分类： LINUX
2013-10-28 11:03:09
原文地址：U-Boot启动第一阶段代码分析 作者：kine1314
u-boot的stage1代码通常放在cpu/xxxx/start.S文件中，他用汇编语言写成；
u-boot的stage2代码通常放在lib_xxxx/board.c文件中，他用C语言写成。
各个部分的流程图如下：
这里我选择下载u-boot-1.1.6.tar.bz2（6402K）
之后的移植我再选择最新版本u-boot-2011.06.tar.bz2（8272K）
U-Boot启动第一阶段代码分析
1：cpu自身的初始化：包括MMU,catch,时钟系统，SDRAM控制系统的初始话。
2：重定位：把自己从flash中搬到SDRAM 中
3：分配堆栈空间，设置堆栈指针
4：清零BSS数据段
5：跳转到第二阶段入口函数。
第一阶段对应的文件是cpu/arm920t/start.S和board/smdk2140/lowlevel_init.S。
根据cpu/arm920t/u-boot.lds中指定的连接方式：
OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
；指定输出可执行文件是elf格式，32位ARM指令，小端
/*OUTPUT_FORMAT("elf32-arm", "elf32-arm", "elf32-arm")*/
OUTPUT_ARCH(arm)
；指定输出可执行文件的平台为ARM
ENTRY(_start)
；指定输出可执行文件的起始代码段为_start
SECTIONS
{
. = 0x00000000; ；从0x0位置开始
. = ALIGN(4); ；代码以4字节对齐
.text : ；指定代码段
{
cpu/arm920t/start.o (.text) ；代码的第一个代码部分
*(.text) ；其它代码部分
}
. = ALIGN(4);
.rodata : { *(.rodata) } ；指定只读数据段
. = ALIGN(4);
.data : { *(.data) } ；指定读\写数据段
. = ALIGN(4);
.got : { *(.got) } ；指定got段，got段是u-boot自定义的一个段，非标准段
. = .;
__u_boot_cmd_start = .; ；把__u_boot_cmd_start赋值为当前位置，即起始位置
.u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) } ；指定u_boot_cmd段，uboot把所有的uboot命令放在该段
__u_boot_cmd_end = .; ；把__u_boot_cmd_end赋值为当前位置，即bss段的开始位置
. = ALIGN(4);
__bss_start = .; ；把__bss_start赋值为当前位置，即bss段的开始位置
.bss : { *(.bss) } ；指定bss段
_end = .; ；把_end赋值为当前位置，即bss段的结束位置
}
第一个链接的是cpu/arm920t/start.o，因此u-boot.bin的入口代码在cpu/arm920t/start.o中，其源代码在cpu/arm920t/start.S中。下面我们来分析cpu/arm920t/start.S的执行。
1.硬件设备初始化
（1）设置异常向量
cpu/arm920t/start.S开头有如下的代码：
#include
#include
/*
*************************************************************************
*
* Jump vector table as in table 3.1 in [1]
*
*************************************************************************
*/
@设置异常向量表，其中_start是GNU 汇编的默认入口标签。注意ldr r0,0x1234是把0X1234中的内容写到R0中，ldr r0,=0x1234,是将1234这个值写到R0中，以及ADR 是用来加载地址。
.globl _start
_start: b reset /* 复位 */
ldr pc, _undefined_instruction /* 未定义指令向量 */
ldr pc, _software_interrupt /* 软件中断向量 */
ldr pc, _prefetch_abort /* 预取指令异常向量 */
ldr pc, _data_abort /* 数据操作异常向量 */
ldr pc, _not_used /* 未使用 */
ldr pc, _irq /* irq中断向量 */
ldr pc, _fiq /* fiq中断向量 */
/* 中断向量表入口地址 */
@.word为GUN 汇编分配一段字内存单元，下面几句话相当于是C语言中的变量名和变量值。
_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
.balignl 16,0xdeadbeef
以上代码设置了ARM异常向量表，各个异常向量介绍如下：
在cpu/arm920t/start.S中还有这些异常对应的异常处理程序。当一个异常产生时，CPU根据异常号在异常向量表中找到对应的异常向量，然后执行异常向量处的跳转指令，CPU就跳转到对应的异常处理程序执行。
其中复位异常向量的指令“b reset”决定了U-Boot启动后将自动跳转到标号“reset”处执行。
/*
*************************************************************************
*
* Startup Code (reset vector)
*
* do important init only if we don't start from memory!
* relocate armboot to ram
* setup stack
* jump to second stage
*
*************************************************************************
*/
@全局符号定义
_TEXT_BASE:
.word TEXT_BASE @在board/smdk2410/config.mk中定义为3ff80000..即UBOOT映像文件所在地址
.globl _armboot_start
_armboot_start:
.word _start
/*
* These are defined in the board-specific linker script.
