基于IMX6Q的uboot启动流程分析（3）：_main函数之relocate_code与board_init

基于IMX6Q的uboot启动流程分析（1）：uboot入口函数
基于IMX6Q的uboot启动流程分析（2）：_main函数之board_init_f
基于IMX6Q的uboot启动流程分析（3）：_main函数之relocate_code与board_init_r
基于IMX6Q的uboot启动流程分析（4）：uboot中的串口设备

第3章：_main函数之relocate_code与board_init_r

3.1 relocate_code函数

上一小节，介绍了board_init_f函数，主要的是对整个DRAM的内存进行了分配，以便uboot的重定位。

3.1.1 设置中间环境

在调用relocate_code函数前，需设置中间环境，更新分配DRAM后的sp指针值和gd指针值，其内容如下

 ldr r0, [r9, #GD_START_ADDR_SP] /* sp = gd->start_addr_sp */ //新的spbic  r0, r0, #7  /* 8-byte alignment for ABI compliance */mov    sp, r0ldr   r9, [r9, #GD_NEW_GD]        /* r9 <- gd->new_gd */adr lr, hereldr r0, [r9, #GD_RELOC_OFF]     /* r0 = gd->reloc_off */add lr, lr, r0
#if defined(CONFIG_CPU_V7M)orr  lr, #1              /* As required by Thumb-only */
#endifldr   r0, [r9, #GD_RELOCADDR]     /* r0 = gd->relocaddr */b   relocate_code

将新的sp地址赋值给r0 = 0x4DF68F50

3.1.2 relocate_code函数详解

uboot重定位主要由relocate_code函数实现，其定义在arch/arm/lib/relocate.S文件中，内容为：

 80 ENTRY(relocate_code)81         ldr     r1, =__image_copy_start /* r1 <- SRC &__image_copy_start */82         subs    r4, r0, r1              /* r4 <- relocation offset */83         beq     relocate_done           /* skip relocation */84         ldr     r2, =__image_copy_end   /* r2 <- SRC &__image_copy_end */85 86 copy_loop:87         ldmia   r1!, {r10-r11}          /* copy from source address [r1]    */88         stmia   r0!, {r10-r11}          /* copy to   target address [r0]    */89         cmp     r1, r2                  /* until source end address [r2]    */90         blo     copy_loop91 92         /*93          * fix .rel.dyn relocations94          */95         ldr     r2, =__rel_dyn_start    /* r2 <- SRC &__rel_dyn_start */96         ldr     r3, =__rel_dyn_end      /* r3 <- SRC &__rel_dyn_end */97 fixloop:98         ldmia   r2!, {r0-r1}            /* (r0,r1) <- (SRC location,fixup) */99         and     r1, r1, #0xff
100         cmp     r1, #R_ARM_RELATIVE
101         bne     fixnext
102
103         /* relative fix: increase location by offset */
104         add     r0, r0, r4
105         ldr     r1, [r0]
106         add     r1, r1, r4
107         str     r1, [r0]
108 fixnext:
109         cmp     r2, r3
110         blo     fixloop
111
112 relocate_done:
113
114 #ifdef __XSCALE__
115         /*
116          * On xscale, icache must be invalidated and write buffers drained,
117          * even with cache disabled - 4.2.7 of xscale core developer's manual
118          */
119         mcr     p15, 0, r0, c7, c7, 0   /* invalidate icache */
120         mcr     p15, 0, r0, c7, c10, 4  /* drain write buffer */
121 #endif
122
123         /* ARMv4- don't know bx lr but the assembler fails to see that */
124
125 #ifdef __ARM_ARCH_4__
126         mov     pc, lr
127 #else
128         bx      lr
129 #endif
130
131 ENDPROC(relocate_code)

