U-BOOT启动流程详细分析[转]

http://www.cnblogs.com/heaad/archive/2010/07/17/1779829.html

U-Boot启动内核的过程可以分为两个阶段，两个阶段的功能如下：

   （1）第一阶段的功能

Ø 硬件设备初始化

Ø 加载U-Boot第二阶段代码到RAM空间

Ø 设置好栈

Ø 跳转到第二阶段代码入口

   （2）第二阶段的功能

Ø 初始化本阶段使用的硬件设备

Ø 检测系统内存映射

Ø 将内核从Flash读取到RAM中

Ø 为内核设置启动参数

Ø 调用内核

1.1.1 U-Boot启动第一阶段代码分析

   第一阶段对应的文件是cpu/arm920t/start.S和board/samsung/mini2440/lowlevel_init.S。U-Boot启动第一阶段流程如下：

图 2.1 U-Boot启动第一阶段流程

   根据cpu/arm920t/u-boot.lds中指定的连接方式：

ENTRY(_start)SECTIONS{. = 0x00000000;. = ALIGN(4);.text :{cpu/arm920t/start.o    (.text)board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o (.text)board/samsung/mini2440/nand_read.o (.text)*(.text)}… …}

   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。

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：

.globl _start_start:    b     start_code                         /* 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 */_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 start_code”决定了U-Boot启动后将自动跳转到标号“start_code”处执行。

（2）CPU进入SVC模式

start_code:/** set the cpu to SVC32 mode*/mrs r0, cpsrbic  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一，从而屏蔽了IRQ和FIQ中断。

（3）设置控制寄存器地址

# if defined(CONFIG_S3C2400)#  define pWTCON 0x15300000#  define INTMSK  0x14400008#  define CLKDIVN      0x14800014#else      /* 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                     /* INTMSK寄存器地址  */#  define INTSUBMSK 0x4A00001C      /* INTSUBMSK寄存器地址 */#  define CLKDIVN      0x4C000014                   /* CLKDIVN寄存器地址 */# endif

   对与s3c2440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参考文献[4] 。

（4）关闭看门狗

      ldr   r0, =pWTCONmov       r1, #0x0str   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。

（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, =INTMSKstr   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。根据参考文献4，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_S3C2440)ldr  r1, =0x7fff      ldr  r0, =INTSUBMSKstr  r1, [r0]# endif

   INTSUBMSK每一位对应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。根据参考文献4，INTSUBMSK寄存器是一个32位的寄存器，但是只使用了低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MPLLCON,UPLLCON, CLKDIVN

# if defined(CONFIG_S3C2440) #define MPLLCON   0x4C000004#define UPLLCON   0x4C000008  ldr  r0, =CLKDIVN  mov  r1, #5str  r1, [r0]ldr  r0, =MPLLCONldr  r1, =0x7F021 str  r1, [r0]ldr  r0, =UPLLCON ldr  r1, =0x38022str  r1, [r0]# else/* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 *//* default FCLK is 120 MHz ! */ldr   r0, =CLKDIVNmov       r1, #3str   r1, [r0]#endif

   CPU上电几毫秒后，晶振输出稳定，FCLK=Fin（晶振频率），CPU开始执行指令。但实际上，FCLK可以高于Fin，为了提高系统时钟，需要用软件来启用PLL。这就需要设置CLKDIVN，MPLLCON，UPLLCON这3个寄存器。CLKDIVN寄存器用于设置FCLK，HCLK，PCLK三者间的比例，可以根据表2.2来设置。

   设置CLKDIVN为5，就将HDIVN设置为二进制的10，由于CAMDIVN[9]没有被改变过，取默认值0，因此HCLK = FCLK/4。PDIVN被设置为1，因此PCLK= HCLK/2。因此分频比FCLK:HCLK:PCLK = 1:4:8 。MPLLCON寄存器用于设置FCLK与Fin的倍数。MPLLCON的位[19:12]称为MDIV，位[9:4]称为PDIV，位[1:0]称为SDIV。对于S3C2440，FCLK与Fin的关系如下面公式：MPLL(FCLK) = (2×m×Fin)/(p×)其中： m=MDIC+8，p=PDIV+2，s=SDIVMPLLCON与UPLLCON的值可以根据参考文献4中“PLL VALUE SELECTION TABLE”设置。该表部分摘录如下：