*/
@下面主要在u-boot.lds链接脚本中定义
.globl _bss_start
_bss_start:
.word __bss_start
.globl _bss_end
_bss_end:
.word _end
#ifdef CONFIG_USE_IRQ
/* IRQ stack memory (calculated at run-time) */
.globl IRQ_STACK_START
IRQ_STACK_START:
.word 0x0badc0de
/* IRQ stack memory (calculated at run-time) */
.globl FIQ_STACK_START
FIQ_STACK_START:
.word 0x0badc0de
#endif
（2）设置CPU进入SVC模式
/*
* the actual reset code
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:
/*
* set the cpu to SVC32 mode
*/
mrs r0,cpsr //将CPSR状态寄存器读取，保存到R0中
bic r0,r0,#0x1f /*工作模式位清零 */
orr r0,r0,#0xd3 /*工作模式位设置为“10011”（管理模式），并将中断禁止位和快中断禁止位置1 */
msr cpsr,r0
以上代码将CPU的工作模式位设置为管理模式，并将中断禁止位和快中断禁止位置‘1’，从而屏蔽了IRQ和FIQ中断。
（3）设置控制寄存器地址
/* 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) /* s3c2410与s3c2440下面4个寄存器地址相同 */
# define pWTCON 0x53000000 /* WATCHDOG控制寄存器地址 */
# define INTMSK 0x4A000008/*中断子屏蔽寄存器地址*/
# define INTSUBMSK 0x4A00001C /* 中断子屏蔽寄存器地址 */
# define CLKDIVN 0x4C000014 /* clock divisor register CLKDIVN寄存器地址, 用来设置FCLK，HCLK，PCLK三者的比例。*/
#endif
对与s3c2410开发板，以上代码完成了WATCHDOG，INTMSK，INTSUBMSK，CLKDIVN四个寄存器的地址的设置。各个寄存器地址参见数据手册。这里如果移植到2440，将#elif defined(CONFIG_S3C2410)修改为#elif defined(CONFIG_S3C2440)即可，因为s3c2410与s3c2440这4个寄存器地址是相同的。
（4）关闭看门狗
#if defined(CONFIG_S3C2400) || defined(CONFIG_S3C2410)
ldr r0, =pWTCON
mov r1, #0x0
str r1, [r0] /* 看门狗控制器的最低位为0时，看门狗不输出复位信号 */
以上代码向看门狗控制寄存器写入0，关闭看门狗。否则在U-Boot启动过程中，CPU将不断重启。如果移植到2440，这里一样。
（5）屏蔽中断
/*
* mask all IRQs by setting all bits in the INTMR - default
*/
mov r1, #0xffffffff /* 某位被置1则对应的中断被屏蔽 */
ldr r0, =INTMSK
str r1, [r0]
INTMSK是主中断屏蔽寄存器，每一位对应SRCPND（中断源引脚寄存器）中的一位，表明SRCPND相应位代表的中断请求是否被CPU所处理。
根据数据手册，INTMSK寄存器是一个32位的寄存器，每位对应一个中断，向其中写入0xffffffff就将INTMSK寄存器全部位置一，从而屏蔽对应的中断。
# if defined(CONFIG_S3C2410)
ldr r1, =0x3ff
ldr r0, =INTSUBMSK
str r1, [r0]
# endif
INTSUBMSK每一位对应子中断屏蔽寄存器SUBSRCPND中的一位，表明SUBSRCPND相应位代表的中断请求是否被CPU所处理。
根据数据手册，INTSUBMSK寄存器是一个32位的寄存器，但是只使用了低10位。向其中写入0x3ff就是将INTSUBMSK寄存器全部有效位（低10位）置一，从而屏蔽对应的中断。注意：对于2440，这里写入的是0x7fff，根据2440数据手册，它使用了低15位。向其中写入0x7fff就是将INTSUBMSK寄存器全部有效位（低15位）置一，从而屏蔽对应的中断。
(6) 设置时钟分频控制寄存器。
/* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 * /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
/* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 */
/* default FCLK is 120 MHz ! */
ldr r0, =CLKDIVN
mov r1, #3
str r1, [r0]
#endif /* CONFIG_S3C2400 || CONFIG_S3C2410 */
（7）关闭MMU，cache,执行CPU初始话。
接着往下看：
/*
* we do sys-critical inits only at reboot,
* not when booting from ram!
*/
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
bl cpu_init_crit @如果没有定义CONFIG_SKIP_LOELEVEL_INIT,则执行cpu_init_crit.
