正式学习bootloader，基于u-boot1.1.4（启动流程框架）

先分析一下u-boot启动的两个阶段，分别对应start.S和board.c这两个文件。带着两个目的：一是分析一下启动的流程，二是熟悉一下汇编。

    转载请注明出处，有误的地方请指正。源码基于u-boot1.1.4版本。

    先看board/smsk2410/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。

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
/*OUTPUT_FORMAT("elf32-arm", "elf32-arm", "elf32-arm")*/
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
    . = 0x00000000; /*指定可执行image文件的全局入口点，通常这个地址都放在ROM(flash)0x0位置。必须使编译器知道这个地址，通常都是修改此处来完成*/

    . = ALIGN(4);
    .text :
    {
     cpu/arm920t/start.o (.text)
     *(.text)
    }

    . = ALIGN(4);
    .rodata : { *(.rodata) }

    . = ALIGN(4);
    .data : { *(.data) }

    . = ALIGN(4);
    .got : { *(.got) }

    . = .;
    __u_boot_cmd_start = .;
    .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
    __u_boot_cmd_end = .;

    . = ALIGN(4);
    __bss_start = .;
    .bss : { *(.bss) }
    _end = .;
}

    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。下面详细分析一下程序跳转和函数的调用关系以及函数实现。

1．Stage1：cpu/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。

U-Boot启动代码流程图

_start: b reset //复位向量 ;;设置异常向量表
       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 ;;位清除，将某些位的值置0：r0 = r0 AND ( !0x1f)
       orr r0,r0,#0xd3 ;;逻辑或，将r0与立即数进行逻辑或，放在r0中（第一个）
       msr cpsr,r0
/* 关闭看门狗 */
 /* turn off the watchdog */
#if defined(CONFIG_S3C2400)
# define pWTCON 0x15300000
# define INTMSK 0x14400008 /* Interupt-Controller base addresses */
# define CLKDIVN 0x14800014 /* clock divisor register */
#elif defined(CONFIG_S3C2410)
# define pWTCON 0x53000000
# define INTMSK 0x4A000008 /* Interupt-Controller base addresses */
# define INTSUBMSK 0x4A00001C
# define CLKDIVN 0x4C000014 /* clock divisor register */
#endif

#if defined(CONFIG_S3C2400) || defined(CONFIG_S3C2410)
    ldr r0, =pWTCON
    mov r1, #0x0
    str r1, [r0]
/* 禁止所有中断和设置CPU频率 */
    /*
     * mask all IRQs by setting all bits in the INTMR - default
     */
    mov r1, #0xffffffff
    ldr r0, =INTMSK
    str r1, [r0]
# if defined(CONFIG_S3C2410)
    ldr r1, =0x3ff
    ldr r0, =INTSUBMSK
    str r1, [r0]
# endif

    /* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 */ ;;FCLK用于CPU，HCLK用于AHB，PCLK用于APB
    /* default FCLK is 120 MHz ! */
    ldr r0, =CLKDIVN ;;根据硬件手册来设置CLKDIVN寄存器
    mov r1, #3 ;;用户手册的推荐值
    str r1, [r0]
#endif /* CONFIG_S3C2400 || CONFIG_S3C2410 */


/* 这些初始化代码在系统重起的时候执行，运行时热复位从RAM中启动不执行 */
    /*
     * we do sys-critical inits only at reboot,
     * not when booting from
     */
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
    bl cpu_init_crit ;;跳转去初始化CPU
#endif
;;#ifdef CONFIG_INIT_CRITICAL 原文中的，估计是1.1.16版本的
;; bl cpu_init_crit
;;#endif

/* CPU和RAM两个关键的初始化子程序 */
/* 初始化CPU */
cpu_init_crit:
    /*
     * flush v4 I/D caches 设置CP15
     */
    mov r0, #0
    mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* flush v3/v4 cache */ ;;使I/D cache失效：将寄存器r0的数据传送到协处理器p15的c7中。C7寄存器位对应cp15中的cache控制寄存器
    mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* flush v4 TLB */ ;;使TLB操作寄存器失效：将r0数据送到cp15的c8、c7中。C8对应TLB操作寄存器

    /*
     * disable MMU stuff and caches 禁止MMU和caches
     */
    mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 ;;先把c1和c0寄存器的各位置0(r0 = 0)
    bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS)
    bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM) ;;这里我本来有个疑问：为什么要分开设置。因为arm汇编要求的立即数格式所决定的
    orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 2(??) (A) Align ;;上一条已经设置bit1为0，这一条又设置为1？？
    orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-Cache
    mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 ;;用上面(见下面)设定的r0的值设置c1？？(cache类型寄存器)和c0(control字寄存器)，以下为c0的位定义
;;bit8: 0 = Disable System protection
;;bit9: 0 = Disable ROM protection
;;bit0: 0 = MMU disabled
;;bit1: 0 = Fault checking disabled 禁止纠错
;;bit2: 0 = Data cache disabled
;;bit7: 0 = Little-endian operation
;;bit12: 1 = Instruction cache enabled


