从0移植uboot (二) _uboot启动流程分析

经过了上一篇的配置，我们已经执行make就可以编译出一个uboot.bin，但这还不够，首先，此时的uboot并不符合三星芯片对bootloader的格式要求，同时，此时的uboot.bin也没有结合我们的开发板进行配置，还无法使用。而要进行这样的个性化配置，前提条件就是对uboot开机流程和编译系统有所了解，本文主要讨论前者。在三星的SoC中, 启动流程可以分为三个阶段BL0, BL1, BL2, BL3, 三星自己的手册对BL1的解释也不尽相同, 一种是将在iRAM中运行的程序都归结为BL1; 一种是将iRAM中三星加密的代码bl1.bin作为BL1, iRAM中剩余的部分作为BL2, 本文采用后者, 他们的主要分工如下:

• BL0: ARM的起始地址都是0地址, 三星的芯片一般将0地址映射到iROM中, BL0就是指iROM中固化的启动代码, 主要负责加载BL1
• BL1: 三星对于bootloader的加密代码bl1.bin, 要放在外设中uboot.bin的头上, 和一部分uboot.bin一起加载到iRAM中运行.
• BL2: 从(nand/sd/usb)中拷贝的uboot.bin头最大14K到iRAM中代码中除去bl1.bin后剩余的部分, 负责设置CPU为SVC模式, 关闭MMU, 关闭中断, 关闭iCache, 关闭看门狗, 初始化DRAM,初始化时钟, 初始化串口, 设置栈, 校验BL2并将其搬移到DRAM高位地址, 重定位到DRAM中执行BL3
• BL3：是指在代码重定向后在内存中执行的uboot的完整代码, 负责初始化外设，更新向量表, 清BSS, 准备内核启动参数, 加载并运行OS内核

可以借助下图理解这个流程

我们常说的uboot是一个两阶段bootloader，就是指上述的BL2和BL3. BL2主要做硬件直接相关的初始化，使用汇编编写;BL3主要为操作系统的运行准备环境，主要用C编写，这里以ARM平台为例分析其启动流程。下面是启动过程中主要涉及的文件

arch/arm/cpu/armv7/start.S

board/samsung/myboard/lowlevel_init.S

arch/arm/lib/crt0.S

arch/arm/lib/board.c

arch/samsung/myboard/myboard.c

BL2

BL2的主要文件和任务流程如下

arch/arm/cpu/armv7/start.S

           1. 设置CPU为SVC模式

           2. 关闭MMU

           3. 关闭Cache

           4. 跳转到lowlevel_init.S low_level_init

board/samsung/origen/lowlevel_init.S

           5. 初始化时钟

           6. 初始化内存

           7. 初始化串口

           8. 关闭看门狗

           9. 跳转到crt0.S _main

arch/arm/lib/crt0.S

           10. 设置栈

           11. 初始化C运行环境

           12. 调用board_init_f()

arch/arm/lib/board.c

           13. board_init_f对全局信息GD结构体进行填充

arch/arm/lib/crt0.S

           14. 代码重定位------------BL2的最后的工作, 执行完就进入DRAM执行BL2

start.S

 39 .globl _start
 40 _start: b       reset
 41         ldr     pc, _undefined_instruction
 42         ldr     pc, _software_interrupt
 43         ldr     pc, _prefetch_abort
 44         ldr     pc, _data_abort
 45         ldr     pc, _not_used
 46         ldr     pc, _irq
 47         ldr     pc, _fiq

--40--> 异常向量表设置

126 reset:
127         bl      save_boot_params
131         mrs     r0, cpsr
132         bic     r0, r0, #0x1f
133         orr     r0, r0, #0xd3
134         msr     cpsr,r0

--126-->设置CPU为SVC模式

下面这三行代码非常重要，是BL2启动过程的交叉点

154         bl      cpu_init_cp15
155         bl      cpu_init_crit
158         bl      _main

