u-boot系统启动流程分析

    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
主要顺序如下

第一部分：汇编代码部分（跟具体的cpu架构相关）
下面就根据代码进行解释：

/*********************** 中断向量 ***********************/
.globl _start                         //u-boot启动入口
_start: b       reset               //复位向量并且跳转到reset
 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
 b  sleep_setting             //跳转到sleep_setting

并通过下段代码拷贝到内存里
relocate:                                 //把uboot重新定位到RAM
 adr r0, _start                          // r0 是代码的当前位置 
 ldr r2, _armboot_start             //r2 是armboot的开始地址
 ldr r3, _armboot_end              //r3 是armboot的结束地址
 sub r2, r3, r2                          // r2得到armboot的大小 
 ldr r1, _TEXT_BASE                // r1 得到目标地址  
 add r2, r0, r2                          // r2 得到源结束地址 
copy_loop:                              //重新定位代码
 ldmia r0!, {r3-r10}                  //从源地址[r0]中复制
 stmia r1!, {r3-r10}                  //复制到目标地址[r1]
 cmp  r0, r2                             //复制数据块直到源数据末尾地址[r2]
 ble copy_loop

系统上电或reset后，cpu的PC一般都指向0x0地址，在0x0地址上的指令是
reset:                                 //复位启动子程序
/******** 设置CPU为SVC32模式、进入ARM状态、屏蔽中断***********/
 mrs r0,cpsr                       //将CPSR状态寄存器读取，保存到R0中
 bic r0,r0,#0x1f
 orr r0,r0,#0xd3
 msr cpsr,r0   
                     //将R0写入状态寄存器中
/************** 关闭看门狗 ******************/
 ldr      r0, =pWTCON
 mov     r1, #0x0
 str       r1, [r0]

/************** 关闭所有中断，注意之前是屏蔽中断，而此处是关闭中断，注意区别 *****************/
 mov r1, #0xffffffff
 ldr r0, =INTMSK
 str r1, [r0]
 ldr r2, =0x7ff
 ldr r0, =INTSUBMSK
 str r2, [r0]

/************** 初始化系统时钟，其实也可以不初始化，初始化是为了加快启动速度 *****************/
 ldr r0, =LOCKTIME
 ldr     r1, =0xffffff 
 str     r1, [r0]

/***************************** BSS段清0***********************************************/
clear_bss:
        ldr       r0, _bss_start           //找到bss的起始地址 
        add      r0, r0, #4                //从bss的第一个字开始 
        ldr       r1, _bss_end            // bss末尾地址 
        mov      r2, #0x00000000    //清零 

clbss_l:str        r2, [r0]                 // bss段空间地址清零循环 
        add     r0, r0, #4
        cmp     r0, r1
        bne      clbss_l

/***************** 关键的初始化子程序 ************************/
/ * cpu初始化关键寄存器
 * 设置重要寄存器
 * 设置内存时钟
* /
cpu_init_crit:
 /** flush v4 I/D caches*/
 mov r0, #0
 mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* flush v3/v4 cache */
 mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* flush v4 TLB */

/************* disable MMU stuff and 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

/********** 在重新定位前，我们要设置RAM的时间，因为内存时钟依赖开发板硬件的，你将会找到board目录底下的memsetup.S*********************************************************************/
 mov ip, lr
#ifndef CONFIG_S3C2440A_JTAG_BOOT
 bl memsetup        //调用memsetup子程序（在board/smdk2442memsetup.S）
#endif
 mov lr, ip
 mov pc, lr                        //子程序返回
 
memsetup:   
/**************** 初始化内存，为U-boot拷贝到内存准备好环境 **************/
        mov     r1, #MEM_CTL_BASE
        adrl    r2, mem_cfg_val
        add     r3, r1, #52
1:       ldr     r4, [r2], #4
        str     r4, [r1], #4
        cmp     r1, r3
        bne     1b

/*********** 跳转到原来进来的下一个指令（start.S文件里） ***************/  
mov     pc, lr                 //子程序返回

/****************** 建立堆栈 *******************/
 ldr r0, _armboot_end               //armboot_end重定位
 add r0, r0, #CONFIG_STACKSIZE    //向下配置堆栈空间
 sub sp, r0, #12                  //为abort-stack预留个3字

/**************** 跳转到C代码去 **************/
 ldr pc, _start_armboot           //跳转到start_armboot函数入口，start_armboot
字保存函数入口指针
_start_armboot: .word start_armboot    //start_armboot函数在lib_arm/board.c中实现
从此进入第二阶段C语言代码部分

/**************** 异常处理程序 *******************/
 .align  5
undefined_instruction:               //未定义指令
 get_bad_stack
 bad_save_user_regs
 bl  do_undefined_instruction

 .align 5
software_interrupt:                   //软件中断
 get_bad_stack
 bad_save_user_regs
 bl  do_software_interrupt

 .align 5
prefetch_abort:                      //预取异常中止
 get_bad_stack
 bad_save_user_regs
 bl  do_prefetch_abort

 .align 5
data_abort:                          //数据异常中止
 get_bad_stack
 bad_save_user_regs
 bl  do_data_abort

 .align 5
not_used:                            //未利用
 get_bad_stack
 bad_save_user_regs
 bl  do_not_used

 .align 5
irq:                                   //中断请求
 get_irq_stack
 irq_save_user_regs
 bl  do_irq
 irq_restore_user_regs

 .align 5
fiq:                                   //快速中断请求
 get_fiq_stack
 /* someone ought to write a more effiction fiq_save_user_regs */
 irq_save_user_regs
 bl  do_fiq
 irq_restore_user_regs

sleep_setting:                           //休眠设置
@ prepare the SDRAM self-refresh mode
 ldr r0, =0x48000024 @ REFRESH Register
 ldr r1, [r0]
 orr r1, r1,#(1<<22) @ self-refresh bit set