#endif
cpu_init_crit这段代码在U-Boot正常启动时才需要执行，若将U-Boot从RAM中启动则应该注释掉这段代码。后面再对它分析。
@重新定位u-boot到SDRAM中
这里将整个U-Boot的代码(包括第一、第二阶段)都复制到SDRAM中，这在cpu/arm920t/start.S中实现：
#ifndef CONFIG_SKIP_RELOCATE_UBOOT
relocate: /* relocate U-Boot to RAM将U-Boot复制到RAM中 */
adr r0, _start /* r0 <- current position of code r0 = 当前代码的开始地址 */
@判断U-Boot是否是下载到RAM中运行，若是，则不用再复制到RAM中了，这种情况通常在调试U-Boot时才发生，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=0x3ff80000;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。
ldr r1, _TEXT_BASE /* r1 =代码段的连接地址test if we run from flash or RAM */
cmp r0, r1 /*测试现在是在Flash中还是在RAM中，_start等于_TEXT_BASE说明是在RAM中运行，路过搬移代码 */
beq stack_setup @如果r0等于r1，已经在RAM中(这通常是调试时，直接下载到RAM中)，则不需要复制。
ldr r2, _armboot_start @_armboot_start在前面定义，是第一条指令的运行地址即_start的内容写入r2
ldr r3, _bss_start @在连接脚本u-boot.lds中定义，是代码段的结束地址
sub r2, r3, r2 /* @计算armboot所占字节大小 ，r2＝代码段长度*/
add r2, r0, r2 /* r2 <- source end address @armboot结束地址，r2 = NOR Flash上代码段的结束地址*/
copy_loop: @实现从flash中拷贝到_TEXT_BASE（0x3ff80000）所在的地址中去
ldmia r0!, {r3-r10} /* copy from source address [r0] ，从地址[r0]处获得数据，即从地址为[r0]的NOR Flash中读入8个字的数据 */
stmia r1!, {r3-r10} /* copy to target address [r1] 将r3至r10寄存器的数据复制给地址为[r1]处 */
cmp r0, r2 /* until source end addreee [r2] 判断是否复制完毕*/
ble copy_loop /* 没复制完，则继续 */
#endif /* CONFIG_SKIP_RELOCATE_UBOOT */
/* Set up the stack
@设置堆栈 */
栈的设置灵活性很大，只要让sp寄存器指向一段没有使用的内存即可。
stack_setup:
ldr r0, _TEXT_BASE /* _TEXT_BASE为代码段的开始地址，值为0x33F80000 upper 128 KiB: relocated uboot*/
sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* malloc area@代码段下面，留出一段内存以实现malloc */
sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* bdinfo再留出一段内存，存一些全局参数，这里跳过这个全局数据区 */
#ifdef CONFIG_USE_IRQ
sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ) ＠为IRQ，FIQ留出空间，分配IRQ、FIQ模式的栈
#endif
sub sp, r0, #12 /* leave 3 words for abort-stack @最后，留出12字节的内存给abort异常，往下的内存就都是栈了，将当前的地址赋给sp，这样就为内存栈设置好了，之后如果在u-boot中运行程序时需要使用栈的时候就从这里开始。 */
到了这一步，读者可以知道内存的使用情况了，如下图所示(图中与上面的划分稍有不同，这是因为在cpu/arm920t/cpu.c中的cpu_init函数中才真正为IRQ、FIQ模式划分了栈)
U-boot内存使用情况:
（5）跳转到第二阶段代码的C入口点。
在跳转之前，还要清除BSS段(初始值为0、无初始值的全局变量、静态变量放在BSS段)，代码如下：
clear_bss: @清空用户堆区
ldr r0, _bss_start /* find start of bss segment ，BSS段的开始地址，它的值在连接脚本u-boot.lds中确定 */
ldr r1, _bss_end /* stop here ，BSS段的结束地址，它的值在连接脚本u-boot.lds中确定*/
mov r2, #0x00000000 /* clear */往r2中写入0值
clbss_l:str r2, [r0] /* clear loop... 往BSS段中写入0值 */
add r0, r0, #4
cmp r0, r1 /*判断是否清空完毕*/
ble clbss_l /* 没清空完，则继续 */
下面分析一下cpu_init_crit到底做了什么：
cpu_init_crit这段代码在U-Boot正常启动时才需要执行，若将U-Boot从RAM中启动则应该注释掉这段代码。
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
cpu_init_crit:
/*
* flush v4 I/D caches 使数据cache与指令cache无效
*/
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* flush v3/v4 cache 向c7写入0将使ICache与DCache无效*/
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* flush v4 TLB 向c8写入0将使TLB失效*/
