

dram_init,//初始化gd->bd->bi_dram，开发板的SDRAM配置信息

board\samsung\smdkc110\smdkc110.c 

   display_dram_config,//串口打印出DRAM的大小信息，DRAM:xxxMB

lib_arm\board.c

NULL,

};

board_init函数：

dm9000_pre_init();//网卡初始化，GPIO和端口设置

gd->bd->bi_arch_number = MACH_TYPE;//开发板的机器码，uboot的机器码和linux的机器码之间必须适配

gd->bd->bi_boot_params = (PHYS_SDRAM_1+0x100);//uboot给内核的传参地址

display_banner函数：

打印uboot版本信息：uboot-1.3.4

print_cpuinfo函数：

打印CPU时钟系统的时钟信息

checkboard函数：

打印出开发板信息Board:   SMDKV210

display_dram_config函数：

打印出DRAM的大小信息，DRAM:xxxMB

打印出的信息可以作为调试使用，依次遍历调用函数指针数组init_sequence中的函数，如果有函数执行出错，则执行hang函数，打印出”### ERROR ### Please RESET the board ###”，进入死循环。

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