第81行，将__image_copy_start的值赋值给r1寄存器。由uboot.map文件得知
```
__image_copy_start = 0x17800000
```
第82行，r4寄存器保存重定位前后位置的偏移量。r4 = r0 - r1 = 0x4DF68F50 - 0x17800000 = 0x36768F50。
第83行，跳转relocate_done函数，判断uboot重定位的目的地址是否和uboot源地址是否相等，如果相等的话，表示不需要重定位，跳到relocate_done处，继续运行，如果不相等的话，则是需要进行重定位。
第84行，r2寄存器保存uboot复制结束的地址__image_copy_end。由uboot.map文件得知，__image_copy_end = 0x1787ba9c。
第86-90行，copy_loop区域，执行拷贝，将uboot从低地址重定位到高地址。重定位过程描述为：
- 第一：从r1，也就是__image_copy_start开始，读取uboot代码到r10和r11寄存器，一次就拷贝两个32位的数据，r1自动更新，保存下一个需要拷贝的地址，
- 第二：将r10和r11里面的数据，写到r0保存的地址，也就是uboot重定位的目的地址，r0自动更新。
- 第三：比较r1和r2是否相等，也就是判断uboot代码是否拷贝完成，如果没完成的话，跳转到copy_loop处，继续循环，直到uboot拷贝完成。
第95-110行，重定位.rel.dyn段，.rel.dyn段是存放.text段中需要重定位地址的集合。

补充：

一个可执行的bin文件，它的链接地址和运行地址一定要相等，也就是链接到哪个地址，运行之前就需要拷贝到哪个地址中进行运行，在前面的重定位后，运行地址和链接地址就不一样了，这样在进行寻址就会出问题，对.rel.dyn的定位问题进行修复，就是为了解决该问题。

至此uboot的重定位工作已经完成，将保存在低地址的uboot，自搬移到高地址中执行。

3.1.3 relocate_vectors函数详解

在重定位uboot后，需要调用relocate_vectors函数，来重定位向量表。函数内容为：

ENTRY(relocate_vectors)#ifdef CONFIG_CPU_V7M/** On ARMv7-M we only have to write the new vector address* to VTOR register.*/ldr  r0, [r9, #GD_RELOCADDR] /* r0 = gd->relocaddr */ldr r1, =V7M_SCB_BASEstr   r0, [r1, V7M_SCB_VTOR]
#else
#ifdef CONFIG_HAS_VBAR/** If the ARM processor has the security extensions,* use VBAR to relocate the exception vectors.*/ldr   r0, [r9, #GD_RELOCADDR] /* r0 = gd->relocaddr */mcr     p15, 0, r0, c12, c0, 0  /* Set VBAR */
#else...
#endif
#endifbx    lrENDPROC(relocate_vectors)

在IMX6Q中，定义了CONFIG_HAS_VBAR，因此这个函数只用执行以下语句：

 ldr r0, [r9, #GD_RELOCADDR] /* r0 = gd->relocaddr */mcr     p15, 0, r0, c12, c0, 0  /* Set VBAR */

首先是将gd->relocaddr的值赋给r0，也就是r0里面保存重定位后uboot的首地址，中断向量表也是从这个首地址开始存储的，接下来，使用mcr指令，将r0的值写到CP15的VBAR寄存器中，其实就是将新的中断向量表首地址写到VBAR寄存器中，设置中断向量表偏移。

至此uboot的重定位与中断向量表重定位的工作已经完成。

3.2 board_init_r函数

2.1节对board_init_f函数进行介绍，其作用gd结构体的成员变量，以及对DRAM内存进行规划。而本节board_init_r函数是将一些板子需要的外设进行初始化。

3.2.1 设置board_init_r环境

调用board_init_r函数前，需要设置一些参数，其代码为：

 bl  c_runtime_cpu_setup /* we still call old routine here */
#endif
#if !defined(CONFIG_SPL_BUILD) || CONFIG_IS_ENABLED(FRAMEWORK)#if !defined(CONFIG_SPL_BUILD) || !defined(CONFIG_SPL_EARLY_BSS)CLEAR_BSS
#endif...
#if ! defined(CONFIG_SPL_BUILD)bl coloured_LED_initbl red_led_on
#endif/* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */mov     r0, r9                  /* gd_t */ldr   r1, [r9, #GD_RELOCADDR] /* dest_addr *//* call board_init_r */
#if CONFIG_IS_ENABLED(SYS_THUMB_BUILD)ldr   lr, =board_init_r  /* this is auto-relocated! */bx lr
#elseldr    pc, =board_init_r  /* this is auto-relocated! */
#endif/* we should not return here. */
#endif