当mini2440系统主频设置为405MHZ，USB时钟频率设置为48MHZ时，系统可以稳定运行，因此设置MPLLCON与UPLLCON为：

   MPLLCON=(0x7f<<12) | (0x02<<4) | (0x01) = 0x7f021UPLLCON=(0x38<<12) | (0x02<<4) | (0x02) = 0x38022

（7）关闭MMU，cache

   接着往下看：

#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INITbl    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。下面分析一下cpu_init_crit到底做了什么：

320  #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT321  cpu_init_crit:322      /*323       * 使数据cache与指令cache无效 */324       */ 325      mov       r0, #0326      mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0    /* 向c7写入0将使ICache与DCache无效*/327      mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0    /* 向c8写入0将使TLB失效 */328 329      /*330       * disable MMU stuff and caches331       */332      mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0    /*  读出控制寄存器到r0中  */333      bic  r0, r0, #0x00002300   @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS)334      bic  r0, r0, #0x00000087   @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM)335      orr   r0, r0, #0x00000002   @ set bit 2 (A) Align336      orr   r0, r0, #0x00001000   @ set bit 12 (I) I-Cache337      mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0    /*  保存r0到控制寄存器  */338 339      /*340       * before relocating, we have to setup RAM timing341       * because memory timing is board-dependend, you will342       * find a lowlevel_init.S in your board directory.343       */344      mov       ip, lr345 346      bl    lowlevel_init347 348      mov       lr, ip349      mov       pc, lr350  #endif /* CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT */

   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。325~327行代码将0写入c7、c8，使Cache，TLB内容无效。第332~337行代码关闭了MMU。这是通过修改CP15的c1寄存器来实现的，先看CP15的c1寄存器的格式（仅列出代码中用到的位）：

   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

   332~337行代码将c1的 M位置零，关闭了MMU。

（8）初始化RAM控制寄存器

   其中的lowlevel_init就完成了内存初始化的工作，由于内存初始化是依赖于开发板的，因此lowlevel_init的代码一般放在board下面相应的目录中。对于mini2440，lowlevel_init在board/samsung/mini2440/lowlevel_init.S中定义如下：

45  #define BWSCON   0x48000000        /* 13个存储控制器的开始地址 */… …129  _TEXT_BASE:130      .word     TEXT_BASE131 132  .globl lowlevel_init133  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, =SMRDATA138      ldr   r1, _TEXT_BASE139      sub  r0, r0, r1              /* SMRDATA减 _TEXT_BASE就是13个寄存器的偏移地址 */140      ldr   r1, =BWSCON   /* Bus Width Status Controller */141      add     r2, r0, #13*4142  0:143      ldr     r3, [r0], #4    /*将13个寄存器的值逐一赋值给对应的寄存器*/144      str     r3, [r1], #4145      cmp     r2, r0146      bne     0b147 148      /* everything is fine now */149      mov       pc, lr150 151      .ltorg152  /* the literal pools origin */153 154  SMRDATA:            /*  下面是13个寄存器的值  */155  .word  … …156   .word  … …… …

   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。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)… …}

   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。因此第137~146行的代码将从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。

（9）复制U-Boot第二阶段代码到RAM

   cpu/arm920t/start.S原来的代码是只支持从NOR Flash启动的，经过修改现在U-Boot在NOR Flash和NAND Flash上都能启动了，实现的思路是这样的：

     bl    bBootFrmNORFlash /*  判断U-Boot是在NAND Flash还是NOR Flash启动  */cmp       r0, #0          /*  r0存放bBootFrmNORFlash函数返回值，若返回0表示NAND Flash启动，否则表示在NOR Flash启动  */beq nand_boot         /*  跳转到NAND Flash启动代码  *//*  NOR Flash启动的代码  */b     stack_setup         /* 跳过NAND Flash启动的代码 */nand_boot:/*  NAND Flash启动的代码  */stack_setup:       /* 其他代码 */