    /* 配置内存区控制寄存器 ？？有待分析，是1.1.4版本的
     * before relocating, we have to setup RAM timing
     * because memory timing is board-dependend, you will
     * find a lowlevel_init.S in your board directory.
     */
    mov ip, lr
    bl lowlevel_init ;;位于board/smdk2410/lowlevel_init.S：用于完成芯片存储器的初始化，执行完成后返回
    mov lr, ip
    mov pc, lr

relocate: /* 把U-Boot重新定位到RAM */
       adr r0, _start /* r0是代码的当前位置 */ ;;adr伪指令，汇编器自动通过当前PC的值算出 如果执行到_start时PC的值，放到r0中：
当此段在flash中执行时r0 = _start = 0；当此段在RAM中执行时_start = _TEXT_BASE(在board/smdk2410/config.mk中指定的值为0x33F80000，即u-boot在把代码拷贝到RAM中去执行的代码段的开始)
       ldr r1, _TEXT_BASE /* 测试判断是从Flash启动，还是RAM */ ;;此句执行的结果r1始终是0x33FF80000，因为此值是又编译器指定的(ads中设置，或-D设置编译器参数)
       cmp r0, r1 /* 比较r0和r1，调试的时候不要执行重定位 */
       beq stack_setup /* 如果r0等于r1，跳过重定位代码 */
       /* 准备重新定位代码 */ ;;以上确定了复位启动代码是在flash中执行的(是系统重启，而不是软复位)，就需要把代码拷贝到RAM中去执行，以下为计算即将拷贝的代码的长度
       ldr r2, _armboot_start ;;前面定义了，就是_start
       ldr r3, _bss_start ;;所谓bss段，就是未被初始化的静态变量存放的地方，这个地址是如何的出来的？根据board/smsk2410/u-boot.lds内容？
       sub 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 */ ;;开始循环拷贝启动的代码到RAM中
       ldmia {r3-r10} /*从源地址[r0]复制 */ ;;r0指向_start(=0)
       stmia {r3-r10} /* 复制到目的地址[r1] */ ;;r1指向_TEXT_BASE(=0x33F80000)
       cmp r0, r2 /* 复制数据块直到源数据末尾地址[r2] */
       ble copy_loop
 ;;这里附上u-boot各存储区域的映射图，从网上找的，这下对于这几个地址的位置就一目了然了！

 

/* 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_IRQ
       sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif        ;;这些宏定义在/include/configs/smdk2410.h中：
#define CFG_MALLOC_LEN    (CFG_ENV_SIZE + 128*1024)        ;;64K+128K=0xC0
#define CFG_ENV_SIZE    0x10000        /* Total Size of Environment Sector 64k*/
#define CONFIG_STACKSIZE    (128*1024)    /* regular stack 128k */
#define CFG_GBL_DATA_SIZE     128    /* size in bytes reserved for initial data */
用0x33F8000 – 0xC0 – 0x80得到_TEXT_BASE向下(低地址)的堆栈指针sp的起点地址
       sub sp, r0, #12 /* 为abort-stack预留3个字 */    ;;得到最终sp指针初始值
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, r1
       bne 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

 

2．Stage2：lib_arm/board.c

    此文件是u-boot Stage2部分，入口为Stage1最后调用的start_armboot函数。注意上面最后ldr到pc的是_start_armboot这个地址，而非start_armboot变量。

    start_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。

 

void start_armboot (void)
{
       DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
//此宏定义了一个gd_t类型的指针 *gd，并指名用r8寄存器来存储：

#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR register volatile gd_t *gd asm ("r8")
       ulong size;
       init_fnc_t **init_fnc_ptr;
       char *s;
       /* Pointer is writable since we allocated a register for it     上面那个宏的作用*/
       gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));
// 此C语句引用的是start.S中的地址标号_armboot_start，但是得到的却是其中所指的变量_start的值（在RAM中，_start = 0x33F80000）。    Ps：    _armboot_start:    .word _start

//gd是全局变量，位置在堆栈区以下(低地址)：

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 */        //此变量有什么用？

    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 */
#ifdef CONFIG_VFD
    unsigned char vfd_type; /* display type */
#endif
#if 0
    unsigned long cpu_clk; /* CPU clock in Hz! */
    unsigned long bus_clk;
    unsigned long ram_size; /* RAM size */
    unsigned long reset_status; /* reset status register at boot */
#endif
    void **jt; /* jump table */
} gd_t;
       /* compiler optimization barrier needed for GCC >= 3.4 */
       __asm__ __volatile__("": : :"memory");
       memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t));
       gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));    //得到bd的起点

       memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));
       monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;
       /* 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 ();        //初始化Nor flash的函数，函数实现在下面

       display_flash_config (size);    //打印到控制台：Flash: 512 kB

       /* _armboot_start 在u-boot.lds链接脚本中定义 */
       mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);        //将CFG_MALLOC_LEN区域用memset函数清零（直接往目的地址写0）

       /* 配置环境变量，重新定位 */
       env_relocate ();        //刚才的初始化函数中有一个是env_init()，根据CRC校验来初始化gd->env_addr变量（自己设定的还是初始值），此函数是作用是将环境变量值从某个flash和RAM之间的拷贝。下图描述了ENV的初始化过程：

 

/* 从环境变量中获取IP地址，放到全局变量gd中 */
       gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");
       /* 以太网接口MAC 地址，放到全局变量gd中，实现过程有待研究*/
          {
        int i;
        ulong reg;
        char *s, *e;
        uchar 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 (); /* 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 (); /* 使能例外处理 */
       /* 通过环境变量初始化 */
       if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
               load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
       }
//以上几个初始化函数有待研究

       /* main_loop()总是试图自动启动，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 */
       }
       /* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */
}

    以上总体的浏览了u-boot的启动过程，搞的比较乱，以后有空再修改整理一下，有几个地方还有待弄清，还有Stage2中的多个初始化函数，待续。。。