移植uboot-分析uboot启动流程(详解)
本节总结:
uboot启动流程如下:
- 1)设置CPU为管理模式
- 2)关看门狗
- 3)关中断
- 4）设置时钟频率
- 5)关mmu,初始化各个bank
- 6)进入board_init_f()函数 (初始化定时器,GPIO,串口等,划分内存区域)
- 7)重定位 复制uboot,然后修改SDRAM上的uboot链接地址)
- 8)清bss
- 9)跳转到board_init_r()函数,启动流程结束
1.首先来安装arm-linux-gcc-4.3.2交叉编译器
mkdir arm-linux-gcc-4.3.2 //创建目录tar -xjf arm-linux-gcc-4.3.2.tar.bz2 -C arm-linux-gcc-4.3.2/ //解压到arm-linux-gcc-4.3.2目录下
然后添加环境变量:
有两种方法,第一种只是临时修改,重启虚拟机便会复位:
export PATH=/arm-linux-gcc-4.3.2/usr/local/arm/4.3.2/bin:/usr/sbin:/usr/bin... ...//将arm-linux-gcc-4.3.2添加到环境变量
第二种,重启不复位:
vi /etc/environment 添加: PATH=/arm-linux-gcc-4.3.2/usr/local/arm/4.3.2/bin:/usr/sbin:/usr/bin... ...//将arm-linux-gcc-4.3.2添加到环境变量
2.然后进入ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/来下载u-boot-2012.04.01
2.1.创建source insight工程,来看代码
1)在board 目录下只添加:
board/samsung/smdk2410/ // (2410单板文件)
2)在arch 目录下只添加:
arch/arm/cpu/arm920t/ //(只添加这个目录下的*.c,*.S公用文件) arch/arm/cpu/arm920t/s3c24x0/ //(24x0架构所有文件)arch/arm/include/asm/ //(只添加这个目录下的*.h公用头文件)arch/arm/include/asm/proc-armv/ //(arm架构的文件)arch/arm/include/asm/arch-s3c24x0/ //(24x0架构头文件)arch/arm/lib/ //(与arm相关的库文件)
3)在include/configs目录下只添加:
include/configs/smdk2410.h // (用来配置2410单板的头文件)
2.2编译烧写:
tar xjf u-boot-2012.04.01.tar.bz2cd u-boot-2012.04.01 //进入解压后文件目录make smdk2410_config //由于该uboot不支持2440板卡,所以只有配置2410板卡make //编译,生成u-boot.bin
3.最后烧写u-boot.bin,发现无法启动,接下来便来分析uboot的启动流程
4.首先查看arch/arm/cpu/u-boot.lds链接脚本
如下图所示,看到uboot最开始会进入_start:
5. _start位于arch/arm/cpu/arm920t/start.S
所以,我们从start.S开始分析uboot启动流程:
.globl _start //声明_start全局符号,这个符号会被lds链接脚本用到 _start: b start_code //跳转到start_code符号处,0x00ldr pc, _undefined_instruction //0x04ldr pc, _software_interrupt //0x08ldr pc, _prefetch_abort //0x0cldr pc, _data_abort //0x10ldr pc, _not_used //0x14ldr pc, _irq //0x18ldr pc, _fiq //0x20_undefined_instruction: .word undefined_instruction//定义_undefined_instruction指向undefined_instruction(32位地址)_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 //balignl使用，参考http://www.cnblogs.com/lifexy/p/7171507.html
其中符号保存的地址都在顶层目录/system.map中列出来了
6. 从上面看到, _start会跳转到start_code处
start_code:/*设置CPSR寄存器,让CPU进入管理模式*/mrs r0, cpsr //读出cpsr的值bic r0, r0, #0x1f //清位orr r0, r0, #0xd3 //位或msr cpsr, r0 //写入cpsr#if defined(CONFIG_AT91RM9200DK) || defined(CONFIG_AT91RM9200EK)/** relocate exception table*/ldr r0, =_start ldr r1, =0x0 //r1等于异常向量基地址mov r2, #16 copyex:subs r2, r2, #1 //减16次,s表示每次减都要更新条件标志位ldr r3, [r0], #4 str r3, [r1], #4 //将_start标号后的16个符号存到异常向量基地址0x0~0x3c处bne copyex //直到r2减为0 #endif#ifdef CONFIG_S3C24X0/* 关看门狗*/ # define pWTCON 0x53000000 # define INTMSK 0x4A000008 /* Interrupt-Controller base addresses */ # define INTSUBMSK 0x4A00001C # define CLKDIVN 0x4C000014 /* clock divisor