   其中bBootFrmNORFlash函数作用是判断U-Boot是在NAND Flash启动还是NOR Flash启动，若在NOR Flash启动则返回1，否则返回0。根据ATPCS规则，函数返回值会被存放在r0寄存器中，因此调用bBootFrmNORFlash函数后根据r0的值就可以判断U-Boot在NAND Flash启动还是NOR Flash启动。bBootFrmNORFlash函数在board/samsung/mini2440/nand_read.c中定义如下：

int bBootFrmNORFlash(void){volatile unsigned int *pdw = (volatile unsigned int *)0;unsigned int dwVal;dwVal = *pdw;         /* 先记录下原来的数据 */*pdw = 0x12345678;if (*pdw != 0x12345678)       /* 写入失败，说明是在NOR Flash启动 */{return 1;     }else                                   /* 写入成功，说明是在NAND Flash启动 */{*pdw = dwVal;        /* 恢复原来的数据 */return 0;}}

 无论是从NOR Flash还是从NAND Flash启动，地址0处为U-Boot的第一条指令“ b    start_code”。对于从NAND Flash启动的情况，其开始4KB的代码会被自动复制到CPU内部4K内存中，因此可以通过直接赋值的方法来修改。对于从NOR Flash启动的情况，NOR Flash的开始地址即为0，必须通过一定的命令序列才能向NOR Flash中写数据，所以可以根据这点差别来分辨是从NAND Flash还是NOR Flash启动：向地址0写入一个数据，然后读出来，如果发现写入失败的就是NOR Flash，否则就是NAND Flash。下面来分析NOR Flash启动部分代码：

208      adr  r0, _start              /* r0 <- current position of code   */209      ldr   r1, _TEXT_BASE            /* test if we run from flash or RAM */

/* 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 */210      cmp      r0, r1      /*_start等于_TEXT_BASE说明是下载到RAM中运行 */211      beq stack_setup212  /* 以下直到nand_boot标号前都是NOR Flash启动的代码 */213      ldr   r2, _armboot_start214      ldr   r3, _bss_start215      sub  r2, r3, r2              /* r2 <- size of armboot            */216      add r2, r0, r2              /* r2 <- source end address         */217  /* 搬运U-Boot自身到RAM中*/218  copy_loop:219      ldmia     r0!, {r3-r10} /* 从地址为[r0]的NOR Flash中读入8个字的数据 */220      stmia      r1!, {r3-r10} /* 将r3至r10寄存器的数据复制给地址为[r1]的内存 */221      cmp       r0, r2                    /* until source end addreee [r2]    */222      ble  copy_loop223      b     stack_setup         /* 跳过NAND Flash启动的代码 */

   下面再来分析NAND Flash启动部分代码：

nand_boot:mov r1, #NAND_CTL_BASE ldr r2, =( (7<<12)|(7<<8)|(7<<4)|(0<<0) )str r2, [r1, #oNFCONF]   /* 设置NFCONF寄存器 *//* 设置NFCONT，初始化ECC编/解码器，禁止NAND Flash片选 */ldr r2, =( (1<<4)|(0<<1)|(1<<0) )str r2, [r1, #oNFCONT] ldr r2, =(0x6)           /* 设置NFSTAT */str r2, [r1, #oNFSTAT]/* 复位命令，第一次使用NAND Flash前复位 */mov r2, #0xff           strb r2, [r1, #oNFCMD]mov r3, #0              /* 为调用C函数nand_read_ll准备堆栈 */ldr sp, DW_STACK_START  mov fp, #0              /* 下面先设置r0至r2，然后调用nand_read_ll函数将U-Boot读入RAM */ldr r0, =TEXT_BASE      /* 目的地址：U-Boot在RAM的开始地址 */mov r1, #0x0               /* 源地址：U-Boot在NAND Flash中的开始地址 */mov r2, #0x30000          /* 复制的大小，必须比u-boot.bin文件大，并且必须是NAND Flash块大小的整数倍，这里设置为0x30000（192KB） */bl  nand_read_ll                 /* 跳转到nand_read_ll函数，开始复制U-Boot到RAM */tst  r0, #0x0                     /* 检查返回值是否正确 */beq stack_setupbad_nand_read:loop2: b loop2    //infinite loop.align 2DW_STACK_START: .word STACK_BASE+STACK_SIZE-4

