Uboot启动流程.doc

U-Boot启动过程（国嵌）开发板上电后，执行U-Boot的第一条指令，然后顺序执行U-Boot启动函数。看一下board/smdk2410/u-boot.lds这个链接脚本，可以知道目标程序的各部分链接顺序。第一个要链接的是cpu/arm920t/start.o，那么U-Boot的入口指令一定位于这个程序中。下面分两阶段介绍启动流程：第一阶段1cpu/arm920t/start.S这个汇编程序是U-Boot的入口程序，开头就是复位向量的代码。_start: b reset /复位向量 ldr pc, _undefined_instruction ldr pc, _software_interrupt ldr pc, _prefetch_abort ldr pc, _data_abort ldr pc, _not_used ldr pc, _irq /中断向量 ldr pc, _fiq /中断向量 /* the actual reset code */reset: /复位启动子程序 /* 设置CPU为SVC32模式 */ mrs r0,cpsr bic r0,r0,#0x1f orr r0,r0,#0xd3 msr cpsr,r0/* 关闭看门狗 */ relocate: /* 把U-Boot重新定位到RAM */adr r0, _start /* r0是代码的当前位置 */ldr r1, _TEXT_BASE /*_TEXT_BASE是RAM中的地址 */cmp r0, r1 /* 比较r0和r1，判断当前是从Flash启动，还是RAM */beq stack_setup /* 如果r0等于r1，跳过重定位代码 */* 准备重新定位代码 */ldr r2, _armboot_startldr r3, _bss_startsub r2, r3, r2 /* r2 得到armboot的大小 */add r2, r0, r2 /* r2 得到要复制代码的末尾地址 */copy_loop: /* 重新定位代码 */ldmia r0!, r3-r10 /*从源地址r0复制 */stmia r1!, r3-r10 /* 复制到目的地址r1 */cmp r0, r2 /* 复制数据块直到源数据末尾地址r2 */ble copy_loop /* 初始化堆栈等 */stack_setup:ldr r0, _TEXT_BASE /* 上面是128 KiB重定位的u-boot */sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* 向下是内存分配空间 */sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* 然后是bdinfo结构体地址空间 */#ifdef CONFIG_USE_IRQsub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)#endifsub sp, r0, #12 /* 为abort-stack预留3个字 */clear_bss:ldr r0, _bss_start /* 找到bss段起始地址 */ldr r1, _bss_end /* bss段末尾地址 */mov r2, #0x00000000 /* 清零 */clbss_l:str r2, r0 /* bss段地址空间清零循环. */ add r0, r0, #4 cmp r0, r1bne clbss_l/* 跳转到start_armboot函数入口，_start_armboot字保存函数入口指针 */ldr pc, _start_armboot_start_armboot: .word start_armboot /start_armboot函数在lib_arm/board.c中实现第二阶段2lib_arm/board.cstart_armboot是U-Boot执行的第一个C语言函数，完成系统初始化工作，进入主循环，处理用户输入的命令。3init_sequenceinit_sequence数组保存着基本的初始化函数指针。init_fnc_t *init_sequence = cpu_init, /* 基本的处理器相关配置 - cpu/arm920t/cpu.c */board_init, /* 基本的板级相关配置 - board/smdk2410/smdk2410.c */interrupt_init, /* 初始化中断处理 - cpu/arm920t/s3c24x0/interrupt.c */env_init, /* 初始化环境变量 - common/cmd_flash.c */init_baudrate, /* 初始化波特率设置 - lib_arm/board.c */serial_init, /* 串口通讯设置 - cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c */console_init_f, /* 控制台初始化阶段1 - common/console.c */display_banner, /* 打印u-boot信息 - lib_arm/board.c */dram_init, /* 配置可用的RAM - board/smdk2410/smdk2410.c */display_dram_config, /* 显示RAM的配置大小 - lib_arm/board.c */NULL,;void start_armboot (void)/* 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 (); /*配置可用的Flash */ size = flash_init (); display_flash_config (size); /* _armboot_start 在u-boot.lds链接脚本中定义 */ mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);/* 配置环境变量*/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 (); /* 获取列表中的设备 */ jumptable_init (); 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 */ 命令实现U-Boot作为Bootloader，具备多种引导内核启动的方式。