U-Boot代码分析与移植

一．摘要

这篇文章主要对BootLoader（UBoot）的源码进行了分析，并对UBoot的移植略作提及。  BootLoader的总目标是正确调用内核的执行，由于大部分的BoorLoader都依赖于CPU的体系结构。因此大部分的BootLoader都分为两个步骤启动。依赖于CPU体系结构（如设备初始化等）的代码都放在stage1。而stage2一般使用C语言实现，能够实现更加复杂的功能，代码的可移植性也提高。

二．本文提纲

1. 摘要

2. 本文提纲

3. UBoot启动过程

4. Stage1（汇编语言实现）代码分析

5. Stage2（C语言实现）代码分析

6. UBoot移植过程中串口没有显示或者显示乱码的原因

7. 总结

三．UBoot启动过程

UBoot其启动过程主要可以分为两个部分，Stage1和Stage2 。其中Stage1是用汇编语言实现的，主要完成硬件资源的初始化。而Stage2则是用C语言实现。主要完成内核程序的调用。这两个部分的主要执行流程如下：

stage1包含以下步骤：

1. 硬件设备初始化

2. 为加载stage2准备RAM空间

3. 拷贝stage2的代码到RAM空间

4. 设置好堆栈

5. 跳转到stage2的C语言入口点

 

stage2一般包括以下步骤：

1. 初始化本阶段要使用的硬件设备

2. 检测系统内存映射

3. 将kernel映射和根文件系统映射从Flash读到RAM空间中

4. 为内核设置启动参数

5. 调用内核

四. Stage1（汇编语言实现）代码分析

该阶段主要是在cpu/arm920t/start.S文件中执行，这个汇编程序是U-Boot的入口程序，程序的开头就是复位向量的代码，主要的执行流程见下图。

 

U-Boot启动代码流程图

start.S代码分析：

（1）主要实现复位向量，设置异常向量表。

_start: b reset //复位向量 ;;设置异常向量表
       ldr pc, _undefined_instruction
       ldr pc, _software_interrupt
       ldr pc, _prefetch_abort
       ldr pc, _data_abort
       ldr pc, _not_used
       ldr pc, _irq //中断向量
       ldr pc, _fiq //中断向量

（2）复位启动子程序，将CPU设置到SVC模式

/* the actual reset code */
reset: //复位启动子程序
       /* 设置CPU为SVC32模式 */
       mrs r0,cpsr
       bic r0,r0,#0x1f ;;位清除，将某些位的值置0：r0 = r0 AND ( !0x1f)
       orr r0,r0,#0xd3 ;;逻辑或，将r0与立即数进行逻辑或，放在r0中（第一个）
       msr cpsr,r0

 

（3）关闭看门狗

/* 关闭看门狗 */
 /* turn off the watchdog */
#if defined(CONFIG_S3C2400)
# define pWTCON 0x15300000
# define INTMSK 0x14400008 /* Interupt-Controller base addresses */
# define CLKDIVN 0x14800014 /* clock divisor register */
#elif defined(CONFIG_S3C2410)
# define pWTCON 0x53000000
# define INTMSK 0x4A000008 /* Interupt-Controller base addresses */
# define INTSUBMSK 0x4A00001C
# define CLKDIVN 0x4C000014 /* clock divisor register */
#endif

#if defined(CONFIG_S3C2400) || defined(CONFIG_S3C2410)
    ldr r0, =pWTCON
    mov r1, #0x0
    str r1, [r0]

（4）禁止所有中断，设置CPU频率

/* 禁止所有中断和设置CPU频率 */
    /*
     * mask all IRQs by setting all bits in the INTMR - default
     */
    mov r1, #0xffffffff
    ldr r0, =INTMSK
    str r1, [r0]
# if defined(CONFIG_S3C2410)
    ldr r1, =0x3ff
    ldr r0, =INTSUBMSK
    str r1, [r0]
# endif

    /* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 */ ;;FCLK用于CPU，HCLK用于AHB，PCLK用于APB
    /* default FCLK is 120 MHz ! */
    ldr r0, =CLKDIVN ;;根据硬件手册来设置CLKDIVN寄存器
    mov r1, #3 ;;用户手册的推荐值
    str r1, [r0]
#endif /* CONFIG_S3C2400 || CONFIG_S3C2410 */

