23. 基于Cortex-A9 uboot代码启动分析

前言

我们在前面的arm系列课程，已经讲解了arm的架构、汇编指令、异常、常用外设的控制器驱动，那么我们已经具备开发arm系列产品的基本技能。

本篇给大家介绍一款比较常用的bootloader：uboot，通过uboot的介绍以及源代码的详细分析，让大家把之前所有ARM相关的知识点融会贯通起来。

一、uboot

1. 概念

U-Boot 是一个主要用于嵌入式系统的引导加载程序，可以支持多种不同的计算机系统结构，包括PPC、ARM、AVR32、MIPS、x86、68k、Nios与MicroBlaze。这也是一套在GNU通用公共许可证之下发布的自由软件。

U-Boot不仅仅支持嵌入式Linux系统的引导，它还支持NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS, android嵌入式操作系统。其目前要支持的目标操作系统是OpenBSD, NetBSD, FreeBSD,4.4BSD, Linux, SVR4, Esix, Solaris, Irix, SCO, Dell, NCR, VxWorks, LynxOS, pSOS, QNX, RTEMS, ARTOS, android。

2. uboot基本功能

U-Boot可支持的主要功能列表：

• 系统引导支持NFS挂载、RAMDISK(压缩或非压缩)形式的根文件系统；支持NFS挂载、从FLASH中引导压缩或非压缩系统内核；

• 基本辅助功能强大的操作系统接口功能；可灵活设置、传递多个关键参数给操作系统，适合系统在不同开发阶段的调试要求与产品发布，尤以Linux支持最为强劲；支持目标板环境参数多种存储方式，如FLASH、NVRAM、EEPROM；

• CRC32校验可校验FLASH中内核、RAMDISK镜像文件是否完好；

• 设备驱动串口、SDRAM、FLASH、以太网、LCD、NVRAM、EEPROM、键盘、USB、PCMCIA、PCI、RTC等驱动支持；

• 上电自检功能SDRAM、FLASH大小自动检测；SDRAM故障检测；CPU型号。

3. 常用命令

uboot命令比较多，下面只列举网络启动要用到的命令：

4. 配置参数举例

以下以网络下载内核、网络挂载nfs为例。

1）ubuntu环境

ubuntu ip：192.168.6.186

nfs配置：

配置文件如下：

/etc/exports

配置信息如下：

2）开发板设置

开发板ip：192.168.6.187

配置命令：

setenv ipaddr 192.168.6.187      ;板子的ip

setenv serverip 192.168.6.186    ;虚拟机的ip

setenv gatewayip 192.168.1.1     ;网关

saveenv                          ;保存配置

• 加载内核和设备树

setenv bootcmd tftp 41000000 uImage;tftp 42000000 exynos4412-fs4412.dtb;bootm 41000000 - 42000000

bootcmd：uboot2启动之后，首先先执行找到这个参数，执行后面的命令。
从tftp服务器下载内核镜像uImage到地址41000000，设备树文件exynos4412-fs4412.dtb到42000000，并通过命令bootm加载启动内核。

• 挂载nfs

setenv bootargs root=/dev/nfs nfsroot=192.168.6.186:/rootfs rw console=ttySAC2,115200 init=/linuxrc ip=192.168.6.187