首先是调用了函数c_runtime_cpu_setup函数，关闭cache。然后调用CLEAR_BSS清除bss段。接着将gd地址赋值给r0，将gd->relocaddr地址赋值给r1。board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr)函数具有两个参数，第一个参数为gd指针的值，第二个参数为gd->relocaddr。最后跳转到board_init_r函数执行。

3.2.2 board_init_r函数详解

board_init_r函数定义在common/board_r.c文件中。函数的主要内容为：

void board_init_r(gd_t *new_gd, ulong dest_addr)
{...
#ifdef CONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOCint i;
#endif#if !defined(CONFIG_X86) && !defined(CONFIG_ARM) && !defined(CONFIG_ARM64)gd = new_gd;
#endifgd->flags &= ~GD_FLG_LOG_READY;#ifdef CONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOCfor (i = 0; i < ARRAY_SIZE(init_sequence_r); i++)init_sequence_r[i] += gd->reloc_off;
#endifif (initcall_run_list(init_sequence_r))hang();/* NOTREACHED - run_main_loop() does not return */hang();
}

该函数的重点是initcall_run_list(init_sequence_r)，init_sequence_r是一个函数集合的数组，也就是函数初始化序列。其内容为：

641 static init_fnc_t init_sequence_r[] = {  //函数初始化序列
642         initr_trace,
643         initr_reloc,
644         /* TODO: could x86/PPC have this also perhaps? */
645 #ifdef CONFIG_ARM
646         initr_caches,
647         /* Note: For Freescale LS2 SoCs, new MMU table is created in DDR.
648          *       A temporary mapping of IFC high region is since removed,
649          *       so environmental variables in NOR flash is not available
650          *       until board_init() is called below to remap IFC to high
651          *       region.
652          */
653 #endif
654         initr_reloc_global_data,
655 #if defined(CONFIG_SYS_INIT_RAM_LOCK) && defined(CONFIG_E500)
656         initr_unlock_ram_in_cache,
657 #endif
658         initr_barrier,
659         initr_malloc,
660         log_init,
661         initr_bootstage,        /* Needs malloc() but has its own timer */
662 #if defined(CONFIG_CONSOLE_RECORD)
663         console_record_init,
664 #endif
665 #ifdef CONFIG_SYS_NONCACHED_MEMORY
666         noncached_init,
667 #endif
668         initr_of_live,
669 #ifdef CONFIG_DM
670         initr_dm,
671 #endif
672 #ifdef CONFIG_ADDR_MAP
673         initr_addr_map,
674 #endif
675 #if defined(CONFIG_ARM) || defined(CONFIG_NDS32) || defined(CONFIG_RISCV) || \
676         defined(CONFIG_SANDBOX)
677         board_init,     /* Setup chipselects */
678 #endif
679         /*
680          * TODO: printing of the clock inforamtion of the board is now
681          * implemented as part of bdinfo command. Currently only support for
682          * davinci SOC's is added. Remove this check once all the board
683          * implement this.
684          */
685 #ifdef CONFIG_CLOCKS
686         set_cpu_clk_info, /* Setup clock information */
687 #endif
688 #ifdef CONFIG_EFI_LOADER
689         efi_memory_init,
690 #endif
691         initr_binman,
692 #ifdef CONFIG_FSP_VERSION2
693         arch_fsp_init_r,
694 #endif
695         initr_dm_devices,
696         stdio_init_tables,
697         serial_initialize,
698         initr_announce,
699 #if CONFIG_IS_ENABLED(WDT)
700         initr_watchdog,
701 #endif
702         INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
703 #if defined(CONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOC) && defined(CONFIG_BLOCK_CACHE)
704         blkcache_init,
705 #endif
706 #ifdef CONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOC
707         initr_manual_reloc_cmdtable,
708 #endif
709         arch_initr_trap,
710 #if defined(CONFIG_BOARD_EARLY_INIT_R)
711         board_early_init_r,
712 #endif
713         INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
714 #ifdef CONFIG_POST
715         post_output_backlog,
716 #endif
717         INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
718 #if defined(CONFIG_PCI_INIT_R) && defined(CONFIG_SYS_EARLY_PCI_INIT)
719         /*
720          * Do early PCI configuration _before_ the flash gets initialised,
721          * because PCU resources are crucial for flash access on some boards.
722          */
723         pci_init,
724 #endif
725 #ifdef CONFIG_ARCH_EARLY_INIT_R
726         arch_early_init_r,
