从0移植uboot (二) _uboot启动流程分析
经过了上一篇的配置，我们已经执行make就可以编译出一个uboot.bin，但这还不够，首先，此时的uboot并不符合三星芯片对bootloader的格式要求，同时，此时的uboot.bin也没有结合我们的开发板进行配置，还无法使用。而要进行这样的个性化配置，前提条件就是对uboot开机流程和编译系统有所了解，本文主要讨论前者。在三星的SoC中, 启动流程可以分为三个阶段BL0, BL1, BL2, BL3, 三星自己的手册对BL1的解释也不尽相同, 一种是将在iRAM中运行的程序都归结为BL1; 一种是将iRAM中三星加密的代码bl1.bin作为BL1, iRAM中剩余的部分作为BL2, 本文采用后者, 他们的主要分工如下:
- BL0: ARM的起始地址都是0地址, 三星的芯片一般将0地址映射到iROM中, BL0就是指iROM中固化的启动代码, 主要负责加载BL1
- BL1: 三星对于bootloader的加密代码bl1.bin, 要放在外设中uboot.bin的头上, 和一部分uboot.bin一起加载到iRAM中运行.
- BL2: 从(nand/sd/usb)中拷贝的uboot.bin头最大14K到iRAM中代码中除去bl1.bin后剩余的部分, 负责设置CPU为SVC模式, 关闭MMU, 关闭中断, 关闭iCache, 关闭看门狗, 初始化DRAM,初始化时钟, 初始化串口, 设置栈, 校验BL2并将其搬移到DRAM高位地址, 重定位到DRAM中执行BL3
- BL3：是指在代码重定向后在内存中执行的uboot的完整代码, 负责初始化外设，更新向量表, 清BSS, 准备内核启动参数, 加载并运行OS内核
可以借助下图理解这个流程
我们常说的uboot是一个两阶段bootloader，就是指上述的BL2和BL3. BL2主要做硬件直接相关的初始化，使用汇编编写;BL3主要为操作系统的运行准备环境，主要用C编写，这里以ARM平台为例分析其启动流程。下面是启动过程中主要涉及的文件
arch/arm/cpu/armv7/start.S
board/samsung/myboard/lowlevel_init.S
arch/arm/lib/crt0.S
arch/arm/lib/board.c
arch/samsung/myboard/myboard.c
BL2
BL2的主要文件和任务流程如下
arch/arm/cpu/armv7/start.S
1. 设置CPU为SVC模式
2. 关闭MMU
3. 关闭Cache
4. 跳转到lowlevel_init.S low_level_init
board/samsung/origen/lowlevel_init.S
5. 初始化时钟
6. 初始化内存
7. 初始化串口
8. 关闭看门狗
9. 跳转到crt0.S _main
arch/arm/lib/crt0.S
10. 设置栈
11. 初始化C运行环境
12. 调用board_init_f()
arch/arm/lib/board.c
13. board_init_f对全局信息GD结构体进行填充
arch/arm/lib/crt0.S
14. 代码重定位------------BL2的最后的工作, 执行完就进入DRAM执行BL2
start.S
39 .globl _start
40 _start: b reset
41 ldr pc, _undefined_instruction
42 ldr pc, _software_interrupt
43 ldr pc, _prefetch_abort
44 ldr pc, _data_abort
45 ldr pc, _not_used
46 ldr pc, _irq
47 ldr pc, _fiq
--40--> 异常向量表设置
126 reset:
127 bl save_boot_params
131 mrs r0, cpsr
132 bic r0, r0, #0x1f
133 orr r0, r0, #0xd3
134 msr cpsr,r0
--126-->设置CPU为SVC模式
下面这三行代码非常重要，是BL2启动过程的交叉点
154 bl cpu_init_cp15
155 bl cpu_init_crit
158 bl _main
--154-->跳转执行cpu_init_cp15，即初始化CP15协处理器
--155-->跳转执行cpu_init_crit,
--158-->跳转执行_main
287 ENTRY(cpu_init_cp15)
291 mov r0, #0 @ set up for MCR
292 mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 @ invalidate TLBs
293 mcr p15, 0, r0, c7, c5, 0 @ invalidate icache
294 mcr p15, 0, r0, c7, c5, 6 @ invalidate BP array
295 mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ DSB
296 mcr p15, 0, r0, c7, c5, 4 @ ISB
297
301 mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
302 bic r0, r0, #0x00002000 @ clear bits 13 (--V-)
303 bic r0, r0, #0x00000007 @ clear bits 2:0 (-CAM)
304 orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 1 (--A-) Align
305 orr r0, r0, #0x00000800 @ set bit 11 (Z---) BTB
307 bic r0, r0, #0x00001000 @ clear bit 12 (I) I-cache
311 mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
312 mov pc, lr @ back to my caller
313 ENDPROC(cpu_init_cp15)
--291-->关闭Cache
--301-->关闭MMU
324 ENTRY(cpu_init_crit)
331 b lowlevel_init @ go setup pll,mux,memory
332 ENDPROC(cpu_init_crit)
--331-->跳转到lowlevel_init，位于"board/samsung/origen/lowlevel_init.S"，进行板级相关的设置。
lowlevel_init.S
这是位于目录的初始化文件，主要完成特定开发板的初始化工作，包括时钟、内存和串口等。
82 bl system_clock_init
85 bl mem_ctrl_asm_init
87 1:
88 /* for UART */
89 bl uart_asm_init
90 bl tzpc_init
91 pop {pc}
114 system_clock_init:
329 uart_asm_init:
357 tzpc_init:
--82-->初始化系统时钟，即跳转到114行
