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[系统运维]Linux应用开发（十八）——U-Boot的启动过程源码分析

前言

参考的这本书籍使用的U-Boot从NOR Flash启动，所以介绍的内容和案例依旧参考书籍，使用开发板smdk2410的U-Boot为例进行分析

U-Boot第一阶段代码分析

1. 硬件设备初始化

依次完成如下设置：将CPU的工作模式设置为管理模式（svc），关闭WATCHDOG，设置FCLK，HCLK，PCLK的比例（FCLK：系统时钟，即CPU主频频率。HCLK：AHB，提供高速总线AHB的时钟，PCLK：提供低速总线APB的时钟）（即设置CLKDIVN寄存器），关闭MMU，CACHE。
分析如下
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

2. 为加载Bootloader的第二阶段代码准备RAM空间。

所谓RAM空间，就是初始化内存芯片，使它可用。对于S3C2410，通过在Start.S中调用lowlevel_init函数来设置存储控制器，使得外接的SDRAM可用。分析如下

在这里插入图片描述

**注意：**lowlevel_init.S文件是与开发板相关的，这表示如果外接的设备不一样，可以修改lowlevel_init.S文件的相关值

lowlevel_init函数并不复杂，只要注意下面这段代码，数据都只保存在NOR Flash上，内存中还没有，所以读取数据时要变换地址。代码如下

129 _TEXT_BASE:
130         .word   TEXT_BASE
131
132 .globl lowlevel_init
133 lowlevel_init:
134         /* memory control configuration */
135         /* make r0 relative the current location so that it */
136         /* reads SMRDATA out of FLASH rather than memory ! */
137         ldr     r0, =SMRDATA
138         ldr     r1, _TEXT_BASE
139         sub     r0, r0, r1
140         ldr     r1, =BWSCON     /* Bus Width Status Controller */
141         add     r2, r0, #13*4
142 0:
143         ldr     r3, [r0], #4
144         str     r3, [r1], #4
145         cmp     r2, r0
146         bne     0b
147
148         /* everything is fine now */
149         mov     pc, lr
150
151         .ltorg
152 /* the literal pools origin */
153
154 SMRDATA:
155     .word (0+(B1_BWSCON<<4)+(B2_BWSCON<<8)+(B3_BWSCON<<12)+(B4_BWSCON<<16)+(B5_BWSCON<<20)+(    B6_BWSCON<<24)+(B7_BWSCON<<28))
156     .word ((B0_Tacs<<13)+(B0_Tcos<<11)+(B0_Tacc<<8)+(B0_Tcoh<<6)+(B0_Tah<<4)+(B0_Tacp<<2)+(B    0_PMC))
157     .word ((B1_Tacs<<13)+(B1_Tcos<<11)+(B1_Tacc<<8)+(B1_Tcoh<<6)+(B1_Tah<<4)+(B1_Tacp<<2)+(B    1_PMC))
158     .word ((B2_Tacs<<13)+(B2_Tcos<<11)+(B2_Tacc<<8)+(B2_Tcoh<<6)+(B2_Tah<<4)+(B2_Tacp<<2)+(B    2_PMC))
159     .word ((B3_Tacs<<13)+(B3_Tcos<<11)+(B3_Tacc<<8)+(B3_Tcoh<<6)+(B3_Tah<<4)+(B3_Tacp<<2)+(B    3_PMC))
160     .word ((B4_Tacs<<13)+(B4_Tcos<<11)+(B4_Tacc<<8)+(B4_Tcoh<<6)+(B4_Tah<<4)+(B4_Tacp<<2)+(B    4_PMC))
161     .word ((B5_Tacs<<13)+(B5_Tcos<<11)+(B5_Tacc<<8)+(B5_Tcoh<<6)+(B5_Tah<<4)+(B5_Tacp<<2)+(B    5_PMC))
162     .word ((B6_MT<<15)+(B6_Trcd<<2)+(B6_SCAN))
163     .word ((B7_MT<<15)+(B7_Trcd<<2)+(B7_SCAN))
164     .word ((REFEN<<23)+(TREFMD<<22)+(Trp<<20)+(Trc<<18)+(Tchr<<16)+REFCNT)
165     .word 0x32
166     .word 0x30
167     .word 0x30

第137~139行代码，表示进行地址交换，因为这个时候内存中还没有数据，不能使用连接程序时确定的地址来读取数据。

第137行中的SMRDATA表示这13个寄存器的值存放的开始地址（连续地址），值为0x33F8xxxxx,处于内存中。

第138行获得代码段的起始地址，他就是第130行中的“TEXT_BASE”，其值在这个文件中且值为0x33F80000
在这里插入图片描述
第139行将0x33F8xxx与0x33F80000相减，这就是13个寄存器值在NOR Flash上存放的开始地址。

3.复制Bootloader的第二阶段代码到RAM空间中

这里将整个U-Boot的代码（包括第一阶段，第二阶段）都复制到SDRAM中，如下
在这里插入图片描述

4. 设置好栈

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。
在这里插入图片描述
相信到了这里，大家可以直到内存的使用情况了，如下图所示
（不过图中与上面的划分稍微有不同，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）。