727 #endif
728         power_init_board,
729 #ifdef CONFIG_MTD_NOR_FLASH
730         initr_flash,
731 #endif
732         INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
733 #if defined(CONFIG_PPC) || defined(CONFIG_M68K) || defined(CONFIG_X86)
734         /* initialize higher level parts of CPU like time base and timers */
735         cpu_init_r,
736 #endif
737 #ifdef CONFIG_CMD_NAND
738         initr_nand,
739 #endif
740 #ifdef CONFIG_CMD_ONENAND
741         initr_onenand,
742 #endif
743 #ifdef CONFIG_MMC
744         initr_mmc,
745 #endif
746 #ifdef CONFIG_XEN
747         xen_init,
748 #endif
749 #ifdef CONFIG_PVBLOCK
750         initr_pvblock,
751 #endif
752         initr_env,
753 #ifdef CONFIG_SYS_BOOTPARAMS_LEN
754         initr_malloc_bootparams,
755 #endif
756         INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
757         cpu_secondary_init_r,
758 #if defined(CONFIG_ID_EEPROM) || defined(CONFIG_SYS_I2C_MAC_OFFSET)
759         mac_read_from_eeprom,
760 #endif
761         INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
762 #if defined(CONFIG_PCI_INIT_R) && !defined(CONFIG_SYS_EARLY_PCI_INIT)
763         /*
764          * Do pci configuration
765          */
766         pci_init,
767 #endif
768         stdio_add_devices,
769         jumptable_init,
770 #ifdef CONFIG_API
771         api_init,
772 #endif
773         console_init_r,         /* fully init console as a device */
774 #ifdef CONFIG_DISPLAY_BOARDINFO_LATE
775         console_announce_r,
776         show_board_info,
777 #endif
778 #ifdef CONFIG_ARCH_MISC_INIT
779         arch_misc_init,         /* miscellaneous arch-dependent init */
780 #endif
781 #ifdef CONFIG_MISC_INIT_R
782         misc_init_r,            /* miscellaneous platform-dependent init */
783 #endif
784         INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
785 #ifdef CONFIG_CMD_KGDB
786         initr_kgdb,
787 #endif
788         interrupt_init,
789 #if defined(CONFIG_MICROBLAZE) || defined(CONFIG_M68K)
790         timer_init,             /* initialize timer */
791 #endif
792 #if defined(CONFIG_LED_STATUS)
793         initr_status_led,
794 #endif
795         /* PPC has a udelay(20) here dating from 2002. Why? */
796 #ifdef CONFIG_CMD_NET
797         initr_ethaddr,
798 #endif
799 #if defined(CONFIG_GPIO_HOG)
800         gpio_hog_probe_all,
801 #endif
802 #ifdef CONFIG_BOARD_LATE_INIT
803         board_late_init,
804 #endif
805 #ifdef CONFIG_FSL_FASTBOOT
806         initr_fastboot_setup,
807 #endif
808 #if defined(CONFIG_SCSI) && !defined(CONFIG_DM_SCSI)
809         INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
810         initr_scsi,
811 #endif
812 #ifdef CONFIG_BITBANGMII
813         bb_miiphy_init,
814 #endif
815 #ifdef CONFIG_PCI_ENDPOINT
816         pci_ep_init,
817 #endif
818 #ifdef CONFIG_CMD_NET
819         INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
820         initr_net,
821 #endif
822 #ifdef CONFIG_POST
823         initr_post,
824 #endif
825 #if defined(CONFIG_IDE) && !defined(CONFIG_BLK)
826         initr_ide,
827 #endif
828 #ifdef CONFIG_LAST_STAGE_INIT
829         INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
830         /*
831          * Some parts can be only initialized if all others (like
832          * Interrupts) are up and running (i.e. the PC-style ISA
833          * keyboard).
834          */
835         last_stage_init,
836 #endif
837 #ifdef CONFIG_CMD_BEDBUG
838         INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
839         bedbug_init,
840 #endif
841 #if defined(CONFIG_PRAM)
842         initr_mem,
843 #endif
844 #ifdef CONFIG_EFI_SETUP_EARLY
845         (init_fnc_t)efi_init_obj_list,
846 #endif
847 #if defined(AVB_RPMB) && !defined(CONFIG_SPL)
848         initr_avbkey,
849 #endif
850 #ifdef CONFIG_IMX_TRUSTY_OS
851         initr_tee_setup,
852 #endif
853 #ifdef CONFIG_FSL_FASTBOOT
854         initr_check_fastboot,
855 #endif
856 #ifdef CONFIG_DUAL_BOOTLOADER
857         initr_check_spl_recovery,
858 #endif
859         run_main_loop,
860 };