挂载nfs文件系统，

• root=/dev/nfs

• nfsroot=192.168.6.186:/rootfs nfs服务器地址192.168.6.186，目录为/rootfs，

• rw 文件系统操作权限为可续写

• console=ttySAC2,115200 串口名称和波特率

• init=/linuxrc 内核启动后运行的进程为linuxrc

• ip=192.168.6.187 开发板地址

二、exynos-4412 Soc 启动顺序

要想了解exynos-4412的启动顺序，我们首先需要了解该soc的内存布局。

1. exynos-4412内存布局

通常一款soc的内存在厂家设计的时候就已经规定死了，对于使用者来说，我们无法改变。

我们只关心和启动相关的一个地址，

1. iROM 在soc内部，出厂时厂家固化了特定的程序，iROM中程序对应用户来说不可改变

1. iRAM 在soc内部，速度较快，但空间不大

1. DMC RAM控制器，位于SOC内部，用于驱动RAM，大容量的RAM都需要连接到该控制器

2. Booting Sequence

不同的厂家的启动顺序是不太一样的，本篇主要以三星的exynos-4412 soc为基础，讲解该基于该板子的uboot启动顺序。

根据上图，系统启动的大概顺序：

• iROM在SOC内部，是一个64KB的ROM，他树池化一些系统启动必须的功能。比如：时钟、栈。

• iROM负责从特殊的启动外设加载BL1的image到soc内部的256KB的SRAM中。启动的外设由操作按钮来决定的。根据不同按键的值，iROM将会对bl1 的image做不同的校验。

• BL1初始化系统时钟和DRAM控制器，然后从启动外设加载OS image到DRAM中。根据启动按钮的值的不同，BL1会对OS做不同的校验。

• 启动完成之后，BL1跳转到操作系统（kernel）。

iROM会根据OM 引脚的不同选择不同的启动设备，对应的OM寄存器需要提供对应的启动信息。

三、内核启动流程概述

1. 内核启动流程 概述

如上图所示：

1. 设备上电之后，先执行iROM中的出厂代码，先进行必要硬件的初始化
   去执行uboot，

2. 通常把kernel、设备树文件放到flash中

3. 程序启动之后，往往先从flash启动，运行uboot

4. 第一步：先进行硬件的初始化(svc模式栈、clock、内存、串口)
   第二步：自搬移：把uboot从flash中拷贝到RAM中，跳转到RAM中执行剩下的uboot代码
   第三步：把内核拷贝到RAM中，执行内核，把控制权交给内核。

2. 内核启动详细流程

四、uboot启动流程代码详解

在三星的SoC中, 启动流程可以分为三个阶段BL0, BL1, BL2, BL3, 三星自己的手册对BL1的解释也不尽相同, 一种是将在iRAM中运行的程序都归结为BL1; 一种是将iRAM中三星加密的代码bl1.bin作为BL1, iRAM中剩余的部分作为BL2, 本文采用后者, 他们的主要分工如下:

• BL0: ARM的起始地址都是0地址, 三星的芯片一般将0地址映射到iROM中, BL0就是指iROM中固化的启动代码, 主要负责加载BL1

• BL1: 三星对于bootloader的加密代码bl1.bin, 要放在外设中uboot.bin的头上, 和一部分uboot.bin一起加载到iRAM中运行.

• BL2: 从(nand/sd/usb)中拷贝的uboot.bin头最大14K到iRAM中代码中除去bl1.bin后剩余的部分, 负责设置CPU为SVC模式, 关闭MMU, 关闭中断, 关闭iCache, 关闭看门狗, 初始化DRAM,初始化时钟, 初始化串口, 设置栈, 校验BL2并将其搬移到DRAM高位地址, 重定位到DRAM中执行BL3

• BL3：是指在代码重定向后在内存中执行的uboot的完整代码, 负责初始化外设，更新向量表, 清BSS, 准备内核启动参数, 加载并运行OS内核

可以借助下图理解这个流程

我们常说的uboot是一个两阶段bootloader，就是指上述的BL2和BL3. BL2主要做硬件直接相关的初始化，使用汇编编写;BL3主要为操作系统的运行准备环境，主要用C编写，这里以ARM平台为例分析其启动流程。下面是启动过程中主要涉及的文件

arch/arm/cpu/armv7/start.S

board/samsung/myboard/lowlevel_init.S

arch/arm/lib/crt0.S

arch/arm/lib/board.c

arch/samsung/myboard/myboard.c

1. BL2

BL2的主要文件和任务流程如下

arch/arm/cpu/armv7/start.S

1. 设置CPU为SVC模式

2. 关闭MMU

3. 关闭Cache

4. 跳转到lowlevel_init.S low_level_init

board/samsung/origen/lowlevel_init.S

5. 初始化时钟

6. 初始化内存

7. 初始化串口

8. 关闭看门狗

9. 跳转到crt0.S _main

arch/arm/lib/crt0.S

10. 设置栈

11. 初始化C运行环境

12. 调用board_init_f()

