u-boot v2018.01 启动流程分析

make smdkc100_defconfig
以被默认支持的smdkc100单板为背景分析u-boot v2018.01

参考图1可知uboot code链接顺序：

图1 u-boot.lds

一、sections.c (arch\arm\lib)

第24行:

char __image_copy_start[0] __attribute__((section(".__image_copy_start")));

不占内存空间，可在u-boot镜像开始位置生成标签__image_copy_start。

二、vectors.S (arch\arm\lib)

图2 .vectors段头部
_start:建立异常向量表。

某些SOC要求Bootloader头部有hook数据用来指导BL0（固化在iROM）将Nand flash中的BootLoader加载到iRAM中。此时需定义CONFIG_ENABLE_ARM_SOC_BOOT0_HOOK，及定义asm/arch/boot0.h 文件，参考arch\arm\include\asm\arch-bcm281xx\boot0.h

三、start.S (arch\arm\cpu\armv7)

reset:
1. 设置CPSR：CPU为SVC模式，禁止IRQ/FIQ；
2. 通过SCTLR和VBAR设置异常向量表的地址到_start；
3. cpu_init_cp15: 失效TLB、L1 icache、BP数组；关MMU、dcache，开icache和分支预测；将CPU的
variant + revision存于R2；
4. cpu_init_crit: 调用lowlevel_init(board\samsung\smdkc100\lowlevel_init.S)：
① 关闭看门狗；
② 设置SRAM；
③ 禁止所有中断线，并设为IRQ及清除标志位；
④ 初始化uart的引脚；
⑤ 初始化tzpc为关闭；
5. 跳到_main。

四、crt0.S (arch\arm\lib)

_main:
1. 设置sp为0x2f000000；
2. 调用board_init_f_alloc_reserve (top=0x2f000000)（common\init\board_init.c）：返回top =
（0x2f000000 - 1KB(malloc) - sizeof(struct global_data) ） & ~0xF ;
3. r9(gd) = sp = top;
4. 调用board_init_f_init_reserve (base=top)：struct global_data清0，gd->malloc_base设在
struct global_data之上；如下图所示为建立C语言运行环境的内存分布：

图3 C运行环境建立

5. 调用board_init_f (boot_flags=0)（common\board_f.c）：gd->flags = 0，gd->have_console = 0，执行
init_sequence_f[]中的函数：
(1) setup_mon_len()：设gd->mon_len为__bss_end-_start;
(2) fdtdec_setup()：gd->fdt_blob设在_end(CONFIG_OF_SEPARATE=> u-boot.bin = uboot+dtb)，或用
default_environment的"fdtcontroladdr"覆盖其值；检查设备树的header；
(3) initf_malloc()：设gd->malloc_limit为（1KB），gd->malloc_ptr = 0；
(4) log_init()，initf_bootstage()， initf_console_record()：空；
(5) arch_cpu_init()：读PRO_ID寄存器内容解析出CPU id到全局变量s5p_cpu_id；
(6) mach_cpu_init()：空；
(7) initf_dm()：初始化dm资源，绑定dm驱动到gd中，扫描设备树中dm设备内容；
(8) arch_cpu_init_dm()：空；
(9) timer_init()：初始化定时器4和gd->arch中的定时器成员；
(10) env_init()：通过默认env_driver初始化env或者gd->env_addr = (ulong)&default_environment[0];,
gd->env_valid = ENV_VALID;
(11) init_baud_rate()：gd->baudrate设为env中"baudrate"的值；
(12) serial_init()(drivers\serial\serial-uclass.c)：在设备树中找"stdout-path"的节点，用节点找
UCLASS_SERIAL类设备probe起来，gd->cur_serial_dev = dev;，gd->flags |= GD_FLG_SERIAL_READY；
(13) console_init_f()：gd->have_console = 1，用CONFIG_SILENT_CONSOLE可让控制台“沉默”；
(14) display_options()：打印u-boot版本信息；
(15) display_text_info()：开debug时，打印u-boot code的内存地址；
(16) print_cpuinfo()(arch\arm\cpu\armv7\s5p-common\cpu_info.c)：打印设备树"cpu-model"标签的data，
或字符串S5P和s5p_cpu_id变量值；打印CPU主频；
(17) show_board_info()：打印设备树"model"的data和单板名；
(18) announce_dram_init()，dram_init()：初始化gd->ram_size为通过写读SDRAM校验后得到的实际大小；

Now that we have DRAM mapped and working, we can relocate the code and continue running from DRAM.