代码中的c0，c1，c7，c8都是ARM920T的协处理器CP15的寄存器。其中c7是cache控制寄存器，c8是TLB控制寄存器。上面二行代码将0写入c7、c8，使Cache，TLB内容无效。
下面分析一下cpu_init_crit到底做了什么：
cpu_init_crit这段代码在U-Boot正常启动时才需要执行，若将U-Boot从RAM中启动则应该注释掉这段代码。
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
cpu_init_crit:
/*
* flush v4 I/D caches 使数据cache与指令cache无效
*/
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* flush v3/v4 cache 向c7写入0将使ICache与DCache无效*/
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* flush v4 TLB 向c8写入0将使TLB失效*/
代码中的c0，c1，c7，c8都是ARM920T的协处理器CP15的寄存器。其中c7是cache控制寄存器，c8是TLB控制寄存器。上面二行代码将0写入c7、c8，使Cache，TLB内容无效。
/*
* disable MMU stuff and caches关闭mmu和cache
*/
@MRC指令的格式为：
@MRC{条件} 协处理器编码，协处理器操作码1，目的寄存器，源寄存器1，源寄存器2，协处理器操作码2。
@MRC指令用于将协处理器寄存器中的数据传送到ARM处理器寄存器中,若协处理器不能成功完成操作，则产生未定义指令异常。其中协处理器操作码1和协处理器操作码2为协处理器将要执行的操作，目的寄存器为ARM处理器的寄存器，源寄存器1和源寄存器2均为协处理器的寄存器。 指令示例： MRC P3，3，R0，C4，C5，6 ；该指令将协处理器P3的寄存器中的数据传送到ARM处理器寄存器中。
*/
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS), 将13，9，8bit清零(13—异常向量表基地址:0x0， 9—Disable System Protection, 8—Disable ROM Protection）
bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM), 将7,2,1,0bit清零(7—为0 的时候表示小端字节序，2-- Data Cache Disabled，1-- Alignment Fault checking disabled，0—为0的话MMU disabled)
orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 2 (A) Align, 将bit 1 设置为1表示Fault checking enabled
orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-Cache, 将bit 12设置为1表示使能 I-Cache。
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @保存r0到控制寄存器
这几行代码关闭了MMU。这是通过修改CP15的c1寄存器来实现的，将c1的 M位置零，关闭了MMU。先看CP15的c1寄存器的格式（仅列出代码中用到的位）：
表 2.3 CP15的c1寄存器格式（部分）
各个位的意义如下：
V : 表示异常向量表所在的位置，0：异常向量在0x00000000；1：异常向量在 0xFFFF0000
I : 0 ：关闭ICaches；1 ：开启ICaches
R、S : 用来与页表中的描述符一起确定内存的访问权限
B : 0 ：CPU为小字节序；1 ： CPU为大字节序
C : 0：关闭DCaches；1：开启DCaches
A : 0：数据访问时不进行地址对齐检查；1：数据访问时进行地址对齐检查
M : 0：关闭MMU；1：开启MMU
下面分析一下lowlevel_init，代码如下：
lowlevel_init初始化了13个寄存器来实现RAM时钟的初始化。lowlevel_init函数对于U-Boot从NAND Flash或NOR Flash启动的情况都是有效的。
board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o将被链接到cpu/arm920t/start.o 后面，因此board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o也在U-Boot的前4KB的代码中。
U-Boot.lds链接脚本有如下代码：
.text :
{
cpu/arm920t/start.o (.text)
board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o (.text)
board/samsung/mini2440/nand_read.o (.text)
… …
}
U-Boot在NAND Flash启动时，lowlevel_init.o将自动被读取到CPU内部4KB的内部RAM中。因此lowlevel_init函数代码将从CPU内部RAM中复制寄存器的值到相应的寄存器中。
对于U-Boot在NOR Flash启动的情况，由于U-Boot连接时确定的地址是U-Boot在内存中的地址，而此时U-Boot还在NOR Flash中，因此还需要在NOR Flash中读取数据到RAM中。
由于NOR Flash的开始地址是0，而U-Boot的加载到内存的起始地址是TEXT_BASE，SMRDATA标号在Flash的地址就是SMRDATA－TEXT_BASE。
综上所述，lowlevel_init的作用就是将SMRDATA开始的13个值复制给开始地址[BWSCON]的13个寄存器，从而完成了存储控制器的设置。
Start.S文件之后是
@.macro伪操作符标识宏定义的开始，.endm标识宏定义的结束。二者包含的一段代码，称为宏定义体，这样在程序中就可通过宏指令多次调用该代码段。格式：
.macro macroname {parameter{,parameter}...}
...
.endm
宏的参数可直接使用斜线“/字符”来引用，如下“/reg”所示。
