Uboot详细解析1

uboot
详细注释讲解

声明：该贴是通过参考其他人的帖子整理出来，从中我加深了对uboot的理解，我知道对其他人一定也是有很大的帮助，不敢私藏，如果里面的注释有什么错误请给我回复，我再加以修改。有些部分可能还没解释清楚，如果您觉得有必要注释，希望指出。再次强调该贴的大部分功劳应该归功于那些原创者，由于粗心，我没有留意参考的出处。我的目的是想让大家共同进步。希望大家念在我微不足道的心意，能够积极回馈，以便使帖子更加完善。以后还会把整理的东西陆续公布出来，谢谢光临！！

大多数bootloader都分为stage1和stage2两部分，u-boot也不例外。依赖于CPU体系结构的代码（如设备初始化代码等）通常都放在stage1且可以用汇编语言来实现，而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且有更好的可读性和移植性。
1、Stage1 start.S代码结构

u-boot的stage1代码通常放在start.S文件中，他用汇编语言写成，其主要代码部分如下：
（1）定义入口。由于一个可执行的Image必须有一个入口点，并且只能有一个全局入口，通常这个入口放在ROM（Flash）的0x0地址，因此，必须通知编译器以使其知道这个入口，该工作可通过修改连接器脚本来完成。
（2）设置异常向量（Exception Vector）。
（3）设置CPU的速度、时钟频率及终端控制寄存器。
（4）初始化内存控制器。
（5）将ROM中的程序复制到RAM中。
（6）初始化堆栈。
（7）转到RAM中执行，该工作可使用指令ldr pc来完成。
2、Stage2 C语言代码部分
lib_arm/board.c中的start arm boot是C语言开始的函数也是整个启动代码中C语言的主函数，同时还是整个u-boot（armboot）的主函数，该函数只要完成如下操作：
（1）调用一系列的初始化函数。
（2）初始化Flash设备。
（3）初始化系统内存分配函数。
（4）如果目标系统拥有NAND设备，则初始化NAND设备。
（5）如果目标系统有显示设备，则初始化该类设备。
（6）初始化相关网络设备，填写IP、MAC地址等。
（7）进去命令循环（即整个boot的工作循环），接受用户从串口输入的命令，然后进行相应的工作。
3、U-Boot的启动顺序(示例，其他u-boot版本类似)
cpu/arm920t/start.S

@文件包含处理

#include
@由顶层的mkconfig生成，其中只包含了一个文件：configs/<</SPAN>顶层makefile中6个参数的第1个参数>.h

#include
#include

注：ARM微处理器支持字节（8位）、半字（16位）、字（32位）3种数据类型
@向量跳转表，每条占四个字节（一个字），地址范围为0x0000
0000～@0x0000 0020
@ARM体系结构规定在上电复位后的起始位置，必须有8条连续的跳

@转指令，通过硬件实现。他们就是异常向量表。ARM在上电复位后，@是从0x00000000开始启动的，其实如果bootloader存在，在执行

@下面第一条指令后，就无条件跳转到start_code，下面一部分并没@执行。设置异常向量表的作用是识别bootloader。以后系统每当有@异常出现，则CPU会根据异常号，从内存的0x00000000处开始查表@做相应的处理

.globl _start
@_start是GNU汇编器的默认入口标签，.globl将_start声明为外部程序可访问的标签，.globl是GNU汇编的保留关键字，前面加点是GNU汇编的语法
_start: b start_code @0x00
@ARM上电后执行的第一条指令，也即复位向量，跳转到start_code

@reset用b，就是因为reset在MMU建立前后都有可能发生
@其他的异常只有在MMU建立之后才会发生
ldr pc,
_undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq
ldr pc, _fiq

@对于ARM数据从内存到CPU之间的移动只能通过L/S指令，如：ldr
r0,0x12345678为把0x12345678内存中的数据写到r0中，还有一个就是ldr伪指令，如：ldr
r0,=0x12345678为把0x12345678地址写到r0中，mov只能完成寄存器间数据的移动，而且立即数长度限制在8位

_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
@.word为GNU
ARM汇编特有的伪操作，为分配一段字内存单元（分配的单元为字对齐的），可以使用.word把标志符作为常量使用。如_fiq:.word
fiq即把fiq存入内存变量_fiq中，也即是把fiq放到地址_fiq中。