 

（5）系统重启的时候执行的初始化代码，而不是系统热复位（从RAM中执行）的时候

/*
* we do sys-critical inits only at reboot,
* not when booting from 
*/
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
    bl cpu_init_crit ;;跳转去初始化CPU
#endif
;;#ifdef CONFIG_INIT_CRITICAL 原文中的，估计是1.1.16版本的
;; bl cpu_init_crit
;;#endif

 

（6）CPU和RAM两个关键的初始化子程序

函数一：/* 初始化CPU */

cpu_init_crit:
    /*
     * flush v4 I/D caches 设置CP15
     */
    mov r0, #0
    mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* flush v3/v4 cache */ ;;使I/D cache失效：将寄存器r0的数据传送到协处理器p15的c7中。C7寄存器位对应cp15中的cache控制寄存器
    mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* flush v4 TLB */ ;;使TLB操作寄存器失效：将r0数据送到cp15的c8、c7中。C8对应TLB操作寄存器

    /*
     * disable MMU stuff and caches 禁止MMU和caches
     */
    mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 ;;先把c1和c0寄存器的各位置0(r0 = 0)
    bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS)
    bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM) ;;这里我本来有个疑问：为什么要分开设置。因为arm汇编要求的立即数格式所决定的
    orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 2(??) (A) Align ;;上一条已经设置bit1为0，这一条又设置为1？？
    orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-Cache
    mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 ;;用上面(见下面)设定的r0的值设置c1？？(cache类型寄存器)和c0(control字寄存器)，以下为c0的位定义
;;bit8: 0 = Disable System protection
;;bit9: 0 = Disable ROM protection
;;bit0: 0 = MMU disabled
;;bit1: 0 = Fault checking disabled 禁止纠错
;;bit2: 0 = Data cache disabled
;;bit7: 0 = Little-endian operation
;;bit12: 1 = Instruction cache enabled

    /* 配置内存区控制寄存器 ？？有待分析，是1.1.4版本的
     * before relocating, we have to setup RAM timing
     * because memory timing is board-dependend, you will
     * find a lowlevel_init.S in your board directory.
     */
mov ip, lr
bl lowlevel_init ;;位于board/smdk2410/lowlevel_init.S：用于完成芯片存储器的初始化，执行完成后返回
mov lr, ip
mov pc, lr

 

函数二：/* 把U-Boot重新定位到RAM */

relocate: 
       adr r0, _start /* r0是代码的当前位置 */ ;;adr伪指令，汇编器自动通过当前PC的值算出 如果执行到_start时PC的值，放到r0中：
当此段在flash中执行时r0 = _start = 0；当此段在RAM中执行时_start = _TEXT_BASE(在board/smdk2410/config.mk中指定的值为0x33F80000，即u-boot在把代码拷贝到RAM中去执行的代码段的开始)
       ldr r1, _TEXT_BASE /* 测试判断是从Flash启动，还是RAM */ ;;此句执行的结果r1始终是0x33FF80000，因为此值是又编译器指定的(ads中设置，或-D设置编译器参数)
       cmp r0, r1 /* 比较r0和r1，调试的时候不要执行重定位 */
       beq stack_setup /* 如果r0等于r1，跳过重定位代码 */
       /* 准备重新定位代码 */ ;;以上确定了复位启动代码是在flash中执行的(是系统重启，而不是软复位)，就需要把代码拷贝到RAM中去执行，以下为计算即将拷贝的代码的长度
       ldr r2, _armboot_start ;;前面定义了，就是_start
       ldr r3, _bss_start ;;所谓bss段，就是未被初始化的静态变量存放的地方，这个地址是如何的出来的？根据board/smsk2410/u-boot.lds内容？
       sub r2, r3, r2 /* r2 得到armboot的大小 */
       add r2, r0, r2 /* r2 得到要复制代码的末尾地址 */

