U-BOOT移植过程详解: SPL_uboot移植 spl

SPL是uboot第一阶段执行的代码. 主要负责搬移uboot第二阶段的代码到内存中运行. SPL是由固化在芯片内部的ROM引导的. 我们知道很多芯片厂商固化的ROM支持从nandflash, SDCARD等外部介质启动. 所谓启动, 就是从这些外部介质中搬移一段固定大小(4K/8K/16K等)的代码到内部RAM中运行. 这里搬移的就是SPL. 在最新版本的uboot中, 可以看到SPL也支持nandflash, SDCARD等多种启动方式.  当SPL本身被搬移到内部RAM中运行时, 它会从nandflash, SDCARD等外部介质中搬移uboot第二阶段的代码到外部内存中.

当我们在uboot下执行make命令的时候, 它最核心的功能是执行Makefile中的all目标编译出相应的文件. 我们来看看这个all目标

all:		$(ALL-y) $(SUBDIR_EXAMPLES)

all依赖于 $(ALL-y) 和 $(SUBDIR_EXAMPLES), 这里我只关注ALL-y, 如下:

# Always append ALL so that arch config.mk's can add custom ones
ALL-y += $(obj)u-boot.srec $(obj)u-boot.bin $(obj)System.map

ALL-$(CONFIG_NAND_U_BOOT) += $(obj)u-boot-nand.bin
ALL-$(CONFIG_ONENAND_U_BOOT) += $(obj)u-boot-onenand.bin
ALL-$(CONFIG_SPL) += $(obj)spl/u-boot-spl.bin
ALL-$(CONFIG_SPL_FRAMEWORK) += $(obj)u-boot.img
ALL-$(CONFIG_TPL) += $(obj)tpl/u-boot-tpl.bin
ALL-$(CONFIG_OF_SEPARATE) += $(obj)u-boot.dtb $(obj)u-boot-dtb.bin
ifneq ($(CONFIG_SPL_TARGET),)
ALL-$(CONFIG_SPL) += $(obj)$(subst ",,$(CONFIG_SPL_TARGET))
endif

# enable combined SPL/u-boot/dtb rules for tegra
ifneq ($(CONFIG_TEGRA),)
ifeq ($(CONFIG_OF_SEPARATE),y)
ALL-y += $(obj)u-boot-dtb-tegra.bin
else
ALL-y += $(obj)u-boot-nodtb-tegra.bin
endif
endif

因为本节是讨论SPL, 所以我们只关注其中的一句 ALL-$(CONFIG_SPL) += $(obj)spl/u-boot-spl.bin

这句话表明

• 必须定义CONFIG_SPL才能编译出spl的bin: 一般在"include/configs/${CONFIG_NAME}.h"中定义
• SPL的bin依赖于u-boot-spl.bin

$(obj)spl/u-boot-spl.bin:	$(SUBDIR_TOOLS) depend
		$(MAKE) -C spl all

这里可以发现, u-boot-spl.bin依赖于 $(SUBDIR_TOOLS) depend

• $(SUBDIR_TOOLS) : 暂不分析
  
• depend: 参考附录中的depend
• 进入spl目录, 执行make all

接下来进入spl目录, 看看它的Makefile : 这里只分析与SPL相关的部分

CONFIG_SPL_BUILD := y
export CONFIG_SPL_BUILD

• export CONFIG_SPL_BUILD: 在接下来的编译中, 这个变量为y. 从后面的分析中可以看到, uboot的stage1, stage2阶段的代码用的是同一个Start.S, 只不过在Start.S中用#ifdef CONFIG_SPL_BUILD这种条件编译来区分. 类似的还有其他一些文件.

HAVE_VENDOR_COMMON_LIB = $(if $(wildcard $(SRCTREE)/board/$(VENDOR)/common/Makefile),y,n)

• [cpp] view plain copy print ?