.balignl 16,0xdeadbeef
@.balignl是.balign的变体

@ .align伪操作用于表示对齐方式：通过添加填充字节使当前位置

@满足一定的对齐方式。.balign的作用同.align。
@ .align {alignment} {,fill}
{,max}
@
其中：alignment用于指定对齐方式，可能的取值为2的次

@幂，缺省为4。fill是填充内容，缺省用0填充。max是填充字节@数最大值，如果填充字节数超过max,
就不进行对齐,例如：
@ .align 4

【参考好野人的窝，于关u-boot中的.balignl 16,0xdeadbeef的理解http://haoyeren.blog.sohu.com/84511571.html】

@TEXT_BASE在开发板相关的目录中的config.mk文档中定义,
他定

@义了代码在运行时所在的地址,
那么_TEXT_BASE中保存了这个地

@址（这个TEXT_BASE怎么来的还不清楚）

.globl _armboot_start
_armboot_start:
.word _start
@用_start来初始化_armboot_start。（为什么要这么定义一下还不明白）

@下面这些是定义在开发板目录链接脚本中的

.globl _bss_start
_bss_start:
.word __bss_start
@__bss_start定义在和开发板相关的u-boot.lds中，_bss_start保存的是__bss_start标号所在的地址。

.globl _bss_end
_bss_end:
.word _end
@同上，这样赋值是因为代码所在地址非编译时的地址，直接取得该标号对应地址。

@中断的堆栈设置

#ifdef CONFIG_USE_IRQ

.globl IRQ_STACK_START
IRQ_STACK_START:
.word 0x0badc0de

.globl FIQ_STACK_START
FIQ_STACK_START:
.word 0x0badc0de
#endif

@复位后执行程序

@真正的初始化从这里开始了。其实在CPU一上电以后就是跳到这里执行的
reset:

@更改处理器模式为管理模式

@对状态寄存器的修改要按照：读出-修改-写回的顺序来执行
@
31 30 29 28 --- 7 6 - 4 3 2 1 0
N Z C V I F M4 M3 M2 M1 M0
0 0 0 0 0 User26 模式
0 0 0 0 1 FIQ26 模式
0 0 0 1 0 IRQ26 模式
0 0 0 1 1 SVC26 模式
1 0 0 0 0 User 模式
1 0 0 0 1 FIQ 模式
1 0 0 1 0 IRQ 模式
1 0 0 1 1 SVC 模式
1 0 1 1 1 ABT 模式
1 1 0 1 1 UND 模式
1 1 1 1 1 SYS 模式

mrs r0,cpsr
@将cpsr的值读到r0中
bic r0,r0,#0x1f
@清除M0~M4
orr r0,r0,#0xd3
@禁止IRQ,FIQ中断，并将处理器置于管理模式
msr cpsr,r0

@以下是点灯了，这里应该会牵涉到硬件设置，移植的时候应该可以不要
bl coloured_LED_init
bl red_LED_on

@针对AT91RM9200进行特殊处理
#if defined(CONFIG_AT91RM9200DK) ||
defined(CONFIG_AT91RM9200EK)

ldr r0, =_start
ldr r1, =0x0
mov r2, #16
copyex:
subs r2, r2, #1
@sub带上了s用来更改进位标志，对于sub来说，若发生借位则C标志置0，没有则为1，这跟adds指令相反！要注意。
ldr r3, [r0], #4
str r3, [r1], #4
bne copyex
#endif

@针对S3C2400和S3C2410进行特殊处理

@CONFIG_S3C2400、CONFIG_S3C2410等定义在include/configs/下不同开发板的头文件中
#if defined(CONFIG_S3C2400) ||
defined(CONFIG_S3C2410)