(19) setup_dest_addr()：gd->ram_top，gd->relocaddr设为SDRAM末尾：
CONFIG_SYS_SDRAM_BASE + gd->ram_size；
(20) reserve_round_4k()：gd->relocaddr调整为4KB对齐；
(21) reserve_mmu()：gd->arch.tlb_size设为16KB，SDRAM为TLB预留空间，设置gd->arch.tlb_addr；
(22) reserve_video()：依赖CONFIG_LCD(未定义)，为显存预留内存，初始化gd->fb_base；
(23) reserve_trace()：依赖CONFIG_TRACE(未定义)，初始化gd->trace_buff；
(24) reserve_uboot()：预留gd->mon_len个字节给u-boot code，地址存于gd->relocaddr;
(25) reserve_malloc()：预留malloc和env区；
(26) reserve_board()：预留struct bd_info的空间并清零，地址存于gd->bd；
(27) setup_machine()：依赖CONFIG_MACH_TYPE(未定义)，设置gd->bd->bi_arch_number；
(28) reserve_global_data()：预留struct global_data的空间，地址存于gd->new_gd；
(29) reserve_fdt()：预留存放设备树的内存，设置gd->fdt_size和gd->new_fdt;
(30) reserve_bootstage()：依赖CONFIG_BOOTSTAGE(未定义)，预留存放struct bootstage_data的内存，设置
gd->new_bootstage;
(31) reserve_arch()：空；
(32) reserve_stacks()：设置gd->irq_sp(需16B对齐)，预留为4个word的地址记到gd->start_addr_sp；

函数(19)到(32)进行的内存划分结果如图4所示：

图4 重定位前内存划分
(33) dram_init_banksize()：初始化gd->bd->bi_dram；
(34) show_dram_config()：打印DRAM的大小；
(35) display_new_sp()：打印gd->start_addr_sp的值；
(36) reloc_fdt()：将gd->fdt_blob地址的设备树重定位到gd->new_fdt地址上，更新gd->fdt_blob；
(37) reloc_bootstage()：依赖CONFIG_BOOTSTAGE（未定义），重定位gd->bootstage内容到
gd->new_bootstage，更新gd->bootstage；
(38) setup_reloc()：初始化gd->reloc_off为重定位目标地址与链接地址之差，重定位gd_t内容到
gd->new_gd；
6. 执行sp = gd->start_addr_sp，r9(gd) = gd->new_gd，记录重定位代码后的here地址到lr，执行
relocate_code (gd->relocaddr)(arch\arm\lib\relocate.S)，如图5所示：
① 将地址__image_copy_start至__image_copy_end的u-boot code 重定位到地址gd->relocaddr；
② 通过.rel.dyn段确定u-boot code中所有符号索引的内存地址，用重定位偏移校正符号索引的值[1]；

图5 动态重定位

跳转到重定位后的u-boot code执行以下代码：

here:
7. 调用relocate_vectors()设置VBAR重定位异常向量表地址到gd->relocaddr；c_runtime_cpu_setup()
（arch\arm\cpu\armv7\start.S）失效icache内容，数据同步内存屏障(DSB)，指令同步内存屏障(ISB)；执行
memset(__bss_start,__bss_end,__bss_end-__bss_start)清零BSS段；
8. coloured_LED_init()，red_led_on()，空；
9. 执行board_init_r (gd, gd->relocaddr)；正式进入bootloader第二阶段。

五、board_init_r(gd, gd->relocaddr) (common/board_r.c)