@ prepare MISCCR[19:17]=111b to make SDRAM signals(SCLK0,SCLK1,SCKE) protected
 ldr r2,=0x56000080 @ MISCCR Register
 ldr r3,[r2]
 orr r3,r3,#((1<<17)|(1<<18)|(1<<19))
             
@ prepare the Power_Off mode bit in CLKCON Register
 ldr r4,=0x4c00000c @ CLKCON Register
 ldr r5,=(1<<3)
 b   set_sdram_refresh

 .align 5
set_sdram_refresh:
 str r1,[r0]             @ SDRAM self-refresh enable

@ wait until SDRAM into self-refresh
 mov r1, #64
1:  subs    r1, r1, #1
 bne 1b

@ set the MISCCR & CLKCON register for power off
 str r3,[r2]
 str r5,[r4]
 nop                 @ waiting for power off
 nop
 nop
 b   .

第二阶段进入lib_arm/board.c
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。
进入start_armboot函数里，先对硬件资源进行初始化如下：
init_fnc_t *init_sequence[] = {
 cpu_init,                        /*基本的处理器相关配置 –cpu/arm920t/cpu.c*/
 board_init,                     /* 基本的开发板相关配置—board/smdk2442/smdk2442.c*/
 interrupt_init,                 /* 初始化例外处理---cpu/arm920t/ interrupt.c */
 env_init,                         /*初始化环境变量---common/cmd_flash.c */
 init_baudrate,                  /*初始化波特率设置—lib_arm/board.c */
 serial_init,                       /* 串口通讯设置--- cpu/arm920t/serial.c */
 console_init_f,                 /* 控制台初始化阶段1—common/console.c*/
 display_banner,                /* 打印u-boot信息---lib_arm/board.c */
 dram_init,                        /* 配置可用的RAM—borad/smdk2442/smdk2442.c */
 display_dram_config,        /*显示RAM的配置大小---lib_arm/board.c */
#if defined(CONFIG_VCMA9) || defined (CONFIG_CMC_PU2)
        checkboard,
#endif
        NULL,
};
使用以下语句调用执行
for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
                if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
                        hang ();
                }
        }

start_armboot的主要过程如下：
void start_armboot (void)
{
 DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
 ulong size;
 gd_t gd_data;
 bd_t bd_data;
 init_fnc_t **init_fnc_ptr;
 char *s;
#if defined(CONFIG_VFD)
 unsigned long addr;
#endif
 /* Pointer is writable since we allocated a register for it */
 gd = &gd_data;
 memset ((void *)gd, 0, sizeof (gd_t));
 gd->bd = &bd_data;
 memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));
 monitor_flash_len = _armboot_end_data - _armboot_start;
 /*** 调用执行init_sequence数组按顺序执行初始化 ***/
for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
  if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
   hang ();
  }
 }

#if 0
 /**************** 配置可用的flash单元 *************/
 size = flash_init ();             //初始化flash
 display_flash_config (size);      //显示flash的大小
/******** _arm_boot在armboot.lds链接脚本中定义 ********/
#endif
#ifdef CONFIG_VFD
#  ifndef PAGE_SIZE
#  define PAGE_SIZE 4096
#  endif
 /*********** 为VFD显示预留内存(整个页面)  **********/
 /******** armboot_real_end在board-specific链接脚本中定义********/
 addr = (_armboot_real_end + (PAGE_SIZE - 1)) & ~(PAGE_SIZE - 1);
 size = vfd_setmem (addr);
 gd->fb_base = addr;
 /******* 进入下一个界面 ********/
 addr += size;
 addr = (addr + (PAGE_SIZE - 1)) & ~(PAGE_SIZE - 1);
 mem_malloc_init (addr);
#else
/********  armboot_real_end 在board-specific链接脚本中定义 *******/
 mem_malloc_init (_armboot_real_end);
#endif    /* CONFIG_VFD */
#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_NAND)
 puts ("NAND:");
 nand_init();  /* NAND初始化 */
#endif
#ifdef CONFIG_HAS_DATAFLASH
 AT91F_DataflashInit();
 dataflash_print_info();
#endif
/********* 初始化环境 **********/
 env_relocate ();
/*********** 配置环境变量，重新定位 **********/
#ifdef CONFIG_VFD
 /* must do this after the framebuffer is allocated */
 drv_vfd_init();
#endif
 /* 从环境中得到IP地址 */
 bd_data.bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");
 /*以太网接口MAC地址*/
 {
  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) {
   bd_data.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*/
#if defined(CONFIG_MISC_INIT_R)
 /* 其他平台由初始化决定*/
 misc_init_r ();
#endif
 /* 启用异常处理 */
 enable_interrupts ();
#ifdef CONFIG_DRIVER_CS8900
 cs8900_get_enetaddr (gd->bd->bi_enetaddr);
#endif
#ifdef CONFIG_DRIVER_LAN91C96
 if (getenv ("ethaddr")) {
  smc_set_mac_addr(gd->bd->bi_enetaddr);
 }
 /* eth_hw_init(); */
#endif /* CONFIG_DRIVER_LAN91C96 */
 /* 通过环境变量初始化*/
 if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
  load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
 }
#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_NET)
 if ((s = getenv ("bootfile")) != NULL) {
  copy_filename (BootFile, s, sizeof (BootFile));
 }
#endif /* CFG_CMD_NET */
#ifdef BOARD_POST_INIT
 board_post_init ();
#endif
 /* 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 */
}