@关闭看门狗定时器的自动复位功能并屏蔽所有中断，上电后看门狗为开，中断为关
# if defined(CONFIG_S3C2400)
# define pWTCON 0x15300000
# define INTMSK 0x14400008
# define CLKDIVN 0x14800014
#else @s3c2410的配置
# define pWTCON 0x53000000
@pWTCON定义为看门狗控制寄存器的地址（s3c2410和s3c2440相同）
# define INTMSK 0x4A000008
@INTMSK定义为主中断屏蔽寄存器的地址（s3c2410和s3c2440相同）
# define INTSUBMSK 0x4A00001C
@INTSUBMSK定义为副中断屏蔽寄存器的地址（s3c2410和s3c2440相同）
# define CLKDIVN 0x4C000014
@CLKDIVN定义为时钟分频控制寄存器的地址（s3c2410和s3c2440相同）
# endif
@至此寄存器地址设置完毕

ldr r0, =pWTCON
mov r1, #0x0
str r1, [r0]
@对于S3C2440和S3C2410的WTCON寄存器的[0]控制允许或禁止看门狗定时器的复位输出功能，设置为“0”禁止复位功能。

mov r1, #0xffffffff
ldr r0, =INTMSK
str r1, [r0]
# if defined(CONFIG_S3C2410)
ldr r1, =0x3ff @2410好像应该为7ff才对（不理解uboot为何是这个数字）
ldr r0, =INTSUBMSK
str r1, [r0]
# endif
@对于S3C2410的INTMSK寄存器的32位和INTSUBMSK寄存器的低11位每一位对应一个中断，相应位置“1”为不响应相应的中断。对于S3C2440的INTSUBMSK有15位可用，所以应该为0x7fff了。

ldr r0, =CLKDIVN
mov r1, #3
str r1, [r0]
@时钟分频设置，FCLK为核心提供时钟，HCLK为AHB（ARM920T,内存@控制器，中断控制器，LCD控制器，DMA和主USB模块）提供时钟，@PCLK为APB（看门狗、IIS、I2C、PWM、MMC、ADC、UART、GPIO、@RTC、SPI）提供时钟。分频数一般选择1：4：8，所以HDIVN=2,PDIVN=1，@CLKDIVN=5，这里仅仅是配置了分频寄存器，关于MPLLCON的配置肯@定写在lowlevel_init.S中了

@归纳出CLKDIVN的值跟分频的关系：
@0x0 = 1:1:1 , 0x1 = 1:1:2 , 0x2 = 1:2:2 , 0x3 = 1:2:4, 0x4 =
1:4:4, 0x5 = 1:4:8, 0x6 = 1:3:3,
0x7 = 1:3:6
@S3C2440的输出时钟计算式为:Mpll=(2*m*Fin)/(p*2^s)
S3C2410的输出时钟计算式为:Mpll=(m*Fin)/(p*2^s)
m=M(the value for divider M)+8;p=P(the value for divider P)+2
M,P,S的选择根据datasheet中PLL VALUE SELECTION TABLE表格进行，

我的开发板晶振为16.9344M，所以输出频率选为：399.65M的话M=0x6e,P=3,S=1
@s3c2440增加了摄像头,其FCLK、HCLK、PCLK的分频数还受到CAMDIVN[9]（默认为0）,CAMDIVN[8]（默认为0）的影响
#endif

@选择是否初始化CPU
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
bl cpu_init_crit
@执行CPU初始化，BL完成跳转的同时会把后面紧跟的一条指令地址保存到连接寄存器LR（R14）中。以使子程序执行完后正常返回。
#endif

@调试阶段的代码是直接在RAM中运行的，而最后需要把这些代码
@固化到Flash中，因此U-Boot需要自己从Flash转移到
@RAM中运行，这也是重定向的目的所在。
@通过adr指令得到当前代码的地址信息：如果U-boot是从RAM @开始运行，则从adr,r0,_start得到的地址信息为
@r0=_start=_TEXT_BASE=TEXT_BASE=0x33F80000;
@如果U-boot从Flash开始运行，即从处理器对应的地址运行，
@则r0=0x0000,这时将会执行copy_loop标识的那段代码了。
@ _TEXT_BASE
定义在board/smdk2410/config.mk中

#ifndef CONFIG_SKIP_RELOCATE_UBOOT
relocate:
adr r0, _start
ldr r1, _TEXT_BASE
cmp r0, r1
beq stack_setup
ldr r2, _armboot_start
@_armboot_start为_start地址
ldr r3, _bss_start
@_bss_start为数据段地址
sub r2, r3, r2
add r2, r0, r2

copy_loop:
ldmia r0!, {r3-r10}

@从源地址[r0]读取8个字节到寄存器,每读一个就更新一次r0地址

@ldmia:r0安字节增长
stmia r1!, {r3-r10}
@LDM(STM)用于在寄存器所指的一片连续存储器和寄存器列表的寄存@器间进行数据移动，或是进行压栈和出栈操作。