  1. 如果board/$(VENDOR)/common目录中有Makefile文件，则HAVE_VENDOR_COMMON_LIB为y否则为n  

  如果board/$(VENDOR)/common目录中有Makefile文件，则HAVE_VENDOR_COMMON_LIB为y否则为n
  

u-boot-spl.lds: 它的位置在上文中我们分析了

• 根据u-boot-spl.lds中的规则, 我们知道CPUDIR/start.o被放在了最前面. 它所对应的文件就是arch/arm/cpu/armv7/start.S

start.S

.globl _start
_start: b	reset
	ldr	pc, _undefined_instruction
	ldr	pc, _software_interrupt
	ldr	pc, _prefetch_abort
	ldr	pc, _data_abort
	ldr	pc, _not_used
	ldr	pc, _irq
	ldr	pc, _fiq

• _start是我们在lds里面指定的ENTRY(_start)
• 首先会跳转到reset处
• ldr  pc, _xxx定义的是中断向量表

/*************************************************************************
 *
 * cpu_init_cp15
 *
 * Setup CP15 registers (cache, MMU, TLBs). The I-cache is turned on unless
 * CONFIG_SYS_ICACHE_OFF is defined.
 *
 *************************************************************************/
ENTRY(cpu_init_cp15)
	/*
	 * Invalidate L1 I/D
	 */
	mov	r0, #0			@ set up for MCR
	mcr	p15, 0, r0, c8, c7, 0	@ invalidate TLBs
	mcr	p15, 0, r0, c7, c5, 0	@ invalidate icache
	mcr	p15, 0, r0, c7, c5, 6	@ invalidate BP array
	mcr     p15, 0, r0, c7, c10, 4	@ DSB
	mcr     p15, 0, r0, c7, c5, 4	@ ISB

	/*
	 * disable MMU stuff and caches
	 */
	mrc	p15, 0, r0, c1, c0, 0
	bic	r0, r0, #0x00002000	@ clear bits 13 (--V-)
	bic	r0, r0, #0x00000007	@ clear bits 2:0 (-CAM)
	orr	r0, r0, #0x00000002	@ set bit 1 (--A-) Align
	orr	r0, r0, #0x00000800	@ set bit 11 (Z---) BTB
#ifdef CONFIG_SYS_ICACHE_OFF
	bic	r0, r0, #0x00001000	@ clear bit 12 (I) I-cache
#else
	orr	r0, r0, #0x00001000	@ set bit 12 (I) I-cache
#endif
	mcr	p15, 0, r0, c1, c0, 0

#ifdef CONFIG_ARM_ERRATA_716044
	mrc	p15, 0, r0, c1, c0, 0	@ read system control register
	orr	r0, r0, #1 << 11	@ set bit #11
	mcr	p15, 0, r0, c1, c0, 0	@ write system control register
#endif

#ifdef CONFIG_ARM_ERRATA_742230
	mrc	p15, 0, r0, c15, c0, 1	@ read diagnostic register
	orr	r0, r0, #1 << 4		@ set bit #4
	mcr	p15, 0, r0, c15, c0, 1	@ write diagnostic register
#endif

#ifdef CONFIG_ARM_ERRATA_743622
	mrc	p15, 0, r0, c15, c0, 1	@ read diagnostic register
	orr	r0, r0, #1 << 6		@ set bit #6
	mcr	p15, 0, r0, c15, c0, 1	@ write diagnostic register
#endif

#ifdef CONFIG_ARM_ERRATA_751472
	mrc	p15, 0, r0, c15, c0, 1	@ read diagnostic register
	orr	r0, r0, #1 << 11	@ set bit #11
	mcr	p15, 0, r0, c15, c0, 1	@ write diagnostic register
#endif

	mov	pc, lr			@ back to my caller
ENDPROC(cpu_init_cp15)

cpu_init_crit

#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
/*************************************************************************
 *
 * CPU_init_critical registers
 *
 * setup important registers
 * setup memory timing
 *
 *************************************************************************/
ENTRY(cpu_init_crit)
	/*
	 * Jump to board specific initialization...
	 * The Mask ROM will have already initialized
	 * basic memory. Go here to bump up clock rate and handle
	 * wake up conditions.
	 */
	b	lowlevel_init		@ go setup pll,mux,memory
ENDPROC(cpu_init_crit)
#endif