（7）重新定位代码，循环拷贝启动的代码到RAM中

copy_loop:
       ldmia {r3-r10} /*从源地址[r0]复制 */ ;;r0指向_start(=0)
       stmia {r3-r10} /* 复制到目的地址[r1] */ ;;r1指向_TEXT_BASE(=0x33F80000)
       cmp r0, r2 /* 复制数据块直到源数据末尾地址[r2] */
       ble copy_loop

（8）初始化堆栈等

stack_setup:
       ldr r0, _TEXT_BASE /* 上面是128 KiB重定位的u-boot */
       sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* 向下是内存分配空间 */    
       sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* 然后是bdinfo结构体地址空间 */
#ifdef CONFIG_USE_IRQ
       sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif        ;;这些宏定义在/include/configs/smdk2410.h中：
#define CFG_MALLOC_LEN    (CFG_ENV_SIZE + 128*1024)        ;;64K+128K=0xC0
#define CFG_ENV_SIZE    0x10000        /* Total Size of Environment Sector 64k*/
#define CONFIG_STACKSIZE    (128*1024)    /* regular stack 128k */
#define CFG_GBL_DATA_SIZE     128    /* size in bytes reserved for initial data */
用0x33F8000 – 0xC0 – 0x80得到_TEXT_BASE向下(低地址)的堆栈指针sp的起点地址
       sub sp, r0, #12 /* 为abort-stack预留3个字 */    ;;得到最终sp指针初始值
clear_bss:
       ldr r0, _bss_start /* 找到bss段起始地址 */
       ldr r1, _bss_end /* bss段末尾地址 */
       mov r2, #0x00000000 /* 清零 */
clbss_l:str r2, [r0] /* bss段地址空间清零循环... */
       add r0, r0, #4
       cmp r0, r1
       bne clbss_l

（9）跳转到start_armboot函数入口，_start_armboot字保存函数的入口指针

       ldr pc, _start_armboot
_start_armboot: .word start_armboot ;;start_armboot函数在lib_arm/board.c中实现

 

五. Stage2（C语言实现）代码分析

这个文件是bootloader的stage2部分，这个文件中的start_armboot函数是U-Boot执行的第一个C语言函数，主要完成系统的初始化工作，然后进入主循环，等待并处理用户输入的命令。

在编译和链接BootLoader这样的程序的时候，不能使用glibc库中的任何支持函数，这就带来了一个问题：从何处跳入Main函数，最直接的想法是直接把Main函数的起始地址作为整个Stage2执行映像的入口。但是这样做有两个缺点：

a: 无法通过Main函数传递参数

b: 无法处理Main函数返回的情况

一种更好的解决方案是利用trampoline（弹簧床）的概念：用汇编写一段trampoline小程序，并将这段trampoline小程序作为Stage2可执行映像的入口点，然后就可以在trampoline小程序中用CPU跳转指令跳入Main函数去执行，当Main函数执行结束以后CPU执行路径显然再次回到trampoline程序。其核心思想就是用这段trampoline程序作为Main函数的外部包裹。

（1）. 初始化本阶段要使用到的硬件设备，一般包括：

a:点亮LED，表示已经进入main函数执行（可选）

b: 至少一个串口，以便和终端用户进行IO信息交换

c: 初始化定时器等

d: 输出一些打印信息，程序名称，版本号等

（2）. 检测系统的内存映射

所谓内存映射就是指在整个 4GB 物理地址空间中有哪些地址范围被分配用来寻址系统的 RAM 单元。比如，在 SA-1100 CPU 中，从 0xC000,0000 开始的 512M 地址空间被用作系统的 RAM 地址空间，而在 Samsung S3C44B0X CPU 中，从 0x0c00,0000 到 0x1000,0000 之间的 64M 地址空间被用作系统的 RAM 地址空间。虽然 CPU 通常预留出一大段足够的地址空间给系统 RAM，但是在搭建具体的嵌入式系统时却不一定会实现 CPU 预留的全部 RAM 地址空间。也就是说，具体的嵌入式系统往往只把 CPU 预留的全部 RAM 地址空间中的一部分映射到 RAM 单元上，而让剩下的那部分预留 RAM 地址空间处于未使用状态。  由于上述这个事实，因此 Boot Loader 的 stage2 必须在它想干点什么 (比如，将存储在 flash 上的内核映像读到 RAM 空间中) 之前检测整个系统的内存映射情况，也即它必须知道 CPU 预留的全部 RAM 地址空间中的哪些被真正映射到 RAM 地址单元，哪些是处于 "unused" 状态的。