--154-->跳转执行cpu_init_cp15，即初始化CP15协处理器

--155-->跳转执行cpu_init_crit,

--158-->跳转执行_main

287 ENTRY(cpu_init_cp15)
291         mov     r0, #0                  @ set up for MCR
292         mcr     p15, 0, r0, c8, c7, 0   @ invalidate TLBs
293         mcr     p15, 0, r0, c7, c5, 0   @ invalidate icache
294         mcr     p15, 0, r0, c7, c5, 6   @ invalidate BP array
295         mcr     p15, 0, r0, c7, c10, 4  @ DSB
296         mcr     p15, 0, r0, c7, c5, 4   @ ISB
297
301         mrc     p15, 0, r0, c1, c0, 0
302         bic     r0, r0, #0x00002000     @ clear bits 13 (--V-)
303         bic     r0, r0, #0x00000007     @ clear bits 2:0 (-CAM)
304         orr     r0, r0, #0x00000002     @ set bit 1 (--A-) Align
305         orr     r0, r0, #0x00000800     @ set bit 11 (Z---) BTB
307         bic     r0, r0, #0x00001000     @ clear bit 12 (I) I-cache
311         mcr     p15, 0, r0, c1, c0, 0
312         mov     pc, lr                  @ back to my caller
313 ENDPROC(cpu_init_cp15)

--291-->关闭Cache

--301-->关闭MMU

324 ENTRY(cpu_init_crit)
331         b       lowlevel_init           @ go setup pll,mux,memory
332 ENDPROC(cpu_init_crit)

--331-->跳转到lowlevel_init，位于"board/samsung/origen/lowlevel_init.S"，进行板级相关的设置。

lowlevel_init.S

这是位于目录的初始化文件，主要完成特定开发板的初始化工作，包括时钟、内存和串口等。

 82         bl system_clock_init
 85         bl mem_ctrl_asm_init
 87 1:
 88         /* for UART */
 89         bl uart_asm_init
 90         bl tzpc_init
 91         pop     {pc}
114 system_clock_init:
329 uart_asm_init:
357 tzpc_init:

--82-->初始化系统时钟，即跳转到114行

--85-->初始化系统内存

--89-->初始化UART串口，即跳转到329行

--90-->初始化TrustZoneProtectorController，即跳转到357行

执行完lowlevel_init.S，依据上面那三行代码，执行流程就该回到start.S执行156行跳转到_main

crt0.S

首要任务就是设置栈, 准备C语言运行的环境:

 96 _main:
102 #if defined(CONFIG_NAND_SPL)
103         /* deprecated, use instead CONFIG_SPL_BUILD */
104         ldr     sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
105 #elif defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK)
106         ldr     sp, =(CONFIG_SPL_STACK)
107 #else
108         ldr     sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
109 #endif
110         bic     sp, sp, #7      /* 8-byte alignment for ABI compliance */
111         sub     sp, #GD_SIZE    /* allocate one GD above SP */
112         bic     sp, sp, #7      /* 8-byte alignment for ABI compliance */
113         mov     r8, sp          /* GD is above SP */
114         mov     r0, #0
115         bl      board_init_f

_main

--104-->初始化SP，为C语言做准备

--110-->保存128B放GD结构体来存放全局信息，

--111-->GD的地址放在r8中，

--115-->跳转到board_init_f()，这个整个初始化过程中第一次执行的C代码

board.c

下面这个函数就是uboot初始化过程中执行的第一个C函数，可以看作这个文件的入口函数。其中最重要的就是准备全局信息GD结构体, 内核启动参数就是来自于这个结构体

209 typedef int (init_fnc_t) (void);
243 init_fnc_t *init_sequence[] = {
244         arch_cpu_init,          /* basic arch cpu dependent setup */
245         mark_bootstage,
246 #ifdef CONFIG_OF_CONTROL
247         fdtdec_check_fdt,
            ...
277 void board_init_f(ulong bootflag)
278 {
        ...
291         gd->mon_len = _bss_end_ofs;
292 #ifdef CONFIG_OF_EMBED
293         /* Get a pointer to the FDT */
294         gd->fdt_blob = _binary_dt_dtb_start;
295 #elif defined CONFIG_OF_SEPARATE
296         /* FDT is at end of image */
297         gd->fdt_blob = (void *)(_end_ofs + _TEXT_BASE);
298 #endif
299         /* Allow the early environment to override the fdt address */
300         gd->fdt_blob = (void *)getenv_ulong("fdtcontroladdr", 16,
301                                                 (uintptr_t)gd->fdt_blob);
302
303         for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
304                 if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
305                         hang ();
306                 }
307         }
        ...

board_init_f()

--243--> 全局的函数指针数组，每个指针都是int (*ptr)(void)型的。

--291-->mon_len 通过链接脚本可以知道存放的是 uboot 代码大小;

--294-->fdt_blob 存放设备数地址;