1. gd->flags &= ~GD_FLG_LOG_READY;：指示log系统未初始化；
2. 调用init_sequence_r[]中函数，打印函数指针链接地址和重定位地址（需开DEBUG）：
(1) initr_trace()：依赖CONFIG_TRACE(未定义)，trace system函数未实现；
(2) initr_reloc()：gd->flags |= GD_FLG_RELOC | GD_FLG_FULL_MALLOC_INIT;标志重定位完成；
(3) initr_caches()：调用arch/arm/mach-s5pc1xx/cache.c函数，开dcache (undef CONFIG_SYS_DCACHE_OFF)；
(4) initr_reloc_global_data()：重定位全局变量：monitor_flash_len，gd->fdt_blob(CONFIG_OF_EMBED)，
EFI的扩展固件(CONFIG_EFI_LOADER)；
(5) initr_barrier()：空；
(6) initr_malloc()：初始化malloc功能和清零malloc区；
(7) log_init()：依赖CONFIG_LOG(未定义)，初始化log驱动；
(8) initr_bootstage()：设进度为BOOTSTAGE_ID_START_UBOOT_R，并记到bootstage(依赖CONFIG_BOOTSTAGE
-未定义)，show_boot_progress()(未实现)提示进度，枚举bootstage_id罗列了进度id；
(9) initr_console_record()：依赖CONFIG_CONSOLE_RECORD（未定义），给console record功能分配内存；
(10) bootstage_relocate()：依赖CONFIG_BOOTSTAGE(未定义)，重定位gd->bootstage的内容；
(11) initr_of_live()：依赖CONFIG_OF_LIVE(未定义)，用gd->fdt_blob在堆上建立设备树；
(12) initr_dm()：依赖CONFIG_DM，初始化驱动模型，绑定所有设备（使用U_BOOT_DEVICE或设备树中声明）和
驱动（U_BOOT_DRIVER声明）并probe；
(13) board_init()：smc9115连到SOC接口和对应SROMC的初始化，保存机器ID到gd->bd->bi_arch_number，
设置gd->bd->bi_boot_params保存引导操作系统的启动参数；
(14) efi_memory_init()：依赖CONFIG_EFI_LOADER，初始化EFI功能及分配内存；
(15) stdio_init_tables()：初始化标准输入输出设备链表；
(16) initr_serial()：调用drivers/serial/serial-uclass.c（依赖CONFIG_DM_SERIAL），在设备树alias节点
获得属性"stdout-path"或"console"，从而得到作为标准输入输出的设备节点，生成UCLASS_SERIAL类的
udevice来匹配兼容的驱动及probe；该串行设备记录到gd->cur_serial_dev；标志GD_FLG_SERIAL_READY;；
(17) initr_announce()：打印u-boot重定位后起始地址(需开DEBUG)；
(18) power_init_board()：空；
(19) initr_nand()：依赖CONFIG_CMD_NAND，调用nand硬件驱动之board_nand_init()填充nand_chip的成员，
架构层通过nand驱动扫描外部nand设备，从而完善MTD原始设备mtd_info并注册到MTD子系统；打印nand
的容量；
(20) initr_env()：通用env层(env/env.c)调用env硬件驱动层(若定义CONFIG_ENV_IS_IN_NAND则在env/nand.c)，
加载nand中CONFIG_ENV_OFFSET开始的env数据到栈中，检查crc成功则将其（失败则使用default_environment
）复制到堆中，内存地址记录进env_htab，标志置位GD_FLG_ENV_READY或GD_FLG_ENV_DEFAULT；插入或设置环
境变量fdtcontroladdr为gd->fdt_blob；
(21) initr_secondary_cpu()：空；
(22) stdio_add_devices()：调用drv_xxx_init()（需开CONFIG_XXX），如drv_lcd_init()(需定义CONFIG_LCD)，
drv_system_init()则关于串口；驱动通用层填充stdio_dev并注册添加到标准输入输出链表上，在硬件驱动
层做硬件初始化；
(23) initr_jumptable()：为函数跳转表(struct jt_funcs定义)分配内存并记录内存地址到gd->jt；
(24) console_init_r()：定义CONFIG_SILENT_CONSOLE和环境变量"silent"可标志GD_FLG_SILENT，在标准输入输
出设备表(stdio_add_devices()生成,common/console.c)将首个标志为DEV_FLAGS_INPUT或DEV_FLAGS_OUTPUT作
为控制台io设备，设置环境变量”stdxxx”为设备名，标志GD_FLG_DEVINIT；
(25) interrupt_init()，initr_enable_interrupts：关于irq栈的设置；
(26) initr_ethaddr()：设置gd->bd->bi_enetaddr为环境变量"ethaddr"的值；
(27) initr_net()：通过网络设备驱动通用层(net/eth_legacy.c)调用硬件驱动层smc911x_initialize()初始化网
路设备，检测环境变量"ethaddr"值有效性，为空则生成随机MAC地址（需开CONFIG_NET_RANDOM_ETHADDR），
网络设备名记录到环境变量"ethact"；
(28) run_main_loop()：初始化hush解析器(CONFIG_HUSH_PARSER)，用环境变量"bootdelay"或设备树节点config
的属性bootdelay作为启动延迟时间，通过hush解析控制台输入的内容打断倒计时并进入命令行；倒计时期间
控制台无输入则执行环境变量或设备树/config节点的bootcmd，最后执行命令bootm 0x30007FC0；