• b lowlevel_init : 跳转到<arch/arm/cpu/armv7/lowlevel_init.S>中的lowlevel_init

lowlevel_init.S

lowlevel_init

crt0.S

ENTRY(_main)

/*
 * Set up initial C runtime environment and call board_init_f(0).
 */

#if defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK)
	ldr	sp, =(CONFIG_SPL_STACK)
#else
	ldr	sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
#endif
	bic	sp, sp, #7	/* 8-byte alignment for ABI compliance */
	sub	sp, #GD_SIZE	/* allocate one GD above SP */
	bic	sp, sp, #7	/* 8-byte alignment for ABI compliance */
	mov	r9, sp		/* GD is above SP */
	mov	r0, #0
	bl	board_init_f

• 重新对SP赋值, 确认sp是8字对齐
  
• 在栈顶保留一个global_data的大小, 这个global_data是uboot里面的一个全局数据, 很多地方都会用到. 俗称 gd_t
  
• 确认更新后的sp是8字对齐
  
• r9指向global_data, 后面别的地方想用global_data时候, 可以直接从r9里面获取地址.
  
• r0赋值0
  
• bl board_init_f: 跳转到board_init_f. 在编译SPL时, 分析Makefile可以看出, 该函数的实现是在<arch/arm/lib/spl.c>. 
  

arch/arm/lib/spl.c

/*
 * In the context of SPL, board_init_f must ensure that any clocks/etc for
 * DDR are enabled, ensure that the stack pointer is valid, clear the BSS
 * and call board_init_f.  We provide this version by default but mark it
 * as __weak to allow for platforms to do this in their own way if needed.
 */
void __weak board_init_f(ulong dummy)
{
	/* Clear the BSS. */
	memset(__bss_start, 0, __bss_end - __bss_start);

	/* Set global data pointer. */
	gd = &gdata;

	board_init_r(NULL, 0);
}

• __weak: 表明该函数可以被重新定义
• 对BSS段进行清零操作
  
• gd = &gdata;
  
  • gd的定义在DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR <arch/arm/include/asm/global_data.h>
    • #define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR     register volatile gd_t *gd asm ("r9")
      
      • 还记得r9这个寄存器吗, 在上面初始化过了
  • gdata的定义在本文件中: gd_t gdata __attribute__ ((section(".data")));  
    
    • 它是一个 gd_t 也就是global_data类型的变量
    • __attribute__表示这个变量会被放到".data"这个输入段中. 连接器会把输入段按照链接脚本(u-boot-spl.lds)里面指定的规则存放到输出段.
  • 为什么会有这个赋值操作, 不太明白...
• board_init_r : 在编译SPL时, 分析Makefile可以看出, 该函数的实现是在<common/spl/spl.c>
  

common/spl/spl.c

#ifdef CONFIG_SYS_SPL_MALLOC_START
	mem_malloc_init(CONFIG_SYS_SPL_MALLOC_START,
			CONFIG_SYS_SPL_MALLOC_SIZE);
#endif

• 如果定义了：CONFIG_SYS_SPL_MALLOC_START, 则进行memory的malloc池初始化. 以后调用malloc就在这个池子里面分配内存

• s_init: C语言实现此函数, 必须的. 如果是厂商提供的, 一般在arch/arm/cpu/xxx下面. 如果厂商没有提供, 我们可以在BOARDDIR下面实现. 主要完成以下功能
  • 设置CPU的PLL, GPIO管脚复用, memory等
    
• spl_board_init: C语言实现, 可选的.  如果是厂商提供的, 一般在arch/arm/cpu/xxx下面. 如果厂商没有提供, 我们可以在BOARDDIR下面实现. 主要完成的功能自己决定
  
• spl_boot_device: C语言实现, 必须的. 如果是厂商提供的, 一般在arch/arm/cpu/xxx下面. 如果厂商没有提供, 我们可以在BOARDDIR下面实现. 主要完成的功能
  
  • 返回是从什么设备启动的(NAND/SDCARD/Nor ...). 像Atmel, Samsung的芯片, 都是有办法做这个事情的.