常用的go和bootm命令可以直接引导内核映像启动。U-Boot与内核的关系主要是内核启动过程中参数的传递。1go命令的实现/* common/cmd_boot.c */int do_go (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv) ulong addr, rc; int rcode = 0; if (argc usage); return 1; addr = simple_strtoul(argv1, NULL, 16); printf (# Starting application at 0x%08lX .n, addr); rc = (ulong (*)(int, char )addr) (-argc, &argv1); /* 运行程序 */ if (rc != 0) rcode = 1; printf (# Application terminated, rc = 0x%lXn, rc); /*如果是运行linux，这条指令是否能运行？*/ return rcode;go命令调用do_go()函数，跳转到某个地址执行的。如果在这个地址准备好了自引导的内核映像，就可以启动了。尽管go命令可以带变参，实际使用时不用来传递参数。2bootm命令的实现/* common/cmd_bootm.c */int do_bootm (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv) /* 检查头部 */if (crc32 (0, (uchar *)data, len) != checksum) puts (Bad Header Checksumn);SHOW_BOOT_PROGRESS (-2);return 1; /*解压缩*/switch (hdr-ih_comp) case IH_COMP_NONE:if(ntohl(hdr-ih_load) = addr) printf ( XIP %s . , name); else #if defined(CONFIG_HW_WATCHDOG) | defined(CONFIG_WATCHDOG)size_t l = len;void *to = (void *)ntohl(hdr-ih_load);void *from = (void *)data;printf ( Loading %s . , name);while (l 0) size_t tail = (l CHUNKSZ) ? CHUNKSZ : l;WATCHDOG_RESET();memmove (to, from, tail);to += tail;from += tail;l -= tail;#else/* !(CONFIG_HW_WATCHDOG | CONFIG_WATCHDOG) */memmove (void *) ntohl(hdr-ih_load), (uchar *)data, len);#endif/* CONFIG_HW_WATCHDOG | CONFIG_WATCHDOG */break;case IH_COMP_GZIP:printf ( Uncompressing %s . , name);if (gunzip (void *)ntohl(hdr-ih_load), unc_len, (uchar *)data, &len) != 0) puts (GUNZIP ERROR - must RESET board to recovern);SHOW_BOOT_PROGRESS (-6);do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);break;#ifdef CONFIG_BZIP2case IH_COMP_BZIP2:printf ( Uncompressing %s . , name);/* * If weve got less than 4 MB of malloc() space, * use slower decompression algorithm which requires * at most 2300 KB of memory. */i = BZ2_bzBuffToBuffDecompress (char*)ntohl(hdr-ih_load),&unc_len, (char *)data, len,CFG_MALLOC_LEN ih_comp);SHOW_BOOT_PROGRESS (-7);return 1; switch (hdr-ih_os) default:/* handled by (original) Linux case */case IH_OS_LINUX: do_bootm_linux (cmdtp, flag, argc, argv, addr, len_ptr, verify); break;case IH_OS_NETBSD: do_bootm_netbsd (cmdtp, flag, argc, argv, addr, len_ptr, verify); break;case IH_OS_RTEMS: do_bootm_rtems (cmdtp, flag, argc, argv, addr, len_ptr, verify); break;case IH_OS_VXWORKS: do_bootm_vxworks (cmdtp, flag, argc, argv, addr, len_ptr, verify); break;case IH_OS_QNX: do_bootm_qnxelf (cmdtp, flag, argc, argv, addr, len_ptr, verify); break;bootm命令调用do_bootm函数。这个函数专门用来引导各种操作系统映像，可以支持引导Linux、vxWorks、QNX等操作系统。引导Linux的时候，调用do_bootm_linux()函数。