U-Boot Practically Porting Guide
Author: Aaron Wong
U-Boot的移植之(二)进阶篇：从源代码看系统启动过程
为什么要分析源代码？分析优秀的源代码本身就是一个学习的过程，也是进行深入研究的必经之路。不过在此我们的主要目的并非要研究U-boot或Bootloader技术本身，而仅仅是为了成功的并且恰当的将U-Boot移植到我们的开发板上。只有结合源代码了解了U-boot的系统引导过程，才能在移植和调试过程中保持清晰的思路，才能在碰到困难和问题时从根本上加以解决。
在动手分析之前，至少应该对U-Boot的源代码结构有基本的了解，很多参考书都有这方面的介绍，华清远见的《嵌入式Linux系统开发技术详解——基于ARM》的讲解就比较清晰。
本文以lubbock开发板为例，以系统启动的流程为线索进行纵向分析：后续的移植工作也将以此开发板为模板。Lubbock使用PXA255处理器。
首先要找到程序入口点。从board/lubbock/u-boot.lds可以发现，u-boot的程序入口为_start，在cpu/pxa/start.o当中。因此首先要分析start.S程序，U-Boot中所有的PXA系列的处理器都从这里开始执行第一条语句。
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.globl _start
_start: b reset
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 |
0x0地址开始是ARM异常向量表，学过ARM体系结构与编程的都明白，非常简单，不多废话。一上电的第一条指令是跳转到reset复位处理程序：
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reset:
/* 进入SVC模式 */
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
bl cpu_init_crit /* we do sys-critical inits */
#endif
#ifndef CONFIG_SKIP_RELOCATE_UBOOT
relocate:
...... |
一般不要定义CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT，因此，接下来跳转到cpu_init_crit处开始执行：
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cpu_init_crit:
/* 屏蔽所有中断 */
/* 设置时钟源，关闭除FFUART,SRAM,SDRAM,FLASH以外的外设时钟 */
......
#ifdef CFG_CPUSPEED
ldr r0, CC_BASE /* 时钟控制寄存器基址 */
ldr r1, cpuspeed
/* cpuspeed: .word CFG_CPUSPEED */
str r1, [r0, #CCCR]
mov r0, #2
mcr p14, 0, r0, c6, c0, 0
setspeed_done:
#endif /* CFG_CPUSPEED */
/* 跳转到lowlevel_init，这里ip即r12，用作暂存寄存器 */
mov ip, lr
bl lowlevel_init
mov lr, ip
/* Memory interfaces are working. Disable MMU and enable I-cache. */
ldr r0, =0x2001
......
/* 关闭MMU，使能I-Cache(可选) */
mov pc, lr /* 这里是从cpu_init_crit返回到relocate标号 */
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可见，在cpu_init_crit中的主要工作是设置时钟，配置处理器主频(这时CPU的工作频率还没有改变)，调用lowlevel_init函数进行底层初始化(包括调整处理器工作频率、系统总线频率、存储器时钟频率以及存储系统的初始化等工作)，随后关闭MMU并使能I-Cache，再返回。
lowlevel_init函数在board/lubbock/lowlevel_init.S中定义，其流程都是按照PXA27X的开发手册来的，所以不再赘述。仅指出，其中的寄存器在include/asm-arm/arch-pxa/pxa-regs.h头文件中定义，寄存器初始化值在include/configs/lubbock.h中定义。另外，在后面的实际移植工作中，由于目标板XSBASE270使用的PXA270处理器，可使用adsvix开发板的lowlevel_init.S文件(lubbock中没有开启turbo模式)。
接着程序的执行线索进行分析。从cpu_init_crit返回后就开始relocate(重定位)，即将U-boot从FLASH存储器搬运到SDRAM中TEXT_BASE开始的存储空间(TEXT_BASE在board/lubbock/config.mk中定义)，并初始化堆栈(清零.bss段)，以在SDRAM中开始进入到Bootloader stage 2的C程序入口。Relocate部分开始的代码如下：
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/* 之前已定义的部分变量有：
_TEXT_BASE: .word TEXT_BASE
_armboot_start: .word _start
_bss_start: .word __bss_start
_bss_end: .word _end */
relocate: /* relocate U-Boot to RAM */
adr r0, _start /* r0 <- current position of code */
ldr r1, _TEXT_BASE /* test if we run from flash or RAM */
cmp r0, r1 /* don't reloc during debug */
beq stack_setup
ldr r2, _armboot_start /* 读入_start到r2 */
ldr r3, _bss_start /* 读入__bss_start到r3 */
sub r2, r3, r2 /* r2 <- size of armboot */
add r2, r0, r2 /* r2 <- source end address */
copy_loop:
ldmia r0!, {r3-r10} /* copy from source address [r0] */
stmia r1!, {r3-r10} /* copy to target address [r1] */
cmp r0, r2 /* until source end addreee [r2] */
ble copy_loop
/* Set up the stack */
stack_setup:
ldr r0, _TEXT_BASE /* upper 128 KiB: relocated uboot */
sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* malloc area */
sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* bdinfo */
#ifdef CONFIG_USE_IRQ
sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif
sub sp, r0, #12 /* leave 3 words for abort-stack */
clear_bss:
ldr r0, _bss_start /* find start of bss segment */
ldr r1, _bss_end /* stop here */
mov r2, #0x00000000 /* clear */
clbss_l:str r2, [r0] /* clear loop... */
add r0, r0, #4
cmp r0, r1
ble clbss_l
ldr pc, _start_armboot
_start_armboot: .word start_armboot |
这是很经典的一段代码，相信学习凡是过ARM编程的，都分析过这段代码，所以也不再赘述。之所以列出这段代码，一是为了找到C程序入口start_armboot，二是为了给出U-Boot的一个存储器映射图：
这个图可以帮助我们更好地理解后续的C语言代码以及U-Boot对内存的分配与使用情况。
接下来进入到Bootloader Stage 2即C语言代码部分，入口是start_armboot，对应的源文件是lib_arm/board.c，这一文件对所有的ARM处理器都是通用的，因此在移植的时候不用修改。相关源代码如下：
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DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR；
/* 在include/asm-arm/global_data.h中定义的一个全局寄存器变量的声明：
* #define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR register volatile gd_t *gd asm ("r8")
* 用于存放全局数据结构体gd_t的地址。
*/
void start_armboot (void)
{
init_fnc_t **init_fnc_ptr;
char *s;
#ifndef CFG_NO_FLASH
ulong size;
#endif
#if defined(CONFIG_VFD) || defined(CONFIG_LCD)
/* 本次移植暂不配置VFD和LCD，后面也将不考虑的部分略去 */
/* 初始化全局数据结构体指针gd */
gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));
....../* memset在lib_generic/string.c中定义*/
memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t)); /*用0填充全局数据表*gd */
gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));
memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t)); /*用0填充(初始化) *gd->bd */
monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;
for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
hang (); /* 打印错误信息并死锁 */
}
}
#ifndef CFG_NO_FLASH
/* configure available FLASH banks */
size = flash_init (); /* drivers/cfi_flash.c或自定义 */
display_flash_config (size);
#endif /* CFG_NO_FLASH */
/*armboot_start is defined in the board-specific linker script*/
mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);
......
/* initialize environment */
env_relocate ();
/* IP Address */
gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");
/* MAC Address */
{
int i;
ulong reg;
char *s, *e;
char tmp[64];
i = getenv_r ("ethaddr", tmp, sizeof (tmp));
s = (i > 0) ? tmp : NULL;
for (reg = 0; reg < 6; ++reg) {
gd->bd->bi_enetaddr[reg] = s ? simple_strtoul (s, &e, 16) : 0;
if (s)
s = (*e) ? e + 1 : e;
}
}
devices_init (); /* get the devices list going. */
.......
jumptable_init ();
console_init_r (); /* fully init console as a device */
enable_interrupts (); /* enable exceptions */
/* Perform network card initialisation if necessary */
#if defined(CONFIG_DRIVER_SMC91111)| |defined (CONFIG_DRIVER_LAN91C96)
if (getenv ("ethaddr"))
smc_set_mac_addr(gd->bd->bi_enetaddr);
#endif /* CONFIG_DRIVER_SMC91111 || CONFIG_DRIVER_LAN91C96 */
/* Initialize from environment */
if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
}
#if defined(CONFIG_CMD_NET)
if ((s = getenv ("bootfile")) != NULL)
copy_filename (BootFile, s, sizeof (BootFile));
#endif
#ifdef BOARD_LATE_INIT
board_late_init ();
#endif
......
