从0移植uboot (二) _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，其次，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。uboot是一个两阶段bootloader，第一阶段主要做硬件直接相关的初始化，使用汇编编写;第二阶段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

第一阶段

第一阶段的主要文件和任务如下

arch/arm/cpu/armv7/start.S

           1. 设置CPU为SVC模式

           2. 关闭中断，MMU，Cache

board/samsung/origen/lowlevel_init.S

           3. 关闭看门狗

           4. 初始化内存，串口

           5. 设置栈

           6. 代码自搬移

           7. 清BSS

           8. 跳转到C入口？？？？

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，是整个uboot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，即第二阶段

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,开始执行第二阶段。

第二阶段

从start.S跳转到_main ，标致着uboot启动过程的第二阶段的开始。在第二阶段，核心文件是crt0.S，但我们最关心的是其中回调板级C程序的入口位置。第二阶段的流程如下:

arch/arm/lib/crt0.S

           1. 初始化C运行环境，调用board_init_f()

arch/arm/lib/board.c

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

arch/arm/lib/crt0.S

           1. 代码重定位

           2. 代码自搬移

           3. 执行超循环

arch/arm/lib/board.c

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

crt0.S

进入第二阶段是首要任务就是准备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。函数比较长，我就不逐句分析了，这个函数主要的作用就是执行一些高等级的初始化。其中最重要的就是准备全局信息GD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自搬移，代码重定位等工作，执行完这些之后，我们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

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-->执行超循环，主要功能是处理环境变量,解析命令，也就是uboot中和我们交互的命令的解析工作都在这里执行!!!

main_loop()与启动内核

main_loop()的实现在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。ootloader 要想启动内核,可以直接跳到内核的第一个指令处,即内核的起始地址,这样便可以完成内核的启动工作了。但是要想启动内核还需要满足下面的一些条件，这些条件在Linux内核文档"/Documentation/kernel-parameters.txt"中有说明，

1、cpu 寄存器设置

* R0 = 0
* R1 = 机器类型 id
* R2 = 启动参数在内存中的起始地址

2、cpu 模式

* 禁止所有中断
* 必须为 SVC(超级用户)模式

3、Cache、MMU

* 关闭 MMU
* 指令 Cache 可以开启或者关闭
* 数据 Cache 必须关闭

4、设备

* DMA 设备应当停止工作

5、PC 为内核的起始地址

关于uboot的启动分析，本文只是冰山一角的一丢丢，不过希望通过我的这一堆废话下来，能帮助你对uboot的启动流程有一个整体的认识，当然，如果文中有错误，欢迎批评指正^-^