3do_bootm_linux函数的实现 /* lib_arm/armlinux.c */void do_bootm_linux (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv, ulong addr, ulong *len_ptr, int verify)theKernel = (void (*)(int, int, uint)ntohl(hdr-ih_ep); /* we assume that the kernel is in place */ printf (nStarting kernel .nn); theKernel (0, bd-bi_arch_number, bd-bi_boot_params); /*启动内核，传递启动参数*/ do_bootm_linux()函数是专门引导Linux映像的函数，它还可以处理ramdisk文件系统的映像。这里引导的内核映像和ramdisk映像，必须是U-Boot格式的。U-Boot格式的映像可以通过mkimage工具来转换，其中包含了U-Boot可以识别的符号。 U-Boot启动过程完全分析 1.1 U-Boot工作过程 U-Boot启动内核的过程可以分为两个阶段，两个阶段的功能如下： （1）第一阶段的功能 硬件设备初始化 加载U-Boot第二阶段代码到RAM空间 设置好栈 跳转到第二阶段代码入口 （2）第二阶段的功能 初始化本阶段使用的硬件设备 检测系统内存映射 将内核从Flash读取到RAM中 为内核设置启动参数 调用内核1.1.1 U-Boot启动第一阶段代码分析 第一阶段对应的文件是cpu/arm920t/start.S和board/samsung/mini2440/lowlevel_init.S。 U-Boot启动第一阶段流程如下： 图 2.1 U-Boot启动第一阶段流程 根据cpu/arm920t/u-boot.lds中指定的连接方式：ENTRY(_start)SECTIONS . = 0x00000000; . = ALIGN(4); .text : cpu/arm920t/start.o (.text) board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o (.text) board/samsung/mini2440/nand_read.o (.text) *(.text) 第一个链接的是cpu/arm920t/start.o，因此u-boot.bin的入口代码在cpu/arm920t/start.o中，其源代码在cpu/arm920t/start.S中。下面我们来分析cpu/arm920t/start.S的执行。1. 硬件设备初始化（1）设置异常向量 cpu/arm920t/start.S开头有如下的代码：.globl _start_start: b start_code /* 复位 */ ldr pc, _undefined_instruction /* 未定义指令向量 */ ldr pc, _software_interrupt /* 软件中断向量 */ ldr pc, _prefetch_abort /* 预取指令异常向量 */ ldr pc, _data_abort /* 数据操作异常向量 */ ldr pc, _not_used /* 未使用 */ ldr pc, _irq /* irq中断向量 */ ldr pc, _fiq /* fiq中断向量 */* 中断向量表入口地址 */_undefined_instruction: .word undefined_instruction_software_interrupt: .word software_interrupt_prefetch_abort: .word prefetch_abort_data_abort: .word data_abort_not_used: .word not_used_irq: .word irq_fiq: .word fiq .balignl 16,0xdeadbeef 以上代码设置了ARM异常向量表，各个异常向量介绍如下：表 2.1 ARM异常向量表地址 异常 进入模式描述0x00000000 复位管理模式复位电平有效时，产生复位异常，程序跳转到复位处理程序处执行0x00000004 未定义指令未定义模式遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常0x00000008软件中断管理模式执行SWI指令产生，用于用户模式下的程序调用特权操作指令0x0000000c预存指令中止模式处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问，产生指令预取中止异常0x00000010数据操作中止模式处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异常0x00000014未使用未使用未使用0x00000018IRQIRQ外部中断请求有效，且CPSR中的I位为0时，产生IRQ异常0x0000001cFIQFIQ快速中断请求引脚有效，且CPSR中的F位为0时，产生FIQ异常 在cpu/arm920t/start.S中还有这些异常对应的异常处理程序。当一个异常产生时，CPU根据异常号在异常向量表中找到对应的异常向量，然后执行异常向量处的跳转指令，CPU就跳转到对应的异常处理程序执行。 其中复位异常向量的指令“b start_code”决定了U-Boot启动后将自动跳转到标号“start_code”处执行。（2）CPU进入SVC模式start_code: /* * set the cpu to SVC32 mode */ mrs r0, cpsr bic r0, r0, #0x1f /*工作模式位清零 */ orr r0, r0, #0xd3 /*工作模式位设置为“10011”（管理模式），并将中断禁止位和快中断禁止位置1 */ msr cpsr, r0 以上代码将CPU的工作模式位设置为管理模式，并将中断禁止位和快中断禁止位置一，从而屏蔽了IRQ和FIQ中断。