--85-->初始化系统内存
--89-->初始化UART串口，即跳转到329行
--90-->初始化TrustZoneProtectorController，即跳转到357行
执行完lowlevel_init.S，依据上面那三行代码，执行流程就该回到start.S执行156行跳转到_main
crt0.S
首要任务就是设置栈, 准备C语言运行的环境:
96 _main:
102 #if defined(CONFIG_NAND_SPL)
103 /* deprecated, use instead CONFIG_SPL_BUILD */
104 ldr sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
105 #elif defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK)
106 ldr sp, =(CONFIG_SPL_STACK)
107 #else
108 ldr sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
109 #endif
110 bic sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */
111 sub sp, #GD_SIZE /* allocate one GD above SP */
112 bic sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */
113 mov r8, sp /* GD is above SP */
114 mov r0, #0
115 bl board_init_f
_main
--104-->初始化SP，为C语言做准备
--110-->保存128B放GD结构体来存放全局信息，
--111-->GD的地址放在r8中，
--115-->跳转到board_init_f()，这个整个初始化过程中第一次执行的C代码
board.c
下面这个函数就是uboot初始化过程中执行的第一个C函数，可以看作这个文件的入口函数。其中最重要的就是准备全局信息GD结构体, 内核启动参数就是来自于这个结构体
209 typedef int (init_fnc_t) (void);
243 init_fnc_t *init_sequence[] = {
244 arch_cpu_init, /* basic arch cpu dependent setup */
245 mark_bootstage,
246 #ifdef CONFIG_OF_CONTROL
247 fdtdec_check_fdt,
...
277 void board_init_f(ulong bootflag)
278 {
...
291 gd->mon_len = _bss_end_ofs;
292 #ifdef CONFIG_OF_EMBED
293 /* Get a pointer to the FDT */
294 gd->fdt_blob = _binary_dt_dtb_start;
295 #elif defined CONFIG_OF_SEPARATE
296 /* FDT is at end of image */
297 gd->fdt_blob = (void *)(_end_ofs + _TEXT_BASE);
298 #endif
299 /* Allow the early environment to override the fdt address */
300 gd->fdt_blob = (void *)getenv_ulong("fdtcontroladdr", 16,
301 (uintptr_t)gd->fdt_blob);
302
303 for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
304 if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
305 hang ();
306 }
307 }
...
board_init_f()
--243--> 全局的函数指针数组，每个指针都是int (*ptr)(void)型的。
--291-->mon_len 通过链接脚本可以知道存放的是 uboot 代码大小;
--294-->fdt_blob 存放设备数地址;
--303--遍历函数指针数组init_sequence中的每一个成员，就是将数组中的每一个初始化函数都执行一次，这种写法可以借鉴
crt0.S
函数board_init_f()返回后，继续执行crt0.S中115行之后的部分，主要的工作是执行代码重定位，执行完这些之后，我们找到了最感兴趣的下面这几句
163 /* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */
164 mov r0, r8 /* gd_t */
165 ldr r1, [r8, #GD_RELOCADDR] /* dest_addr */
166 /* call board_init_r */
167 ldr pc, =board_init_r /* this is auto-relocated! */
--167-->跳转到board_init_r函数执行，这次跳出去这个文件的语句就执行完毕了，不会再回来了, 开始执行BL3.
BL3
这一阶段涉及的文件及任务如下
arch/arm/lib/crt0.S
arch/arm/lib/board.c
1. board_init_r()是进入定制板目录的入口
common/main.c
2. main_loop()中关闭中断，执行命令以及加载引导内核
board.c
这也是最后一次跳转到这个文件了，执行额函数如下
519 void board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr)
520 {
521 ulong malloc_start;
522 #if !defined(CONFIG_SYS_NO_FLASH)
523 ulong flash_size;
524 #endif
525
526 gd->flags |= GD_FLG_RELOC; /* tell others: relocation done */
527 bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_START_UBOOT_R, "board_init_r");
528
529 monitor_flash_len = _end_ofs;
530
531 /* Enable caches */
532 enable_caches();
533
534 debug("monitor flash len: %08lX\n", monitor_flash_len);
535 board_init(); /* Setup chipselects */
...
650 /* set up exceptions */
651 interrupt_init();
652 /* enable exceptions */
653 enable_interrupts();
667 eth_initialize(gd->bd);
...