--303--遍历函数指针数组init_sequence中的每一个成员，就是将数组中的每一个初始化函数都执行一次，这种写法可以借鉴

crt0.S

函数board_init_f()返回后，继续执行crt0.S中115行之后的部分，主要的工作是执行代码重定位，执行完这些之后，我们找到了最感兴趣的下面这几句

163         /* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */
164         mov     r0, r8                  /* gd_t */
165         ldr     r1, [r8, #GD_RELOCADDR] /* dest_addr */
166         /* call board_init_r */
167         ldr     pc, =board_init_r       /* this is auto-relocated! */

--167-->跳转到board_init_r函数执行，这次跳出去这个文件的语句就执行完毕了，不会再回来了, 开始执行BL3.

BL3

这一阶段涉及的文件及任务如下

arch/arm/lib/crt0.S

arch/arm/lib/board.c

           1. board_init_r()是进入定制板目录的入口

common/main.c

           2. main_loop()中关闭中断，执行命令以及加载引导内核

board.c

这也是最后一次跳转到这个文件了，执行额函数如下

519 void board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr)
520 {
521         ulong malloc_start;
522 #if !defined(CONFIG_SYS_NO_FLASH)
523         ulong flash_size;
524 #endif
525
526         gd->flags |= GD_FLG_RELOC;      /* tell others: relocation done */
527         bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_START_UBOOT_R, "board_init_r");
528
529         monitor_flash_len = _end_ofs;
530
531         /* Enable caches */
532         enable_caches();
533
534         debug("monitor flash len: %08lX\n", monitor_flash_len);
535         board_init();   /* Setup chipselects */
        ...
650          /* set up exceptions */
651         interrupt_init();
652         /* enable exceptions */
653         enable_interrupts();
667         eth_initialize(gd->bd);
        ...
701         /* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again. */
702         for (;;) {
703                 main_loop();
704         }
705 

board_init_r()

--532-->很多紧急工作都做完了，可以打开cache了

--535-->关键!!!这个就是我们苦苦寻找的板级定制文件的xxx.c的入口函数！！！

--651-->中断初始化

--653-->使能中断

--667-->网卡初始化，函数的实现在net/eth.c，会回调板级xxx.c中的board_eth_init()

--703-->**执行main_loop()，实现在common/main.c，它的主要功能就是循环检测输入的命令并执行，其中一个环境变量bootdelay(自启动)的设置决定了是否启动内核，如果延时大于等于零,并且没有在延时过程中接收到按键,则引导内核

main.c

这个文件就是main_loop()所在的文件, 不论是启动内核, 打印信息还是输入命令, 都在这个函数中执行, 我们这里主要关心这个函数是如何启动内核的, 函数的调用关系如下:

main_loop()

           ├──getenv

           │           └──getenv_f

           │                      ├──env_get_char

           │                      └──envmatch

           └──run_command_list

                      └──builtin_run_command_list

                                 └──builtin_run_command

                                            ├──process_macros

                                            ├──parse_line

                                            └──cmd_process

                                                       ├──find_cmd

                                                       ├──cmd_call

                                                       │           └──cmdtp->cmd//找到命令do_bootm

                                                       │                      └──bootm_start

                                                       │                                 └──boot_start_lmb

                                                       │                                            └──arch_lmb_reserve(struct lmb *lmb)

                                                       │                                                       └──cleanup_before_linux

                                                       │                                                                  └──disable_interrupts //关闭中断

                                                       └──cmd_usage

                                                                             └──bootm_load_os

上面就是uboot启动Linux前大体上做的最后的工作流程, uboot做了这么多, 其实都是为了能引导OS内核,针对ARM Linux, 它对启动前的环境要求在内核文档"/Documentation/kernel-parameters.txt"和"Documentation/arm/Booting"" 有叙述,其中就可以解释uboot为什么做了上面这些工作. 文档中对于在ARM平台中启动Linux内核, 作了如下6条要求, 我们逐条解释:

Setup and initialise the RAM.

这里的RAM指的是DRAM, 因为Linux内核需要在DRAM中运行, 而DRAM必须初始化, 这部分工作在BL2中完成了.

Initialise one serial port.

初始化一个串口, bootloader应该初始化一个串口, 这样内核串口驱动才可以自动探测到给控制台用的串口是哪个

bootloader可以在taglist中使用console=来指定一个串口, 这部分工作在BL2中也做了

Detect the machine type.