arch/arm/lib/board.c

13. board_init_f对全局信息GD结构体进行填充

arch/arm/lib/crt0.S

14. 代码重定位------------BL2的最后的工作, 执行完就进入DRAM执行BL2

2. lds文件

要想了解uboot整个项目的代码流程，必须首先了解链接脚本【链接脚本参考《7. 从0开始学ARM-GNU伪指令，lds使用》】。

该文件决定了uboot最终生成的镜像文件，各个段的布局。

uboot链接脚本如下：

u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/u-boot.lds

文件内容：

26 OUTPUT_FORMAT('elf32-littlearm', 'elf32-littlearm', 'elf32-littlearm')

 27 OUTPUT_ARCH(arm)

 28 ENTRY(_start)

 29 SECTIONS 30 {

 31     . = 0x00000000;

 32 

 33     . = ALIGN(4);

 34     .text :

 35     {

 36         __image_copy_start = .;

 37         CPUDIR/start.o (.text*)

 38         *(.text*)

 39     }

 40 

 41     . = ALIGN(4);

 42     .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }

 43 

 44     . = ALIGN(4);

 45     .data : {

 46         *(.data*)

 47     }

 48 

 49     . = ALIGN(4);

 50 

 51     . = .;

 52 

 53     . = ALIGN(4);

 54     .u_boot_list : {

 55     #include

 56     }

 57 

 58     . = ALIGN(4);

 59 

 60     __image_copy_end = .;

 61 

 62     .rel.dyn : {

 63         __rel_dyn_start = .;

 64         *(.rel*)

 65         __rel_dyn_end = .;

 66     }

 67 

 68     .dynsym : {

 69         __dynsym_start = .;

 70         *(.dynsym)

 71     }

 72 

 73     _end = .;

 74 

 75     /*

 76      * Deprecated: this MMU section is used by pxa at present but

 77      * should not be used by new boards/CPUs.

 78      */

 79     . = ALIGN(4096);

 80     .mmutable : {

 81         *(.mmutable)

 82     }

 83 

 84     .bss __rel_dyn_start (OVERLAY) : {

 85         __bss_start = .;

 86         *(.bss*)

 87          . = ALIGN(4);

 88         __bss_end__ = .;

 89     }

 90 

 91     /DISCARD/ : { *(.dynstr*) }

 92     /DISCARD/ : { *(.dynamic*) }

 93     /DISCARD/ : { *(.plt*) }

 94     /DISCARD/ : { *(.interp*) }

 95     /DISCARD/ : { *(.gnu*) }

 96 }

 97

核心内容解释：

 27 OUTPUT_ARCH(arm)       :    该镜像运行在arm架构的硬件上 28 ENTRY(_start)          :    程序的入口是 _start 29 SECTIONS 30 {

 31  . = 0x00000000;      :   程序的链接地址，不是运行地址【uboot一定是位置无关码】 34     .text :

 35     {

 36         __image_copy_start = .;    : 宏对应整个程序编译好后首地址，自搬移代码的初始位置 37         CPUDIR/start.o (.text*)    : 第一个目标文件CPUDIR/start.o中的代码段 38         *(.text*)                  : 剩下的目标文件的代码段 39     }

 60     __image_copy_end = .;          : 自搬移代码的结束为止

BSS全局未初始化变量、全局初始化为0的变量所在的段：

 84     .bss __rel_dyn_start (OVERLAY) : {

 85         __bss_start = .;

 88         __bss_end__ = .;

 89     }

3. uboot启动代码流程概要

代码只分析到uboot命令行，函数main_loop()位置。

4. 启动代码详细分析

_start入口位于以下文件：

u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/armv7/start.S

第一阶段：

第二阶段

第二阶段代码从_main开始:

以上代码详细解释，请结合B站视频同步学习。

五、uboot启动的几个关键知识点

如何判断第一条机器指令的位置?