   其中NAND_CTL_BASE，oNFCONF等在include/configs/mini2440.h中定义如下：

#define NAND_CTL_BASE  0x4E000000  // NAND Flash控制寄存器基址#define STACK_BASE  0x33F00000     //base address of stack#define STACK_SIZE  0x8000         //size of stack#define oNFCONF  0x00      /* NFCONF相对于NAND_CTL_BASE偏移地址 */#define oNFCONT  0x04      /* NFCONT相对于NAND_CTL_BASE偏移地址*/#define oNFADDR  0x0c     /* NFADDR相对于NAND_CTL_BASE偏移地址*/#define oNFDATA  0x10      /* NFDATA相对于NAND_CTL_BASE偏移地址*/#define oNFCMD   0x08     /* NFCMD相对于NAND_CTL_BASE偏移地址*/#define oNFSTAT  0x20        /* NFSTAT相对于NAND_CTL_BASE偏移地址*/#define oNFECC   0x2c              /* NFECC相对于NAND_CTL_BASE偏移地址*/

   NAND Flash各个控制寄存器的设置在S3C2440的数据手册有详细说明，这里就不介绍了。代码中nand_read_ll函数的作用是在NAND Flash中搬运U-Boot到RAM，该函数在board/samsung/mini2440/nand_read.c中定义。NAND Flash根据page大小可分为2种： 512B/page和2048B/page的。这两种NAND Flash的读操作是不同的。因此就需要U-Boot识别到NAND Flash的类型，然后采用相应的读操作，也就是说nand_read_ll函数要能自动适应两种NAND Flash。参考S3C2440的数据手册可以知道：根据NFCONF寄存器的Bit3（AdvFlash (Read only)）和Bit2 （PageSize (Read only)）可以判断NAND Flash的类型。Bit2、Bit3与NAND Flash的block类型的关系如下表所示：

   由于的NAND Flash只有512B/page和2048 B/page这两种，因此根据NFCONF寄存器的Bit3即可区分这两种NAND Flash了。完整代码见board/samsung/mini2440/nand_read.c中的nand_read_ll函数，这里给出伪代码：

int nand_read_ll(unsigned char *buf, unsigned long start_addr, int size){//根据NFCONF寄存器的Bit3来区分2种NAND Flashif( NFCONF & 0x8 )        /* Bit是1，表示是2KB/page的NAND Flash */{////////////////////////////////////读取2K block 的NAND Flash////////////////////////////////////}else                      /* Bit是0，表示是512B/page的NAND Flash */{/////////////////////////////////////读取512B block 的NAND Flash/////////////////////////////////////}return 0;}

（10）设置堆栈

    /*  设置堆栈 */stack_setup:ldr   r0, _TEXT_BASE            /* upper 128 KiB: relocated uboot   */sub  r0, r0, #CONFIG_SYS_MALLOC_LEN   /* malloc area              */sub  r0, r0, #CONFIG_SYS_GBL_DATA_SIZE /*  跳过全局数据区               */#ifdef CONFIG_USE_IRQsub  r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)#endifsub  sp, r0, #12           /* leave 3 words for abort-stack    */

   只要将sp指针指向一段没有被使用的内存就完成栈的设置了。根据上面的代码可以知道U-Boot内存使用情况了，如下图所示：

（11）清除BSS段

clear_bss:ldr   r0, _bss_start              /* BSS段开始地址，在u-boot.lds中指定*/ldr   r1, _bss_end               /* BSS段结束地址，在u-boot.lds中指定*/mov       r2, #0x00000000clbss_l:str     r2, [r0]          /* 将bss段清零*/add r0, r0, #4cmp      r0, r1ble  clbss_l

   初始值为0，无初始值的全局变量，静态变量将自动被放在BSS段。应该将这些变量的初始值赋为0，否则这些变量的初始值将是一个随机的值，若有些程序直接使用这些没有初始化的变量将引起未知的后果。