register */ldr r0, =pWTCON mov r1, #0x0 str r1, [r0] //关看门狗,使WTCON寄存器=0/*关中断*/mov r1, #0xffffffffldr r0, =INTMSKstr r1, [r0] //关闭所有中断 # if defined(CONFIG_S3C2410)ldr r1, =0x3ffldr r0, =INTSUBMSKstr r1, [r0] //关闭次级所有中断 # endif/* 设置时钟频率, FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 ,而FCLK默认为120Mhz*/ldr r0, =CLKDIVNmov r1, #3str r1, [r0]#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INITbl cpu_init_crit //关闭mmu,并初始化各个bank#endifcall_board_init_f:ldr sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR) //CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR=0x30000f80bic sp, sp, #7 //sp=0x30000f80ldr r0,=0x00000000bl board_init_f
上面的CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR =0x30000f80,是通过arm-linux-objdump -D u-boot>u-boot.dis生成反汇编,然后从u-boot.dis得到的,如下图所示:
7.然后进入第一个C函数:board_init_f()
该函数主要工作是：
清空gd指向的结构体、通过init_sequence函数数组,来初始化各个函数以及逐步填充gd结构体，最后划分内存区域,将数据保存在gd里,然后调用relocate_code()对uboot重定位
(gd是用来传递给内核的参数)
1)具体代码如下所示:
void board_init_f(ulong bootflag) // bootflag=0x00000000
{bd_t *bd;init_fnc_t **init_fnc_ptr; //函数指针gd_t *id;ulong addr, addr_sp;
#ifdef CONFIG_PRAMulong reg;
#endifbootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_START_UBOOT_F, "board_init_f");/* Pointer is writable since we allocated a register for it */gd = (gd_t *) ((CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR) & ~0x07);
其中gd是一个全局变量,用来传递给内核的参数用的,如下图所示,在arch/arn/include/asm/global_data.h中定义,*gd指向r8寄存器,所以r8专门提供给gd使用
而CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR,在6节里得到=0x30000f80,所以gd=0x30000f80
2)继续来看board_init_f():
__asm__ __volatile__("": : :"memory"); //memory:让cpu重新读取内存的数据memset((void *)gd, 0, sizeof(gd_t)); //将0x30000f80地址上的gd_t结构体清0gd->mon_len = _bss_end_ofs; // _bss_end_ofs =__bss_end__ - _start,在反汇编找到等于0xae4e0,所以mon_len等于uboot的数据长度gd->fdt_blob = (void *)getenv_ulong("fdtcontroladdr", 16, (uintptr_t)gd->fdt_blob);for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr)//调用init_sequence[]数组里的各个函数{if ((*init_fnc_ptr)() != 0) //执行函数,若函数执行出错,则进入hang(){ hang (); //打印错误信息,然后一直while}}
上面的init_sequence[]数组里存了各个函数,比如有:
- board_early_init_f():设置系统时钟,设置各个GPIO引脚
- timer_init():初始化定时器
- env_init():设置gd的成员变量
- init_baudrate():设置波特率
- dram_init():设置gd->ram_size= 0x04000000(64MB）
3)继续来看board_init_f():
addr = CONFIG_SYS_SDRAM_BASE + gd->ram_size; // addr=0x34000000
// CONFIG_SYS_SDRAM_BASE: SDRAM基地址,为0X30000000
// gd->ram_size: 等于0x04000000 #if !(defined(CONFIG_SYS_ICACHE_OFF) && defined(CONFIG_SYS_DCACHE_OFF))/* reserve TLB table */addr -= (4096 * 4); //addr=33FFC000addr &= ~(0x10000 - 1); // addr=33FF0000, gd->tlb_addr = addr; //将64kB分配给TLB,所以TLB地址为33FF0000~33FFFFFF