六、`bootm 0x30007FC0` (cmd/bootm.c)

1. do_bootm(...)执行该命令，作命令的解析；
2. do_bootm_states(...)，如下内容：
3. bootm_start()：环境变量verify决定后续是否对kernel镜像进行校验和检查，lmb(logical memory blocks)相关内
容的初始化；
4. bootm_find_os()：
(1) boot_get_kernel()：获取kernel镜像格式为IMAGE_FORMAT_LEGACY，验证镜像hcrc，打印镜像的名字、类型、数
据大小、加载地址和入口地址，验证dcrc(依赖env的verify)，判断arch是否支持；
(2) 解析镜像的结果填充images.os的成员，kernel入口地址记到images.ep，镜像头部地址记到images.os.start；
5. bootm_find_other()：
(1) boot_get_ramdisk()：解析ramdisk镜像，bootm第三个参数为其地址(如bootm xxx yyy，yyy为对应地址)；
(2) boot_get_fdt()：获取和解析设备树镜像内容，设备树镜像的起始地址需在bootm命令第四个参数指明，如
bootm xxx yyy zzz，zzz为对应地址；
6. bootm_load_os()：解压os数据或移动到images->os.load地址，所以kernel应有Load Address=Entry Point；
7. boot_ramdisk_high()：重新定位并初始化ramdisk，需定义CONFIG_SYS_BOOT_RAMDISK_HIGH；
8. bootm_os_get_boot_func(images->os.os)根据os类型获得启动函数boot_fn = do_bootm_linux；
9. do_bootm_linux(BOOTM_STATE_OS_PREP, argc, argv, images)： boot_prep_linux()：若未指定传递给kernel的设
备树地址，则建立各种tag到地址gd->bd->bi_boot_params；
10. boot_selected_os()：通过函数指针boot_fn调用do_bootm_linux(BOOTM_STATE_OS_GO, ...)，进而调用
boot_jump_linux(images, BOOTM_STATE_OS_GO)：
(1) 通过gd->bd->bi_arch_number或者环境变量machid获得机器码；
(2) announce_and_cleanup()：打印提示开始启动内核，注销驱动模型下设备驱动；调用cleanup_before_linux()：
关L1/2 D-cache和MMU，冲刷掉dcache内数据；关I-cache，失效I-cache内条目，失效整个分支预测器阵列；
执行数据和指令内存屏障，确保前面的操作完成；
(3) kernel_entry(0, machid, r2)：参数r2传递启动参数（tag或设备树）的内存地址，正式跳转到kernel。

参考文献

[1] fireaxe. PIC（与位置无关代码）在u-boot上的实现[EB/OL]. ChinaUnix，2014