（12）跳转到第二阶段代码入口

       ldr   pc, _start_armboot_start_armboot:   .word  start_armboot

   跳转到第二阶段代码入口start_armboot处。

1.1.2 U-Boot启动第二阶段代码分析

   start_armboot函数在lib_arm/board.c中定义，是U-Boot第二阶段代码的入口。U-Boot启动第二阶段流程如下：

在分析start_armboot函数前先来看看一些重要的数据结构：

（1）gd_t结构体

   U-Boot使用了一个结构体gd_t来存储全局数据区的数据，这个结构体在include/asm-arm/global_data.h中定义如下：

typedef  struct     global_data {bd_t              *bd;unsigned long      flags;unsigned long      baudrate;unsigned long      have_console;      /* serial_init() was called */unsigned long      env_addr;     /* Address  of Environment struct */unsigned long      env_valid;    /* Checksum of Environment valid? */unsigned long      fb_base; /* base address of frame buffer */void              **jt;              /* jump table */} gd_t;

   U-Boot使用了一个存储在寄存器中的指针gd来记录全局数据区的地址：

#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR     register volatile gd_t *gd asm ("r8")

   DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR定义一个gd_t全局数据结构的指针，这个指针存放在指定的寄存器r8中。这个声明也避免编译器把r8分配给其它的变量。任何想要访问全局数据区的代码，只要代码开头加入“DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR”一行代码，然后就可以使用gd指针来访问全局数据区了。根据U-Boot内存使用图中可以计算gd的值：

gd = TEXT_BASE －CONFIG_SYS_MALLOC_LEN － sizeof(gd_t)

（2）bd_t结构体

   bd_t在include/asm-arm.u/u-boot.h中定义如下：

typedef struct bd_info {int                bi_baudrate;               /* 串口通讯波特率 */unsigned long     bi_ip_addr;          /* IP 地址*/struct environment_s        *bi_env;              /* 环境变量开始地址 */ulong            bi_arch_number;      /* 开发板的机器码 */ulong            bi_boot_params;       /* 内核参数的开始地址 */struct                         /* RAM配置信息 */{ulong start;ulong size;}bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS]; } bd_t;

   U-Boot启动内核时要给内核传递参数，这时就要使用gd_t，bd_t结构体中的信息来设置标记列表。

（3）init_sequence数组

   U-Boot使用一个数组init_sequence来存储对于大多数开发板都要执行的初始化函数的函数指针。init_sequence数组中有较多的编译选项，去掉编译选项后init_sequence数组如下所示：

typedef int (init_fnc_t) (void);init_fnc_t *init_sequence[] = {board_init,         /*开发板相关的配置--board/samsung/mini2440/mini2440.c */timer_init,            /* 时钟初始化-- cpu/arm920t/s3c24x0/timer.c */env_init,            /*初始化环境变量--common/env_flash.c 或common/env_nand.c*/init_baudrate,      /*初始化波特率-- lib_arm/board.c */serial_init,            /* 串口初始化-- drivers/serial/serial_s3c24x0.c */console_init_f,    /* 控制通讯台初始化阶段1-- common/console.c */display_banner,   /*打印U-Boot版本、编译的时间-- gedit lib_arm/board.c */dram_init,            /*配置可用的RAM-- board/samsung/mini2440/mini2440.c */display_dram_config,              /* 显示RAM大小-- lib_arm/board.c */NULL,};

   其中的board_init函数在board/samsung/mini2440/mini2440.c中定义，该函数设置了MPLLCOM，UPLLCON，以及一些GPIO寄存器的值，还设置了U-Boot机器码和内核启动参数地址 ：

/* MINI2440开发板的机器码 */gd->bd->bi_arch_number = MACH_TYPE_MINI2440;/* 内核启动参数地址 */gd->bd->bi_boot_params = 0x30000100;

   其中的dram_init函数在board/samsung/mini2440/mini2440.c中定义如下：

int dram_init (void){/* 由于mini2440只有 */gd->bd->bi_dram[0].start = PHYS_SDRAM_1;gd->bd->bi_dram[0].size = PHYS_SDRAM_1_SIZE;return 0;}

mini2440使用2片32MB的SDRAM组成了64MB的内存，接在存储控制器的BANK6，地址空间是0x30000000~0x34000000。

在include/configs/mini2440.h中PHYS_SDRAM_1和PHYS_SDRAM_1_SIZE 分别被定义为0x30000000和0x04000000（64M）。