第642行，initr_trace，该函数是与初始化和调试跟踪相关的内容。
第643行，initr_reloc，该函数设置了gd->flags成员，标记uboot重定位完成。
第646行，initr_reloc，该函数用于初始化cache，使能cache。
第654行，initr_reloc_global_data，该函数用于初始化重定为后gd的一些成员变量。。

第659行，initr_malloc，该函数用于初始化malloc。

int board_init(void)
{/* address of boot parameters */gd->bd->bi_boot_params = PHYS_SDRAM + 0x100;#if defined(CONFIG_DM_REGULATOR)regulators_enable_boot_on(false);
#endif#ifdef CONFIG_MXC_SPIsetup_spi();
#endif#ifdef CONFIG_SYS_I2Csetup_i2c(1, CONFIG_SYS_I2C_SPEED, 0x7f, &i2c_pad_info1);
#endif#if defined(CONFIG_PCIE_IMX) && !defined(CONFIG_DM_PCI)setup_pcie();
#endif#if defined(CONFIG_MX6DL) && defined(CONFIG_MXC_EPDC)setup_epdc();
#endif#ifdef CONFIG_FEC_MXCsetup_fec();
#endifreturn 0;
}

第696行，stdio_init_tables，该函数用于stdio相关初始化。
第 697行，serial_initialize，该函数初始化串口相关东西。
第738行，initr_nand，该函数用于nand flash初始化，需要时调用。

第744行，initr_mmc，该函数用来初始化和sd/mmc相关的接口，实际调用mmc_initialize函数实现，定义在drivers/mmc/mmc.c文件中，其内容为：

int mmc_initialize(struct bd_info *bis)
{static int initialized = 0;int ret;if (initialized)   /* Avoid initializing mmc multiple times */return 0;initialized = 1;#if !CONFIG_IS_ENABLED(BLK)
#if !CONFIG_IS_ENABLED(MMC_TINY)mmc_list_init();
#endif
#endifret = mmc_probe(bis);if (ret)return ret;#ifndef CONFIG_SPL_BUILDprint_mmc_devices(',');
#endifmmc_do_preinit();return 0;
}

第744行，initr_env，该函数用来初始化环境变量。
第768行，stdio_add_devices，该函数用于初始化各种输入输出设备，例如LCD相关的设备。
第769行，stdio_add_devices，该函数用来初始化跳转表相关的内容。
第78行，interrupt_init，该函数用来初始化中断相关内容。IMX6Q为空，需要时使用。
第797行，interrupt_init，该函数用于初始化网络地址，用于获取网卡的MAC地址。
第803行，board_late_init，该函数用于板级后续的一些外设初始化。
第806行，initr_fastboot_setup，初始化fastboot。
第820行，initr_net，初始化以太网，实际调用eth_initialize函数实现，其定义在net/eth-uclass.c文件。
第859行，run_main_loop，该函数主循环函数，用于处理输入的命令，也就是uboot进入了命令行终端模式，内容为：
```
static int run_main_loop(void)
{#ifdef CONFIG_SANDBOXsandbox_main_loop_init();
#endif/* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again */for (;;)main_loop();return 0;
}
```
函数在无线循环执行main_loop函数，此函数将在下一小节详细介绍。