探测板子类型, Linux内核需要知道自己运行的板子类型, 这部分工作也交给bootloader来完成, bootloader通过一些方式获得了板子的类型后, 按照内核源码的"arch/arm/tools/mach-types"中的描述, 将板子的type编号存储在r1寄存器

Setup the kernel tagged list.

建立tag列表, 也就是内核参数, 在内核源码和uboot源码中都使用一个struct tag来描述. 数据结构 tag 和 tag_header 定义在 Linux 内核源码的"include/asm/setup.h" 头文件中：

1. 有效的tagged list 必须以ATAG_CORE开始并且以ATAG_NONE结束, 空的ATAG_CORE的size域是0x00000002, ATAG_NONE的size域是0。
2. list中可以放置任意数目的tag, 名称相同的tag的后果未定义, 最终的取值可能是之前的, 也可能是之后的
3. bootloader至少要将系统内存的位置， 内存的大小以及根文件系统的位置传递给内核
4. taggedlist放置的位置不能和内核自解压区域或initrd的bootp程序相冲突, 防止被重写, 建议的地址是RAM的头16KB
5. bootloader必须把dtb放置在64bit对齐的已经初始化过的内存中, dtb的格式在"Documentation/devicetree/booting-without-of.txt"中, 其中定义了设备树的大小

struct boot_param_header {
    __be32 magic;                   //设备树魔数，固定为0xd00dfeed
    __be32 totalsize;               //整个设备树的大小
    __be32 off_dt_struct;           //保存结构块在整个设备树中的偏移
    __be32 off_dt_strings;          //保存的字符串块在设备树中的偏移
    __be32 off_mem_rsvmap;          //保留内存区，该区保留了不能被内核动态分配的内存空间
    __be32 version;                 //设备树版本
    __be32 last_comp_version;       //向下兼容版本号
    __be32 boot_cpuid_phys;         //为在多核处理器中用于启动的主cpu的物理id
    __be32 dt_strings_size;         //字符串块大小
    __be32 dt_struct_size;          //结构块大小
};

在内核关于启动参数的约定中， 它认为r2中的地址可能是设备树的地址， 也可能是tagged list的地址， 所以， 拿到这个地址后，内核首要的工作就是判断到底是什么，判断的依据就是判断其第一个32bit上存储的到底是设备树魔数0xd00dfeed还是ATAGS_CORE。参见内核"arch/arm/kernel/head-common.h"， 这里我有一个疑问， 既然r2可能会存放dtb的地址， 那此时内核是如何找到tagged list的呢？？？。实际开发中一般都是将tagged list的地址放到r2中。内核推荐将dtb放置在RAM开始的128MB处

Load initramfs.

加载ramfs，ramfs推荐正好放在设备树上面

Calling the kernel image

启动内核镜像，如果使用的flash中的zImage，bootloader可以直接将zImage加载到内存并执行，Linux内核对非zImage内核镜像的地址有更严格的要求————镜像必须加载到PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET处。PAGE_OFFSET定义了虚拟地址空间中内核空间的起始地址，32bit系统中就是3GB处。TEXT_OFFSET表示内核空间中开始的用来保存内核的页表（也就是进程0的PGD）、bootload和kernel传递参数的一块空间的大小，对于arm，TEXT_OFFSET是32kB，由于内核空间的前896MB(3GB~3GB+896MB)是一一映射的，所以将内核加载到物理地址0x4000 0000其实就是加载到虚拟地址空间的3GB处，考虑到上述的32KB用来保存页表、内核参数等，我们需要将内核解压到0x40008000处运行，即虚拟地址的(3GB+32KB)，如果使用uImage，这个参数在制作uImage的时候被写入到了文件头中。我们在uboot的启动参数通常不指定加载到这个地址，因为内核自解压之后会自搬移到0x40008000处开始执行，如果我们指定的就是这个地址，那么内核首先会自搬移到别处，解压之后再搬回来执行，防止解压过程中将未解压的部分覆盖造成错误。

无论是哪种启动方式，内核启动的时候都必须满足下面的条件:

1. r0=0;r1=板子类型号;r2=内核中tagged list或设备树地址
2. 所有的IRQ FIQ必须关闭
3. 必须是ARM状态, SVC模式
4. MMU必须关闭
5. iCache可以关闭也可以不管
6. dCache必须关闭
7. DMA设备必须关闭

我们已经分析了整个Uboot的启动框架，在细节上，Uboot必须完成上面这些工作以满足Linux的启动要求。