（3）. 加载内核映像和根文件系统映像

a：规划内存占用的布局：主要包括基地址和映像大小两个方面。对于内核映像，一般将其拷贝到从(MEM_START＋0x8000) 这个基地址开始的大约 1MB大小的内存范围内(嵌入式 Linux 的内核一般都不操过 1MB)。为什么要把从 MEM_START到MEM_START＋0x 8000 这段 32KB 大小的内存空出 来呢？这是因为 Linux 内核要在这段内存中放置一些全局数据结构，如：启动参数和内核页表等信息。而对于根文件系统映像，则一般将其拷贝到 MEM_START+0x0010,0000 开始的地方。如果用 Ramdisk 作为根文件系统映像，则其解压后的大小一般是 1MB。

b：从Flash中拷贝映像

while(count) {         

    *dest++ = *src++;  /* they are all aligned with word boundary */         

    count -= 4; /* byte number */ 

};

（4）. 设置内核的启动参数

将内核映像拷贝到RAM中之后就可以启动了，但是一般都需要先设定Linux内核的启动参数。Linux2.4以后的内核都以标记列表（tagged list）的形式来传递启动参数。启动参数列表以标记ATAG_CORE开始，以标记ATAG_NONE结束。每个标记由标示被传递参数的tag_header结构以及随后的参数数据结构来组成。数据结构tag和tag_header定义在Linux内核源码的include/asm/setup.h头文件中。在嵌入式Linux系统中，通常需要由BootLoader设定的参数有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD。

比如，设置 ATAG_CORE 的代码如下：  

params = (struct tag *)BOOT_PARAMS;         

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);  

其中，BOOT_PARAMS 表示内核启动参数在内存中的起始基地址，指针 params 是一个 struct tag 类型的指针。宏 tag_next() 将以指向当前标记的指针为参数，计算紧临当前标记的下一个标记的起始地址。注意，内核的根文件系统所在的设备 ID 就是在这里设置的。

（5）. 调用内核

BootLoader调用内核的方法是直接跳转到内核的第一条指令处，即直接跳到MEM_START+0x8000处。在跳转的时候要满足下面的条件：

a: CPU寄存器的设置

R0 = 0;

R1 = 机器类型ID，

b: CPU必须在SVC模式

c: Cache和MMU的设置：

MMU必须关闭

指令Cache可以打开也可以关闭

数据Cache必须关闭

说明：如果用 C 语言，可以像下列示例代码这样来调用内核：  

void (*theKernel)(int zero, int arch, u32 params_addr) = (void  (*)(int, int, 

u32))KERNEL_RAM_BASE; 

…… 

theKernel(0, ARCH_NUMBER, (u32) kernel_params_start);  

 

注意：theKernel()函数调用应该永远不返回的。如果这个调用返回，则说明出错。          

六. UBoot移植过程中串口没有显示或者显示乱码的原因

（1）. boot loader 对串口的初始化设置不正确。 

（2）. 运行在 host 端的终端仿真程序对串口的设置不正确， 这包括：波特率、奇偶校验、数据位和停止位等方面的设置。

关于BootLoader启动时串口能输出，但是启动内核后不能正确显示的原因：

（1）. 内核编译时缺少配置对串口驱动的支持，或配置正确的串口驱动

（2）. BootLoader的串口配置和内核的不一致

（3）. 内核没有正确启动

七．总结

U-Boot，全称 Universal Boot Loader，是遵循GPL条款的开放源码项目。从FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步发展演化而来。其源码目录、编译形式与Linux内核很相似，事实上，不少U-Boot源码就是相应的Linux内核源程序的简化，尤其是一些设备的驱动程序，这从U-Boot源码的注释中能体现这一点。