/*main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again.*/
for (;;) {
main_loop ();
}
} |
gd_t是全局数据表类型，在include/asm-arm/global_data.h中定义如下：
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/*
Keep it *SMALL* and remember to set CFG_GBL_DATA_SIZE > sizeof(gd_t)
*/
typedef struct global_data {
bd_t *bd;
unsigned long flags;
unsigned long baudrate;
unsigned long have_console; /* serial_init() was called */
unsigned long reloc_off; /* Relocation Offset */
unsigned long env_addr; /* Address of Environment struct */
unsigned long env_valid; /*Checksum of Environment valid?*/
unsigned long fb_base; /* base address of frame buffer */
.......
void **jt; /* jump table */
} gd_t; |
其中，bd_t在include/asm-arm/u-boot.h中定义如下：
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typedef struct bd_info {
int bi_baudrate; /* serial console baudrate */
unsigned long bi_ip_addr; /* IP Address */
unsigned char bi_enetaddr[6]; /* Ethernet adress */
struct environment_s *bi_env;
ulong bi_arch_number; /* unique id for this board */
ulong bi_boot_params; /* where this board expects params*/
struct /* RAM configuration */
{
ulong start;
ulong size;
}bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS];
} bd_t; |
jt是函数数组指针，随后将在jumptable_init()函数中初始化。
从lib_arm/board.c的源码不难分析出系统的启动流程：首先初始化全局数据表，然后顺序执行函数指针数组init_sequence中的一系列初始化函数——由其在本文件中的相关定义可得知初始化流程：
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typedef int (init_fnc_t) (void);
init_fnc_t *init_sequence[] = {
cpu_init, /* basic cpu dependent setup -- cpu/pxa/cpu.c */
board_init, /* basic board setup --board/lubbock/lubbock.c */
interrupt_init, /* set up exceptions -- cpu/pxa/interrupts.c */
env_init, /* initialize environment -- common/env_flash.c */
init_baudrate, /* initialze baudrate settings--lib_arm/board.c */
serial_init, /* serial communications setup--cpu/pxa/serial.c */
console_init_f, /* stage 1 init of console -- common/console.c */
display_banner, /* say that we are here -- lib_arm/board.c */
#if defined(CONFIG_DISPLAY_BOARDINFO)
checkboard, /* display board info */
#endif
dram_init, /* configure available RAM banks --board/lubbock/lubbock.c */
display_dram_config, /* lib_arm/board.c */
NULL,
}; |
在执行这个函数序列的过程中，任何一个函数异常返回都会导致u-boot“死锁”或说“挂起”在hang()函数的死循环当中。
若一切顺利，接下来就调用flash_init()函数初始化CFI FLASH(针对NOR型闪存而言)，该函数在drivers/cfi_flash.c中定义，不过，只有在目标板头文件中”#define CFG_FLASH_CFI_DRIVER”之后该驱动才会被编译；在lubbock的u-boot实现当中，include/configs/lubbock.h中没有定义CFG_FLASH_CFI_DRIVER，而是在board/lubbock/ flash.c中实现了自己的FLASH驱动，包括flash_init()在内。在移植U-Boot时，可以根据实际情况选择使用U-Boot自带的FLASH驱动还是自己编写新的驱动。如果配置了NAND闪存，还会对其进行初始化；笔者的XSABSE270板没有焊接NAND FLASH，故对此不作讨论。
接下来调用env_relocate()函数初始化环境变量，该函数在common/env_common.c文件中定义。在同一文件中可以发现还定义了一个字符数组default_environment[]，用于描述缺省的环境变量，这些都要在include/configs/lubbock.h头文件中进行设置，包括启动命令CONFIG_BOOTCOMMAND，波特率CONFIG_BAUDRATE，IP地址CONFIG_IPADDR等等。
然后是获取自设置的目标板的网络地址，包括IP地址和MAC地址。
再然后是调用common/devices.c中定义的devices_init()函数来创建设备列表，并初始化相应的设备，主要是”stdin”,”stdout”,”stderr”以及自定义的设备如I2C，LCD等。这些相关代码是与平台无关的，因此从移植的角度考虑，不必作细致的研究与分析。
接着调用common/exports.c中定义的jumptable_init()函数，初始化全局数据表中的跳转表gd->jt，跳转表是一个函数指针数组，定义了u-boot中基本的常用的函数库；而gd->jt是这个函数指针数组的首指针。部分代码如下：
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void jumptable_init (void) {
int i;
gd->jt = (void **) malloc (XF_MAX * sizeof (void *));
for (i = 0; i < XF_MAX; i++)
gd->jt[i] = (void *) dummy;
gd->jt[XF_get_version] = (void *) get_version;
gd->jt[XF_malloc] = (void *) malloc;
gd->jt[XF_free] = (void *) free;
gd->jt[XF_getenv] = (void *) getenv;
gd->jt[XF_setenv] = (void *) setenv;
......