   分析完上述的数据结构，下面来分析start_armboot函数：

void start_armboot (void){init_fnc_t **init_fnc_ptr;char *s;… …/* 计算全局数据结构的地址gd */gd = (gd_t*)(_armboot_start - CONFIG_SYS_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));… …memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t));gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));gd->flags |= GD_FLG_RELOC;monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;/* 逐个调用init_sequence数组中的初始化函数  */for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {hang ();}}/* armboot_start 在cpu/arm920t/start.S 中被初始化为u-boot.lds连接脚本中的_start */mem_malloc_init (_armboot_start - CONFIG_SYS_MALLOC_LEN,CONFIG_SYS_MALLOC_LEN);/* NOR Flash初始化 */#ifndef CONFIG_SYS_NO_FLASH/* configure available FLASH banks */display_flash_config (flash_init ());#endif /* CONFIG_SYS_NO_FLASH */… …/* NAND Flash 初始化*/#if defined(CONFIG_CMD_NAND)puts ("NAND:  ");nand_init();         /* go init the NAND */#endif… …/*配置环境变量，重新定位 */env_relocate ();… …/* 从环境变量中获取IP地址 */gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");stdio_init (); /* get the devices list going. */jumptable_init ();… …console_init_r (); /* fully init console as a device */… …/* enable exceptions */enable_interrupts ();#ifdef CONFIG_USB_DEVICEusb_init_slave();#endif/* Initialize from environment */if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);}#if defined(CONFIG_CMD_NET)if ((s = getenv ("bootfile")) != NULL) {copy_filename (BootFile, s, sizeof (BootFile));}#endif… …/* 网卡初始化 */#if defined(CONFIG_CMD_NET)#if defined(CONFIG_NET_MULTI)puts ("Net:   ");#endifeth_initialize(gd->bd);… …#endif/* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again. */for (;;) {main_loop ();}/* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */}

   main_loop函数在common/main.c中定义。一般情况下，进入main_loop函数若干秒内没有

1.1.3 U-Boot启动Linux过程

   U-Boot使用标记列表（tagged list）的方式向Linux传递参数。标记的数据结构式是tag，在U-Boot源代码目录include/asm-arm/setup.h中定义如下：

struct tag_header {u32 size;       /* 表示tag数据结构的联合u实质存放的数据的大小*/u32 tag;        /* 表示标记的类型 */};struct tag {struct tag_header hdr;union {struct tag_core           core;struct tag_mem32      mem;struct tag_videotext   videotext;struct tag_ramdisk     ramdisk;struct tag_initrd  initrd;struct tag_serialnr       serialnr;struct tag_revision      revision;struct tag_videolfb     videolfb;struct tag_cmdline     cmdline;/** Acorn specific*/struct tag_acorn  acorn;/** DC21285 specific*/struct tag_memclk      memclk;} u;};

   U-Boot使用命令bootm来启动已经加载到内存中的内核。而bootm命令实际上调用的是do_bootm函数。对于Linux内核，do_bootm函数会调用do_bootm_linux函数来设置标记列表和启动内核。do_bootm_linux函数在lib_arm/bootm.c 中定义如下：

59   int do_bootm_linux(int flag, int argc, char *argv[], bootm_headers_t *images)60   {61       bd_t       *bd = gd->bd;62       char       *s;63       int   machid = bd->bi_arch_number;64       void       (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);65  66   #ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG67       char *commandline = getenv ("bootargs");   /* U-Boot环境变量bootargs */68   #endif… …73       theKernel = (void (*)(int, int, uint))images->ep; /* 获取内核入口地址 */… …86   #if defined (CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || \87       defined (CONFIG_CMDLINE_TAG) || \88       defined (CONFIG_INITRD_TAG) || \89       defined (CONFIG_SERIAL_TAG) || \90       defined (CONFIG_REVISION_TAG) || \91       defined (CONFIG_LCD) || \92       defined (CONFIG_VFD)93       setup_start_tag (bd);                                     /* 设置ATAG_CORE标志 */… …100  #ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS101      setup_memory_tags (bd);                             /* 设置内存标记 */102  #endif103  #ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG104      setup_commandline_tag (bd, commandline);      /* 设置命令行标记 */105  #endif… …113      setup_end_tag (bd);                               /* 设置ATAG_NONE标志 */          114  #endif115 116      /* we assume that the kernel is in place */117      printf ("\nStarting kernel ...\n\n");… …126      cleanup_before_linux ();          /* 启动内核前对CPU作最后的设置 */127 128      theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params);      /* 调用内核 */129      /* does not return */130 131      return 1;132  }