@格式为：LDM(STM){条件}{类型}基址寄存器{！}，寄存器列表{^}
@对于类型有以下几种情况： IA
每次传送后地址加1，用于移动数

@据块

IB 每次传送前地址加1，用于移动数据块
DA 每次传送后地址减1，用于移动数据块
DB 每次传送前地址减1，用于移动数据块
FD 满递减堆栈，用于操作堆栈（即先移动指针再操作数据，相当于DB）
ED 空递减堆栈，用于操作堆栈（即先操作数据再移动指针，相当于DA）
FA 满递增堆栈，用于操作堆栈（即先移动指针再操作数据，相当于IB）
EA 空递增堆栈，用于操作堆栈（即先操作数据再移动指针，相当于IA）
（这里是不是应该要涉及到NAND或者NOR的读写？没有看出来）

cmp r0, r2
ble copy_loop
#endif /* CONFIG_SKIP_RELOCATE_UBOOT */

@初始化堆栈
stack_setup:

ldr r0, _TEXT_BASE

@获取分配区域起始指针，

sub r0, r0, #CONFIG_SYS_MALLOC_LEN

@CFG_MALLOC_LEN=128*1024+CFG_ENV_SIZE=128*1024+0x1@0000=192K

sub r0, r0, #CONFIG_SYS_GBL_DATA_SIZE

@CFG_GBL_DATA_SIZE 128---size in bytes reserved for
initial data
用来存储开发板信息
#ifdef CONFIG_USE_IRQ

@这里如果需要使用IRQ,
还有给IRQ保留堆栈空间,
一般不使用.
sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif
sub sp, r0, #12

@该部分将未初始化数据段_bss_start----_bss_end中的数据
@清零
clear_bss:
ldr r0, _bss_start
ldr r1, _bss_end
mov r2, #0x00000000

clbss_l:str r2, [r0]
add r0, r0, #4
cmp r0, r1
ble clbss_l

@跳到阶段二C语言中去
ldr pc, _start_armboot

_start_armboot: .word
start_armboot
@start_armboot在/lib_arm/中，到这里因该是第一阶段已经完成了吧，下面就要去C语言中执行第二阶段了吧

@CPU初始化

@在“relocate:
”之前被调用

#ifndef
CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
cpu_init_crit:

@初始化CACHES
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0

@关闭MMU和CACHES
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS)
bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM)
orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 2 (A) Align
orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-Cache
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
@对协处理器的操作还是看不懂，暂时先不管吧，有时间研究一下ARM技术手册的协处理器部分。

@初始化RAM时钟，因为内存是跟开发板密切相关的，所以这部分在/开发板目录/lowlevel_init.S中实现

mov ip, lr
@保存LR,以便正常返回,注意前面是通过BL跳到cpu_init_crit来的。

@（ARM9有37个寄存器，ARM7有27个）
37个寄存器=7个未分组寄存器（R0～R7）+
2×（5个分组寄存器R8～R12）+6×2（R13=SP，R14=lr 分组寄存器） + 1(R15=PC)
+1(CPSR) + 5(SPSR)
用途和访问权限：
R0～R7:USR(用户模式)、fiq（快速中断模式）、irq（中断模式）、svc（超级用法模式）、abt、und
R8～R12：R8_usr～R12_usr（usr，irq，svc，abt，und）
R8_fiq～R12_fiq（fiq）
R11=fp
R12=IP(从反汇编上看，fp和ip一般用于存放SP的值)
R13～R14：R13_usr
R14_usr(每种模式都有自己的寄存器)
SP ～lr ：R13_fiq
R14_fiq
R13_irq R14_irq
R13_svc R14_svc
R13_abt R14_abt
R13_und R14_und
R15(PC)：都可以访问（即PC的值为当前指令的地址值加8个字节）
R16 ：（(Current Program Status
Register，当前程序状态寄存器)）
SPSR _fiq,SPSR_irq,SPSR_abt,SPSR_und(USR模式没有)

#if defined(CONFIG_AT91RM9200EK)

#else
bl lowlevel_init

@在重定向代码之前，必须初始化内存时序，因为重定向时需要将@flash中的代码复制到内存中lowlevel_init在@/board/smdk2410/lowlevel_init.S中。