链接脚本决定了内存的布局。

uboot链接脚本如下：

u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/u-boot.lds

文件内容：

 28 ENTRY(_start)

 29 SECTIONS 30 {

 31     . = 0x00000000;

 32

uboot的入口是

链接地址是

uboot如何搬运代码？

代码位于：

u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/armv7/start.S

搬移代码如下：

ENTRY(relocate_code)

mov r4, r0 /* save addr_sp */

mov r5, r1 /* save addr of gd */

mov r6, r2 /* save addr of destination */

adr r0, _start

cmp r0, r6

moveq r9, #0/* no relocation. relocation offset(r9) = 0 */

beq relocate_done /* skip relocation */

mov r1, r6 /* r1 <- scratch for copy_loop */

ldr r3, _image_copy_end_ofs

add r2, r0, r3 /* r2 <- source end address     */copy_loop:

ldmia r0!, {r9-r10}/* copy from source address [r0]    */

stmia r1!, {r9-r10}/* copy to   target address [r1]    */

cmp r0, r2 /* until source end address [r2]    */

blo copy_loop

详情参考第四章，第3节。

uboot中，如何判断此次开机是从断电状态开机还是从休眠状态启动的？

board/samsung/fs4412/lowlevel_init.S

代码如下：

 41   lowlevel_init:

 54     /* AFTR wakeup reset */

 55     ldr r2, =S5P_CHECK_DIDLE 56     cmp r1, r2 57     beq exit_wakeup 58 

 59     /* LPA wakeup reset */

 60     ldr r2, =S5P_CHECK_LPA 61     cmp r1, r2 62     beq exit_wakeup 63 

 64     /* Sleep wakeup reset */

 65     ldr r2, =S5P_CHECK_SLEEP 66     cmp r1, r2 67     beq wakeup_reset 112 wakeup_reset:

 113     bl system_clock_init 114     bl mem_ctrl_asm_init 115     bl tzpc_init 116 

 117 exit_wakeup:

 118     /* Load return address and jump to kernel */

 119     ldr r0, =(EXYNOS4_POWER_BASE + INFORM0_OFFSET)

 120 

 121     /* r1 = physical address of exynos4210_cpu_resume function */

 122     ldr r1, [r0]

 123 

 124     /* Jump to kernel*/

 125     mov pc, r1

由上可知，当手机因为各种原因进入休眠时，会将当前程序执行的上下文保护起来，并向一些pmic的寄存器中写入指定的数据，以表明此次是因为何种原因进入休眠。

而手机并没有完全断电，而是处于一个低功耗模式下，此时启动RAM仍然有数据，所以在此启动后，只需要从特殊的寄存器中读取相应的值，就可以知道之前是因为什么原因休眠，进而回复休眠之前的上下文即可。

uboot代码搬到ram之后，代码的运行地址发生了变化，如何保证程序跳转不会出错？

除了要保证uboot代码是基于地址无关的，此外.rel.dyn帮我们解决了，其实主要还是编译器帮我们做了很多工作。

位置无关码参考《15. 从0开始学ARM-位置无关码》

设备启动的时候，有可能直接从ram启动， 如何知道当前是从flah启动还是ram启动的？

文件：

board/samsung/fs4412/lowlevel_init.S

代码：

lowlevel_init:

85     /*

 86      * If U-boot is already running in ram, no need to relocate U-Boot.

 87      * Memory controller must be configured before relocating U-Boot

 88      * in ram.

 89      */

 90     ldr r0, =0x0ffffff      /* r0 <- Mask Bits*/

 91     bic r1, pc, r0      /* pc <- current addr of code */

 92                     /* r1 <- unmasked bits of pc */

 93     ldr r2, _TEXT_BASE      /* r2 <- original base addr in ram */

 94     bic r2, r2, r0      /* r2 <- unmasked bits of r2*/

 95     cmp r1, r2          /* compare r1, r2 */

 96     beq 1f          /* r0 == r1 then skip sdram init */

原理：

RAM地址空间是：0x40000000-0xA0000000 0xA0000000-0x00000000

而iROM/iRAM地址的均是0,所以只需要读取出执行到lowlevel_init时pc的值，判断其是否是0即可知道现在代码是否运行在RAM中。