   其中的setup_start_tag，setup_memory_tags，setup_end_tag函数在lib_arm/bootm.c中定义如下：（1）setup_start_tag函数

static void setup_start_tag (bd_t *bd){params = (struct tag *) bd->bi_boot_params;  /* 内核的参数的开始地址 */params->hdr.tag = ATAG_CORE;params->hdr.size = tag_size (tag_core);params->u.core.flags = 0;params->u.core.pagesize = 0;params->u.core.rootdev = 0;params = tag_next (params);}

   标记列表必须以ATAG_CORE开始，setup_start_tag函数在内核的参数的开始地址设置了一个ATAG_CORE标记。（2）setup_memory_tags函数

static void setup_memory_tags (bd_t *bd){int i;/*设置一个内存标记 */for (i = 0; i < CONFIG_NR_DRAM_BANKS; i++) {   params->hdr.tag = ATAG_MEM;params->hdr.size = tag_size (tag_mem32);params->u.mem.start = bd->bi_dram[i].start;params->u.mem.size = bd->bi_dram[i].size;params = tag_next (params);}}

   setup_memory_tags函数设置了一个ATAG_MEM标记，该标记包含内存起始地址，内存大小这两个参数。（3）setup_end_tag函数

static void setup_end_tag (bd_t *bd){params->hdr.tag = ATAG_NONE;params->hdr.size = 0;}

   标记列表必须以标记ATAG_NONE结束，setup_end_tag函数设置了一个ATAG_NONE标记，表示标记列表的结束。U-Boot设置好标记列表后就要调用内核了。但调用内核前，CPU必须满足下面的条件：

（1） CPU寄存器的设置

Ø r0=0

Ø r1=机器码

Ø r2=内核参数标记列表在RAM中的起始地址

（2） CPU工作模式

Ø 禁止IRQ与FIQ中断

Ø CPU为SVC模式

（3）使数据Cache与指令Cache失效

   do_bootm_linux中调用的cleanup_before_linux函数完成了禁止中断和使Cache失效的功能。cleanup_before_linux函数在cpu/arm920t/cpu.中定义：

int cleanup_before_linux (void){/** this function is called just before we call linux* it prepares the processor for linux** we turn off caches etc ...*/disable_interrupts ();         /* 禁止FIQ/IRQ中断 *//* turn off I/D-cache */icache_disable();               /* 使指令Cache失效 */dcache_disable();              /* 使数据Cache失效 *//* flush I/D-cache */cache_flush();                    /* 刷新Cache */return 0;}

   由于U-Boot启动以来就一直工作在SVC模式，因此CPU的工作模式就无需设置了。

do_bootm_linux中：64       void       (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);… …73       theKernel = (void (*)(int, int, uint))images->ep;… …128      theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params);

   第73行代码将内核的入口地址“images->ep”强制类型转换为函数指针。根据ATPCS规则，函数的参数个数不超过4个时，使用r0~r3这4个寄存器来传递参数。因此第128行的函数调用则会将0放入r0，机器码machid放入r1，内核参数地址bd->bi_boot_params放入r2，从而完成了寄存器的设置，最后转到内核的入口地址。到这里，U-Boot的工作就结束了，系统跳转到Linux内核代码执行。

1.1.4 U-Boot添加命令的方法及U-Boot命令执行过程

   下面以添加menu命令（启动菜单）为例讲解U-Boot添加命令的方法。

（1）建立common/cmd_menu.c

   习惯上通用命令源代码放在common目录下，与开发板专有命令源代码则放在board/<board_dir>目录下，并且习惯以“cmd_<命令名>.c”为文件名。

（2）定义“menu”命令

   在cmd_menu.c中使用如下的代码定义“menu”命令：

_BOOT_CMD(

   menu,    3,    0,    do_menu,"menu - display a menu, to select the items to do something\n"," - display a menu, to select the items to do something"

);

   其中U_BOOT_CMD命令格式如下：

U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help)