（3）设置控制寄存器地址# if defined(CONFIG_S3C2400)# define pWTCON 0x15300000# define INTMSK 0x14400008# define CLKDIVN 0x14800014#else /* s3c2410与s3c2440下面4个寄存器地址相同 */# define pWTCON 0x53000000 /* WATCHDOG控制寄存器地址 */# define INTMSK 0x4A000008 /* INTMSK寄存器地址 */# define INTSUBMSK 0x4A00001C /* INTSUBMSK寄存器地址 */# define CLKDIVN 0x4C000014 /* CLKDIVN寄存器地址 */# endif 对与s3c2440开发板，以上代码完成了WATCHDOG，INTMSK，INTSUBMSK，CLKDIVN四个寄存器的地址的设置。各个寄存器地址参见参考文献4 。（4）关闭看门狗 ldr r0, =pWTCON mov r1, #0x0 str r1, r0 /* 看门狗控制器的最低位为0时，看门狗不输出复位信号 */ 以上代码向看门狗控制寄存器写入0，关闭看门狗。否则在U-Boot启动过程中，CPU将不断重启。（5）屏蔽中断 /* * mask all IRQs by setting all bits in the INTMR - default */ mov r1, #0xffffffff /* 某位被置1则对应的中断被屏蔽 */ ldr r0, =INTMSK str r1, r0 INTMSK是主中断屏蔽寄存器，每一位对应SRCPND（中断源引脚寄存器）中的一位，表明SRCPND相应位代表的中断请求是否被CPU所处理。 根据参考文献4，INTMSK寄存器是一个32位的寄存器，每位对应一个中断，向其中写入0xffffffff就将INTMSK寄存器全部位置一，从而屏蔽对应的中断。# if defined(CONFIG_S3C2440) ldr r1, =0x7fff ldr r0, =INTSUBMSK str r1, r0# endif INTSUBMSK每一位对应SUBSRCPND中的一位，表明SUBSRCPND相应位代表的中断请求是否被CPU所处理。 根据参考文献4，INTSUBMSK寄存器是一个32位的寄存器，但是只使用了低15位。向其中写入0x7fff就是将INTSUBMSK寄存器全部有效位（低15位）置一，从而屏蔽对应的中断。（6）设置MPLLCON,UPLLCON, CLKDIVN# if defined(CONFIG_S3C2440) #define MPLLCON 0x4C000004#define UPLLCON 0x4C000008 ldr r0, =CLKDIVN mov r1, #5 str r1, r0 ldr r0, =MPLLCON ldr r1, =0x7F021 str r1, r0 ldr r0, =UPLLCON ldr r1, =0x38022 str r1, r0# else /* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 */ /* default FCLK is 120 MHz ! */ ldr r0, =CLKDIVN mov r1, #3 str r1, r0#endif CPU上电几毫秒后，晶振输出稳定，FCLK=Fin（晶振频率），CPU开始执行指令。但实际上，FCLK可以高于Fin，为了提高系统时钟，需要用软件来启用PLL。这就需要设置CLKDIVN，MPLLCON，UPLLCON这3个寄存器。 CLKDIVN寄存器用于设置FCLK，HCLK，PCLK三者间的比例，可以根据表2.2来设置。表 2.2 S3C2440 的CLKDIVN寄存器格式CLKDIVN位说明初始值HDIVN2:100 : HCLK = FCLK/1.01 : HCLK = FCLK/2.10 : HCLK = FCLK/4 （当 CAMDIVN9 = 0 时）HCLK= FCLK/8 （当 CAMDIVN9 = 1 时）11 : HCLK = FCLK/3 （当 CAMDIVN8 = 0 时）HCLK = FCLK/6 （当 CAMDIVN8 = 1时）00PDIVN00: PCLK = HCLK/1 1: PCLK = HCLK/20 设置CLKDIVN为5，就将HDIVN设置为二进制的10，由于CAMDIVN9没有被改变过，取默认值0，因此HCLK = FCLK/4。PDIVN被设置为1，因此PCLK= HCLK/2。因此分频比FCLK:HCLK:PCLK = 1:4:8 。 MPLLCON寄存器用于设置FCLK与Fin的倍数。MPLLCON的位19:12称为MDIV，位9:4称为PDIV，位1:0称为SDIV。 对于S3C2440，FCLK与Fin的关系如下面公式： MPLL(FCLK) = (2mFin)/(p) 其中： m=MDIC+8，p=PDIV+2，s=SDIV MPLLCON与UPLLCON的值可以根据参考文献4中“PLL VALUE SELECTION TABLE”设置。该表部分摘录如下：表 2.3 推荐PLL值输入频率输出频率MDIVPDIVSDIV12.0000MHz48.00 MHz56(0x38)2212.0000MHz405.00 MHz127(0x7f)21 当mini2440系统主频设置为405MHZ，USB时钟频率设置为48MHZ时，系统可以稳定运行，因此设置MPLLCON与UPLLCON为： MPLLCON=(0x7f12) | (0x024) | (0x01) = 0x7f021 UPLLCON=(0x3812) | (0x024) | (0x02) = 0x38022（7）关闭MMU，cache 接着往下看：#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT bl cpu_init_crit#endif cpu_init_crit这段代码在U-Boot正常启动时才需要执行，若将U-Boot从RAM中启动则应该注释掉这段代码。 