} |
上面的XF_get_version， XF_malloc， XF_free等在include/exports.h的枚举变量中定义，因此，实际上是作为”Label式整型序号”使用，即XF_get_version=1, XF_malloc=2, XF_free=3 ...，相关代码如下：
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enum { /* include/exports.h */
#define EXPORT_FUNC(x) XF_ ## x ,
#include <_exports.h>
#undef EXPORT_FUNC
XF_MAX
};
EXPORT_FUNC(get_version)
EXPORT_FUNC(getc)
EXPORT_FUNC(tstc)
EXPORT_FUNC(putc)
EXPORT_FUNC(puts)
EXPORT_FUNC(printf)
......... /* include/_exports.h */ |
由于这些也是平台无关的代码，因此在移植过程中也不必深究。
然后是调用common/console.c中定义的函数console_init_r()初始化串口控制台，这同样是平台无关的代码，所以不必关心。
这时U-Boot的基本功能已经初始化完毕，便可开中断，并进行附加功能的配置与初始化，包括网卡驱动配置，目标板使用LAN91C1111网卡，对应SMC91111网卡驱动，可以根据需要配置其他的网卡驱动如CS8900等，这些都在include/configs/lubbock.h中定义。
然后是调用board/lubbock/lubbock.c中定义的board_late_init()函数进行板级的后期初始化，实际上是配置stdout和stderr的硬件设备。相关源代码如下：
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int board_late_init(void)
{
setenv("stdout", "serial");
setenv("stderr", "serial");
return 0;
} |
最后需要注意的一个很重要的文件是lib_arm/armlinux.c，它实现的功能包括设置内核启动参数，并负责将这些参数传递给内核，最后跳转到Linux内核入口函数，将控制权交给内核。
具体传递哪些参数，是通过在include/configs/lubbock.c中指定条件编译选项来控制的，对应于lib_arm/armlinux.c中的部分源代码形式如下：
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#if defined (CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || \
defined (CONFIG_CMDLINE_TAG) || \
defined (CONFIG_INITRD_TAG) || \
defined (CONFIG_SERIAL_TAG) || \
defined (CONFIG_REVISION_TAG)
static void setup_start_tag (bd_t *bd);
# ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS
static void setup_memory_tags (bd_t *bd);
# endif
static void setup_commandline_tag (bd_t *bd, char *commandline);
# ifdef CONFIG_INITRD_TAG
static void setup_initrd_tag (bd_t *bd, ulong initrd_start,
ulong initrd_end);
# endif
static void setup_end_tag (bd_t *bd);
static struct tag *params;
#endif
......
void do_bootm_linux (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[],
ulong addr, ulong *len_ptr, int verify)
{
......
void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);
......
#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
char *commandline = getenv ("bootargs");
#endif
theKernel = (void (*)(int, int, uint))ntohl(hdr->ih_ep);
......
theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params);
} |
关于这个参数列表中各个参数的定义及含义，以及参数列表的初始化过程，可以参考一文。内核是如何找到这个参数列表在内存中的位置，以接收这些参数的呢？实际上，参数列表(tag list)在内存中的起始地址会保存在通用寄存器R2中，并传递给内核。而按照习惯或说惯例，通常tag list的首地址(物理地址)会设置为RAM起始地址+ 0x100偏移量，因此R2的值实际上是确定不变的。另外，还要正确设置R0和R1的值，在呼叫内核时，R0的值应为0，R1中则应保存机器类型(machine type)编号。R0,R1和R2都会作为参数传递给内核。
在上面的代码中，定义了一个函数指针theKernel，通过倒数第二条语句将内核入口地址赋给theKernel(hdr是include/image.h中定义的一个image_header结构体类型的数据，hdr->ih_ep中保存了内核入口地址，ntohl的功能是字节顺序的大小端转换，相关代码可以参考tools/mkimage.c)，最后，根据APCS规则，将0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params 依次作为参数通过R0，R1和R2传递给theKernel函数，并进入内核启动部分。
至此，我们已经从源代码入手简要分析了U-Boot的启动流程，在这个过程中，我们对前一篇文章“添加新的目标板定义”也有了更进一步的理解和认识：为什么要添加这些文件；哪些文件是平台相关的并且必须要根据平台特性进行修改的；哪些文件是平台无关的，是不需要修改的，只需在头文件中作适当配置即可。
下一节，我们将给出移植U-Boot到XSBASE270开发板的实例。