   各个参数的意义如下：

name：命令名，非字符串，但在U_BOOT_CMD中用“#”符号转化为字符串

maxargs：命令的最大参数个数

rep：是否自动重复（按Enter键是否会重复执行）

cmd：该命令对应的响应函数

usage：简短的使用说明（字符串）

help：较详细的使用说明（字符串）

   在内存中保存命令的help字段会占用一定的内存，通过配置U-Boot可以选择是否保存help字段。若在include/configs/mini2440.h中定义了CONFIG_SYS_LONGHELP宏，则在U-Boot中使用help命令查看某个命令的帮助信息时将显示usage和help字段的内容，否则就只显示usage字段的内容。U_BOOT_CMD宏在include/command.h中定义：

#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) \cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage, help}

   “##”与“#”都是预编译操作符，“##”有字符串连接的功能，“#”表示后面紧接着的是一个字符串。其中的cmd_tbl_t在include/command.h中定义如下：

struct cmd_tbl_s {char              *name;          /* 命令名 */int          maxargs;       /* 最大参数个数 */int          repeatable;    /* 是否自动重复 */int          (*cmd)(struct cmd_tbl_s *, int, int, char *[]);  /*  响应函数 */char              *usage;         /* 简短的帮助信息 */#ifdef    CONFIG_SYS_LONGHELPchar              *help;           /*  较详细的帮助信息 */#endif#ifdef CONFIG_AUTO_COMPLETE/* 自动补全参数 */int          (*complete)(int argc, char *argv[], char last_char, int maxv, char *cmdv[]);#endif};typedef struct cmd_tbl_s  cmd_tbl_t;

   一个cmd_tbl_t结构体变量包含了调用一条命令的所需要的信息。其中Struct_Section在include/command.h中定义如下：

#define Struct_Section  __attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd")))

   凡是带有__attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd"))属性声明的变量都将被存放在".u_boot_cmd"段中，并且即使该变量没有在代码中显式的使用编译器也不产生警告信息。在U-Boot连接脚本u-boot.lds中定义了".u_boot_cmd"段：

       . = .;__u_boot_cmd_start = .;          /*将 __u_boot_cmd_start指定为当前地址 */.u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }__u_boot_cmd_end = .;           /*  将__u_boot_cmd_end指定为当前地址  */

   这表明带有“.u_boot_cmd”声明的函数或变量将存储在“u_boot_cmd”段。这样只要将U-Boot所有命令对应的cmd_tbl_t变量加上“.u_boot_cmd”声明，编译器就会自动将其放在“u_boot_cmd”段，查找cmd_tbl_t变量时只要在__u_boot_cmd_start与__u_boot_cmd_end之间查找就可以了。因此“menu”命令的定义经过宏展开后如下：

cmd_tbl_t __u_boot_cmd_menu __attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd"))) = {menu, 3, 0, do_menu, "menu - display a menu, to select the items to do something\n", " - display a menu, to select the items to do something"}

   实质上就是用U_BOOT_CMD宏定义的信息构造了一个cmd_tbl_t类型的结构体。编译器将该结构体放在“u_boot_cmd”段，执行命令时就可以在“u_boot_cmd”段查找到对应的cmd_tbl_t类型结构体。

（3）实现命令的函数

   在cmd_menu.c中添加“menu”命令的响应函数的实现。具体的实现代码略：

int do_menu (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[]){/* 实现代码略 */}

（4）将common/cmd_menu.c编译进u-boot.bin

   在common/Makefile中加入如下代码：

COBJS-$(CONFIG_BOOT_MENU) += cmd_menu.o

   在include/configs/mini2440.h加入如代码：

#define CONFIG_BOOT_MENU 1

   重新编译下载U-Boot就可以使用menu命令了

（5）menu命令执行的过程

   在U-Boot中输入“menu”命令执行时，U-Boot接收输入的字符串“menu”，传递给run_command函数。run_command函数调用common/command.c中实现的find_cmd函数在__u_boot_cmd_start与__u_boot_cmd_end间查找命令，并返回menu命令的cmd_tbl_t结构。然后run_command函数使用返回的cmd_tbl_t结构中的函数指针调用menu命令的响应函数do_menu，从而完成了命令的执行。

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