下面分析一下cpu_init_crit到底做了什么：320 #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT321 cpu_init_crit:322 /*323 * 使数据cache与指令cache无效 */324 */ 325 mov r0, #0326 mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* 向c7写入0将使ICache与DCache无效*/327 mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* 向c8写入0将使TLB失效 */328 329 /*330 * disable MMU stuff and caches331 */332 mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 /* 读出控制寄存器到r0中 */333 bic r0, r0, #0x00002300 clear bits 13, 9:8 (-V- -RS)334 bic r0, r0, #0x00000087 clear bits 7, 2:0 (B- -CAM)335 orr r0, r0, #0x00000002 set bit 2 (A) Align336 orr r0, r0, #0x00001000 set bit 12 (I) I-Cache337 mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 /* 保存r0到控制寄存器 */338 339 /*340 * before relocating, we have to setup RAM timing341 * because memory timing is board-dependend, you will342 * find a lowlevel_init.S in your board directory.343 */344 mov ip, lr345 346 bl lowlevel_init347 348 mov lr, ip349 mov pc, lr350 #endif /* CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT */ 代码中的c0，c1，c7，c8都是ARM920T的协处理器CP15的寄存器。其中c7是cache控制寄存器，c8是TLB控制寄存器。325327行代码将0写入c7、c8，使Cache，TLB内容无效。 第332337行代码关闭了MMU。这是通过修改CP15的c1寄存器来实现的，先看CP15的c1寄存器的格式（仅列出代码中用到的位）：表 2.3 CP15的c1寄存器格式（部分）1514131211109876543210.VI.RSB.CAM 各个位的意义如下：V : 表示异常向量表所在的位置，0：异常向量在0x00000000；1：异常向量在 0xFFFF0000I : 0 ：关闭ICaches；1 ：开启ICachesR、S : 用来与页表中的描述符一起确定内存的访问权限B : 0 ：CPU为小字节序；1 ： CPU为大字节序C : 0：关闭DCaches；1：开启DCachesA : 0：数据访问时不进行地址对齐检查；1：数据访问时进行地址对齐检查M : 0：关闭MMU；1：开启MMU 332337行代码将c1的 M位置零，关闭了MMU。（8）初始化RAM控制寄存器 其中的lowlevel_init就完成了内存初始化的工作，由于内存初始化是依赖于开发板的，因此lowlevel_init的代码一般放在board下面相应的目录中。对于mini2440，lowlevel_init在board/samsung/mini2440/lowlevel_init.S中定义如下：45 #define BWSCON 0x48000000 /* 13个存储控制器的开始地址 */ 129 _TEXT_BASE:130 .word TEXT_BASE131 132 .globl lowlevel_init133 lowlevel_init:134 /* memory control configuration */135 /* make r0 relative the current location so that it */136 /* reads SMRDATA out of FLASH rather than memory ! */137 ldr r0, =SMRDATA138 ldr r1, _TEXT_BASE139 sub r0, r0, r1 /* SMRDATA减 _TEXT_BASE就是13个寄存器的偏移地址 */140 ldr r1, =BWSCON /* Bus Width Status Controller */141 add r2, r0, #13*4142 0:143 ldr r3, r0, #4 /*将13个寄存器的值逐一赋值给对应的寄存器*/144 str r3, r1, #4145 cmp r2, r0146 bne 0b147 148 /* everything is fine now */149 mov pc, lr150 151 .ltorg152 /* the literal pools origin */153 154 SMRDATA: /* 下面是13个寄存器的值 */155 .word 156 .word lowlevel_init初始化了13个寄存器来实现RAM时钟的初始化。lowlevel_init函数对于U-Boot从NAND Flash或NOR Flash启动的情况都是有效的。 U-Boot.lds链接脚本有如下代码： .text : cpu/arm920t/start.o (.text) board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o (.text) board/samsung/mini2440/nand_read.o (.text) board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o将被链接到cpu/arm920t/start.o后面，因此board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o也在U-Boot的前4KB的代码中。 U-Boot在NAND Flash启动时，lowlevel_init.o将自动被读取到CPU内部4KB的内部RAM中。因此第137146行的代码将从CPU内部RAM中复制寄存器的值到相应的寄存器中。 对于U-Boot在NOR Flash启动的情况，由于U-Boot连接时确定的地址是U-Boot在内存中的地址，而此时U-Boot还在NOR Flash中，因此还需要在NOR Flash中读取数据到RAM中。 由于NOR Flash的开始地址是0，而U-Boot的