#endif
mov lr, ip
mov pc, lr
@返回到主程序

#endif

@这段没有看明白，不过好像跟移植关系不是很大，先放一放。
@
@ IRQ stack frame.
@
#define S_FRAME_SIZE 72

#define S_OLD_R0 68
#define S_PSR 64
#define S_PC 60
#define S_LR 56
#define S_SP 52

#define S_IP 48
#define S_FP 44
#define S_R10 40
#define S_R9 36
#define S_R8 32
#define S_R7 28
#define S_R6 24
#define S_R5 20
#define S_R4 16
#define S_R3 12
#define S_R2 8
#define S_R1 4
#define S_R0 0

#define MODE_SVC 0x13
#define I_BIT 0x80

.macro bad_save_user_regs
sub sp, sp, #S_FRAME_SIZE
stmia sp, {r0 - r12} @ Calling r0-r12
ldr r2, _armboot_start
sub r2, r2, #(CONFIG_STACKSIZE)
sub r2, r2, #(CONFIG_SYS_MALLOC_LEN)
sub r2, r2, #(CONFIG_SYS_GBL_DATA_SIZE+8) @ set base 2 words into
abort stack
ldmia r2, {r2 - r3} @ get pc, cpsr
add r0, sp, #S_FRAME_SIZE @ restore sp_SVC

add r5, sp, #S_SP
mov r1, lr
stmia r5, {r0 - r3} @ save sp_SVC, lr_SVC, pc, cpsr
mov r0, sp
.endm

.macro irq_save_user_regs
sub sp, sp, #S_FRAME_SIZE
stmia sp, {r0 - r12} @ Calling r0-r12
add r7, sp, #S_PC
stmdb r7, {sp, lr}^ @ Calling SP, LR
str lr, [r7, #0] @ Save calling PC
mrs r6, spsr
str r6, [r7, #4] @ Save CPSR
str r0, [r7, #8] @ Save OLD_R0
mov r0, sp
.endm

.macro irq_restore_user_regs
ldmia sp, {r0 - lr}^ @ Calling r0 - lr
mov r0, r0
ldr lr, [sp, #S_PC] @ Get PC
add sp, sp, #S_FRAME_SIZE
subs pc, lr, #4 @ return & move spsr_svc into cpsr
.endm

.macro get_bad_stack
ldr r13, _armboot_start @ setup our mode stack
sub r13, r13, #(CONFIG_STACKSIZE)
sub r13, r13, #(CONFIG_SYS_MALLOC_LEN)
sub r13, r13, #(CONFIG_SYS_GBL_DATA_SIZE+8) @ reserved a couple
spots in abort stack

str lr, [r13] @ save caller lr / spsr
mrs lr, spsr
str lr, [r13, #4]

mov r13, #MODE_SVC @ prepare SVC-Mode
@ msr spsr_c, r13
msr spsr, r13
mov lr, pc
movs pc, lr
.endm

.macro get_irq_stack @ setup IRQ stack
ldr sp, IRQ_STACK_START
.endm

.macro get_fiq_stack @ setup FIQ stack
ldr sp, FIQ_STACK_START
.endm

@异常向量处理

@每一个异常向量处其实只放了一条跳转指令（因为每个异常向量只 @有4个字节不能放太多的程序），跳到相应的异常处理程序中。
.align 5
undefined_instruction:
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_undefined_instruction

.align 5
software_interrupt:
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_software_interrupt

.align 5
prefetch_abort:
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_prefetch_abort

.align 5
data_abort:
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_data_abort

.align 5
not_used:
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_not_used

#ifdef CONFIG_USE_IRQ

.align 5
irq:
get_irq_stack
irq_save_user_regs
bl do_irq
irq_restore_user_regs

.align 5
fiq:
get_fiq_stack

irq_save_user_regs
bl do_fiq
irq_restore_user_regs

#else

.align 5
irq:
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_irq

.align 5
fiq:
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_fiq

#endif
@可知start.S的流程为：异常向量——上电复位后进入复位异常向量——跳到启动代码处——设置处理器进入管理模式——关闭看门狗——关闭中断——设置时钟分频——关闭MMU和CACHE——进入lowlever_init.S——检查当前代码所处的位置，如果在FLASH中就将代码搬移到RAM中