至此board_init_r函数介绍完，主要是完成一些需要的外设初始化，不同的板子，会进行不同的初始化。

3.2.3 main_loop函数

main_loop函数主要作用是实现目标板与人的交互，其定义在common/main.c文件中，内容为:

 40 void main_loop(void)41 {42         const char *s;43 44         bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_MAIN_LOOP, "main_loop");45 46         if (IS_ENABLED(CONFIG_VERSION_VARIABLE))47                 env_set("ver", version_string);  /* set version variable */48 49         cli_init();50 51         if (IS_ENABLED(CONFIG_USE_PREBOOT))52                 run_preboot_environment_command();53 54         if (IS_ENABLED(CONFIG_UPDATE_TFTP))55                 update_tftp(0UL, NULL, NULL);56 57         if (IS_ENABLED(CONFIG_EFI_CAPSULE_ON_DISK_EARLY))58                 efi_launch_capsules();59 60         s = bootdelay_process();61         if (cli_process_fdt(&s))62                 cli_secure_boot_cmd(s);63 64         autoboot_command(s);65 66         cli_loop();67         panic("No CLI available");68 }

第60行，bootdelay_process，该函数获取bootdelay和bootcmd参数的内容，返回值为环境变量bootcmd的值。

第64行，autoboot_command，该函数的作用是，用于检测u-boot启动过程中的倒计时过程是否结束。倒计时结束之前是否被打断。函数定义在文件common/autoboot.c，其内容为：

void autoboot_command(const char *s)
{debug("### main_loop: bootcmd=\"%s\"\n", s ? s : "<UNDEFINED>");if (s && (stored_bootdelay == -2 ||(stored_bootdelay != -1 && !abortboot(stored_bootdelay)))) {bool lock;int prev;lock = IS_ENABLED(CONFIG_AUTOBOOT_KEYED) &&!IS_ENABLED(CONFIG_AUTOBOOT_KEYED_CTRLC);if (lock)prev = disable_ctrlc(1); /* disable Ctrl-C checking */run_command_list(s, -1, 0);if (lock)disable_ctrlc(prev);    /* restore Ctrl-C checking */}if (IS_ENABLED(CONFIG_USE_AUTOBOOT_MENUKEY) &&menukey == AUTOBOOT_MENUKEY) {s = env_get("menucmd");if (s)run_command_list(s, -1, 0);}
}

如果倒计时正常结束，那么将执行run_command_list，此函数会执行参数s指定的一系列命令，也就是bootcmd中配置中的命令，一般配置为linux内核启动命令，因此linux内核启动。

如果在倒计时结束前按下回车键，run_command_list就不会执行，autoboot_command相当于空函数。

run_command_list函数定义在common/cli.c文件，其内容为：

int run_command_list(const char *cmd, int len, int flag)
{int need_buff = 1;char *buff = (char *)cmd;  /* cast away const */int rcode = 0;if (len == -1) {len = strlen(cmd);
#ifdef CONFIG_HUSH_PARSER/* hush will never change our string */need_buff = 0;
#else/* the built-in parser will change our string if it sees \n */need_buff = strchr(cmd, '\n') != NULL;
#endif}if (need_buff) {buff = malloc(len + 1);if (!buff)return 1;memcpy(buff, cmd, len);buff[len] = '\0';}
#ifdef CONFIG_HUSH_PARSERrcode = parse_string_outer(buff, FLAG_PARSE_SEMICOLON);
#else
#ifdef CONFIG_CMDLINErcode = cli_simple_run_command_list(buff, flag);
#elsercode = board_run_command(buff);
#endif
#endifif (need_buff)free(buff);return rcode;
}

主要工作内容为，调用parse_string_outer函数解析并执行bootcmd中配置中的命令。

第66行，cli_init，该函数是uboot命令行处理函数，输入的各种命令，进行各种操作就是cli_loop函数来处理的，函数处理过程比较复杂，就不单独分析。

至此整个uboot2021启动流程分析完成，下面介绍uboot中的串口模块。