#endif/* round down to next 4 kB limit */addr &= ~(4096 - 1); //4kb对齐, addr=33FF0000debug("Top of RAM usable for U-Boot at: %08lx\n", addr);/** reserve memory for U-Boot code, data & bss* round down to next 4 kB limit*/addr -= gd->mon_len; // 在前面分析过gd->mon_len=0xae4e0,//所以addr=33FF0000 -0xae4e0=33F41B20,addr &= ~(4096 - 1); //4095=0xfff,4kb对齐, addr=33F41000//所以分配给uboot各个段的重定位地址为33F41000~33FFFFFFdebug("Reserving %ldk for U-Boot at: %08lx\n", gd->mon_len >> 10, addr);#ifndef CONFIG_SPL_BUILDaddr_sp = addr - TOTAL_MALLOC_LEN; //分配一段malloc空间给addr_sp//TOTAL_MALLOC_LEN=1024*1024*4,所以malloc空间为33BF1000~33F40FFFaddr_sp -= sizeof (bd_t); //分配一段bd_t结构体大的空间bd = (bd_t *) addr_sp; //bd指向刚刚分配出来的bd_t结构体gd->bd = bd; // 0x30000f80处的gd变量的成员bd等于bd_t基地址addr_sp -= sizeof (gd_t); //分配一个gd_t结构体大的空间id = (gd_t *) addr_sp; //id指向刚刚分配的gd_t结构体gd->irq_sp = addr_sp; //0x30000f80处的gd变量的成员irq_sp等于gd_t基地址addr_sp -= 12;addr_sp &= ~0x07;... ...relocate_code(addr_sp, id, addr); //进入relocate_code()函数,重定位代码,以及各个符号// addr_sp: 栈顶,该栈顶向上的位置用来存放gd->irq_sp、id 、gd->bd、malloc、uboot、TLB(64kb),//id: 存放 gd_t结构体的首地址// addr: 等于存放uboot重定位地址33F41000
}
执行完board_init_f()后,最终内存会划分如下图所示:
其实此时uboot还在flash中运行,然后会进入start.S的relocate_code()里进行uboot重定位
8.接下来进入重定位
1)start.S的relocate_code()代码如下所示
relocate_code:mov r4, r0 /* save addr_sp */ // addr_sp栈顶值mov r5, r1 /* save addr of gd */ // id值mov r6, r2 /* save addr of destination */ // addr值:uboot重定位地址/* Set up the stack */
stack_setup:mov sp, r4 //设置栈addr_spadr r0, _start //在顶层目录下system.map符号文件中找到_start =0,所以r0=0cmp r0, r6 //判断_start(uboot重定位之前的地址)和addr(重定位地址)是否一样beq clear_bss /* skip relocation */ mov r1, r6 /* r1 <- scratch for copy_loop */ //r1= addr(重定位地址)ldr r3, _bss_start_ofs //_bss_start_ofs=__bss_start - _start(uboot代码大小)add r2, r0, r3 /* r2 <- source end address*/ //r2= uboot重定位之前的结束地址copy_loop:ldmia r0!, {r9-r10} /* copy from source address [r0] *///将r0处的两个32位数据拷到r9-r10中,然后r0+=8stmia r1!, {r9-r10} /* copy to target address [r1]*///将拷出来的两个数据放入r1(重定位地址)处,然后r1+=8cmp r0, r2 /* until source end address [r2]*/ //判断拷贝的数据是否到结束地址blo copy_loop
上面只是把代码复制到SDRAM上,而链接地址内容却没有改变,比如异常向量0x04的代码内容还是0x1e0,
我们以异常向量0x04为例,来看它的反汇编:
如上图所示,即使uboot在SDRAM运行,由于代码没修改,PC也会跳到0x1e0(flash地址)上
和之前老的uboot有很大区别,以前老的uboot直接是使用的SDRAM链接地址,如下图所示:
所以,新的uboot采用了动态链接地址的方法,在链接脚本uboot.lds中,可以看到这两个段(.rel.dyn、.dynsym):
该两个段里,便是保存了各个文件的相对动态信息(.rel.dyn)、动态链接地址的符号(.dynsym)
以上图的.rel.dyn段为例来分析,找到__rel_dyn_start符号处:
如上图所示,其中0x17表示的是符号的结束标志位,我们以0x20为例来讲解:
在之前,我们讲过0x20里面保存的是异常向量0x04跳转的地址(0x1e0),如下图所示:
所以,接下来的代码,便会根据0x20里的值0x1e0(flash地址),将SDRAM的33F41000+0x20的内容改为33F41000+0x1e0(SDRAM地址),来改变uboot的链接地址
2)重定位的剩余代码,如下所示:
#ifndef CONFIG_SPL_BUILD/** fix .rel.dyn relocations*/ldr r0, _TEXT_BASE /* r0 <- Text base */ //r0=text段基地址=0sub r9, r6, r0 /* r9 <- relocation offset */ //r9= 重定位后的偏移值=33F41000ldr r10, _dynsym_start_ofs /* r10 <- sym table ofs */ //_dynsym_start_ofs =__dynsym_start - _start=0x73608//所以r10=动态符号表的起始偏移值=0x73608add r10, r10, r0 /* r10 <- sym table in FLASH *///r10=flash上的动态符号表基地址=0x73608ldr r2, _rel_dyn_start_ofs /* r2 <- rel dyn start ofs *///r2=__rel_dyn_start - _start=0x6b568//所以r2=相对动态信息的起始偏移值=0x6b568add r2, r2, r0 /* r2 <- rel dyn start in FLASH *///r2=flash上的相对动态信息基地址=0x6b568ldr r3, _rel_dyn_end_ofs /* r3 <- rel dyn end ofs */// _rel_dyn_end_ofs=__rel_dyn_end - _start=00073608//所以r3=相对动态信息的结束偏移值=00073608add r3, r3, r0 /* r3 <- rel dyn end in FLASH *///r3=flash上的相对动态信息结束地址=0x6b568fixloop:ldr r0, [r2] /* r0 <- location to fix up, IN FLASH! *///以0x20为例,r0=0x6b568地址处的内容= 0x20add r0, r0, r9 /* r0 <- location to fix up in RAM *///r0=33F41000+0x20=33F41020ldr r1, [r2, #4] //r1= 33F41024地址处的内容=0x17and r7, r1, #0xff cmp r7, #23 /* relative fixup? */ //0x17=23,所以相等beq fixrel //跳到:fixerlcmp r7, #2 /* absolute fixup? */beq fixabs/* ignore unknown type of fixup */b fixnext fixabs:/* absolute fix: set location to (offset) symbol value */mov r1, r1, LSR #4 /* r1 <- symbol index in .dynsym */add r1, r10, r1 /* r1 <- address of symbol in table */ldr r1, [r1, #4] /* r1 <- symbol value */add r1, r1, r9 /* r1 <- relocated sym addr */b fixnextfixrel:/* relative fix: increase location by offset */ldr r1, [r0] //r1=33F41020地址处的内容=0x1e0add r1, r1, r9 //r1=0x1e0+33F41000= 33F411e0fixnext:str r1, [r0] //改变链接地址里的内容, 33F41020=33F411e0 (之前为0x1e0) add r2, r2, #8 //r2等于下一个相对动态信息(0x24)的地址cmp r2, r3 //若没到尾部__rel_dyn_end,便继续执行: fixloopblo fixloop #endif
9.清除bss段
/*重定位完成后,清除bss段*/ clear_bss:#ifndef CONFIG_SPL_BUILDldr r0, _bss_start_ofs //获取flash上的bss段起始位置ldr r1, _bss_end_ofs //获取flash上的bss段结束位置mov r4, r6 /* reloc addr */ //获取r6(SDRAM上的uboot基地址)add r0, r0, r4 //加上重定位偏移值,得到SDRAM上的bss段起始位置add r1, r1, r4 //得到SDRAM上的bss段结束位置mov r2, #0x00000000 /* clear*/clbss_l:str r2, [r0] /* clear loop... */ //开始清除SDRAM上的bss段add r0, r0, #4cmp r0, r1bne clbss_lbl coloured_LED_initbl red_led_on #endif
9.1继续往下分析
#ifdef CONFIG_NAND_SPL //未定义,所以不执行... ... #else //执行elseldr r0, _board_init_r_ofs //r0=flash上的board_init_r()函数地址偏移值adr r1, _start //0add lr, r0, r1 //返回地址lr=flash上的board_init_r()函数add lr, lr, r9 //加上重定位偏移值(r9)后,lr=SDRAM上的board_init_r()函数/* setup parameters for board_init_r */mov r0, r5 /* gd_t */ //r0=id值mov r1, r6 /* dest_addr */ //r1=uboot重定位地址/* jump to it ... */mov pc, lr //跳转: board_init_r()函数_board_init_r_ofs:.word board_init_r - _start //获取在flash上的board_init_r()函数地址偏移值#endif
从上面代码看出, 接下来便会进入uboot的board_init_r()函数,该函数会对各个外设初始化、环境变量初始化等.
uboot的启动过程到此便结束了.
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