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：
在这里插入图片描述
现在，C函数的运行环境已经完全准备好了，通过如下命令直接跳转（这之后，程序才在内存中执行），

在这里插入图片描述

它将调用lib_arm/board.c中的start_armboot函数，这是第二阶段的入口点

在这里插入图片描述

U-Boot第二阶段代码分析

它与前面博客中描述的Bootloader第二阶段所完成的功能基本上一致，只是顺序上有差别
Bootlaoder第二阶段的功能：

初始化本阶段要使用到的硬件设备。
检测系统内存映射
将内核映象和根文件系统映象从Flash上读到RAM空间中。
为内核设置启动参数、
调用内核

另外，U-Boot在启动内核之前可以让用户决定是否进入下载模式，即进入U-Boot的控制界面。
第二阶段从lib_arm/board.c中的start_armboot函数开始，程序执行流程如下所示
在这里插入图片描述移植U-Boot的主要工作在于对硬件的初始化、驱动、所以下面讲解时将重点放在硬件的操作上

1、初始化本阶段要使用到的硬件设备

最重要的是设置系统时钟、初始化串口、只要这两个设置好了，就可以从串口看到打印信息。

board_init函数设置MPLL、改变系统时钟，它是开发板相关的函数，在board/smdk2410/smdk2410.c中实现。值得注意的是，board_init函数中还保存了机器类型ID，这将在调用内核时传给内核，代码如下：
在这里插入图片描述
串口的初始化函数主要是serial_init，它设置UART控制器，是CPU相关的函数，在cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c中实现。

2、检测系统内存映射（memory map）

对于特定的开发板，其内存的分布是明确的，所以可以直接设置。board/smdk2410/smdk2410.c中的dram_inti函数指定了开发板的内存起始地址为0x30000000，大小为0x4000000。代码如下
在这里插入图片描述这些设置的参数，将在后面向内核传递参数时用到

3、U-Boot命令的格式

从上面我们的U-Boot内存使用情况图可以得知，即使内核启动，也是通过U-Boot命令来实现的。U-Boot中每一个命令都通过U_BOOT_CM宏来定义，格式如下：

U_BOOT_CMD(name,maxargs,repeatable,command,"usage", "help")

各项参数的意义如下。

name ：命令名字，注意，他不是一个字符串（不要用双引号括起来）
maxargs：最大的参数个数
repeatable：命令是不可重复，可重复是指运行一个命令，下次敲回车即可再次运行
command：对应的函数指针，类型为(*cmd)(struct cmd_tbl_s * ,int,int,char *[] )。
usage：简短的使用说明，这个是字符串。
help：较详细的使用说明，这个是个字符串。
宏U_BOOT_CMD在include/command.h中定义，如下所示：

Struct_Section 也是在include/command.h中定义，如下所示
比如对于bootm命令，它如下定义：

U_BOOT_CMD(
	bootm, CFG_MAXARGS, 1 ,do_bootm,
	"string1",
	"string2"
);

宏U_BOOT_CMD扩展开后如下所示：

cmd_tbl_t __u_boot_cmd_bootm __attribute__((unused,section (".u_boot_cmd")))=
{"bootm",CFG_MAXARGS,1,do_bootm,"string1","string2"};

对于每个使用U_BOOT_CMD宏来定义的命令，其实都是在“.u_boot_cmd”段中定义一个cmd_tbl_t结构。连接脚本U-Boot.lds中有如下代码：
在这里插入图片描述程序中就是根据命令的名字在内存段_ _u_boot_cmd_start~ _ _ _u_boot_cmd_end找到它的cmd_tbl_t结构，然后调用它的函数（参考common/command.c中的find_cmd函数）。

内核的复制和启动，可以通过如下命令来完成：bootm从内存、ROM、NOR Flash中启动内核，bootp通过网络来启动，而nboot从NAND Flash启动内核。它们都是先将内核映象从各个媒介中读出，存放在指定的位置；然后设置标记列表以给内核传递参数；最后跳到内核的入口点去执行。具体实现的细节不再描述，有兴趣的朋友可以阅读comman/cmd_boot.c、comman/cmd_net.c、common/cmd_nand.c来了解它们的实现。

4、为内核设置启动参数

U-Boot也是通过标记参数列表向内核传递参数。并且，在前面的博客中介绍到，内存标记，命令行标记的实例代码就是取自U-Boot中的setup_memory_tags、setup_commandline_tag函数，它们都是在lib_arm/armlinux.c中定义。一般而言，设置这两个标记就可以了，在配置文件include/configs/smdk2410.h增加如下两个配置项即可：

在这里插入图片描述

对于ARM架构的CPU，都是通过lib_arm/armlinux.c中的do_bootm_linux函数来启动内核

这个函数中，设置标记列表，最后通过“ theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params);”调用内核。其中，theKernel指向内核存放的地址（对于ARM架构的CPU，通常是0x30008000）,bd->bi_arch_number就是上面board_init函数设置的机器类型ID，而bd->bi_boot_params就是标记列表的开始地址。