701 /* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again. */
702 for (;;) {
703 main_loop();
704 }
705
board_init_r()
--532-->很多紧急工作都做完了，可以打开cache了
--535-->关键!!!这个就是我们苦苦寻找的板级定制文件的xxx.c的入口函数！！！
--651-->中断初始化
--653-->使能中断
--667-->网卡初始化，函数的实现在net/eth.c，会回调板级xxx.c中的board_eth_init()
--703-->**执行main_loop()，实现在common/main.c，它的主要功能就是循环检测输入的命令并执行，其中一个环境变量bootdelay(自启动)的设置决定了是否启动内核，如果延时大于等于零,并且没有在延时过程中接收到按键,则引导内核
main.c
这个文件就是main_loop()所在的文件, 不论是启动内核, 打印信息还是输入命令, 都在这个函数中执行, 我们这里主要关心这个函数是如何启动内核的, 函数的调用关系如下:
main_loop()
├──getenv
│ └──getenv_f
│ ├──env_get_char
│ └──envmatch
└──run_command_list
└──builtin_run_command_list
└──builtin_run_command
├──process_macros
├──parse_line
└──cmd_process
├──find_cmd
├──cmd_call
│ └──cmdtp->cmd//找到命令do_bootm
│ └──bootm_start
│ └──boot_start_lmb
│ └──arch_lmb_reserve(struct lmb *lmb)
│ └──cleanup_before_linux
│ └──disable_interrupts //关闭中断
└──cmd_usage
└──bootm_load_os
上面就是uboot启动Linux前大体上做的最后的工作流程, uboot做了这么多, 其实都是为了能引导OS内核,针对ARM Linux, 它对启动前的环境要求在内核文档"/Documentation/kernel-parameters.txt"和"Documentation/arm/Booting"" 有叙述,其中就可以解释uboot为什么做了上面这些工作. 文档中对于在ARM平台中启动Linux内核, 作了如下6条要求, 我们逐条解释:
Setup and initialise the RAM.
这里的RAM指的是DRAM, 因为Linux内核需要在DRAM中运行, 而DRAM必须初始化, 这部分工作在BL2中完成了.
Initialise one serial port.
初始化一个串口, bootloader应该初始化一个串口, 这样内核串口驱动才可以自动探测到给控制台用的串口是哪个
bootloader可以在taglist中使用console=来指定一个串口, 这部分工作在BL2中也做了
Detect the machine type.
探测板子类型, Linux内核需要知道自己运行的板子类型, 这部分工作也交给bootloader来完成, bootloader通过一些方式获得了板子的类型后, 按照内核源码的"arch/arm/tools/mach-types"中的描述, 将板子的type编号存储在r1寄存器
Setup the kernel tagged list.
建立tag列表, 也就是内核参数, 在内核源码和uboot源码中都使用一个struct tag来描述. 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：
- 有效的tagged list 必须以ATAG_CORE开始并且以ATAG_NONE结束, 空的ATAG_CORE的size域是0x00000002, ATAG_NONE的size域是0。
- list中可以放置任意数目的tag, 名称相同的tag的后果未定义, 最终的取值可能是之前的, 也可能是之后的
- bootloader至少要将系统内存的位置， 内存的大小以及根文件系统的位置传递给内核
- taggedlist放置的位置不能和内核自解压区域或initrd的bootp程序相冲突, 防止被重写, 建议的地址是RAM的头16KB
- bootloader必须把dtb放置在64bit对齐的已经初始化过的内存中, dtb的格式在"Documentation/devicetree/booting-without-of.txt"中, 其中定义了设备树的大小
struct boot_param_header {
__be32 magic; //设备树魔数，固定为0xd00dfeed
__be32 totalsize; //整个设备树的大小
__be32 off_dt_struct; //保存结构块在整个设备树中的偏移
__be32 off_dt_strings; //保存的字符串块在设备树中的偏移
__be32 off_mem_rsvmap; //保留内存区，该区保留了不能被内核动态分配的内存空间
__be32 version; //设备树版本
__be32 last_comp_version; //向下兼容版本号
__be32 boot_cpuid_phys; //为在多核处理器中用于启动的主cpu的物理id
__be32 dt_strings_size; //字符串块大小
__be32 dt_struct_size; //结构块大小
};
在内核关于启动参数的约定中， 它认为r2中的地址可能是设备树的地址， 也可能是tagged list的地址， 所以， 拿到这个地址后，内核首要的工作就是判断到底是什么，判断的依据就是判断其第一个32bit上存储的到底是设备树魔数0xd00dfeed还是ATAGS_CORE。参见内核"arch/arm/kernel/head-common.h"， 这里我有一个疑问， 既然r2可能会存放dtb的地址， 那此时内核是如何找到tagged list的呢？？？。实际开发中一般都是将tagged list的地址放到r2中。内核推荐将dtb放置在RAM开始的128MB处
Load initramfs.
加载ramfs，ramfs推荐正好放在设备树上面
Calling the kernel image
启动内核镜像，如果使用的flash中的zImage，bootloader可以直接将zImage加载到内存并执行，Linux内核对非zImage内核镜像的地址有更严格的要求————镜像必须加载到PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET处。PAGE_OFFSET定义了虚拟地址空间中内核空间的起始地址，32bit系统中就是3GB处。TEXT_OFFSET表示内核空间中开始的用来保存内核的页表（也就是进程0的PGD）、bootload和kernel传递参数的一块空间的大小，对于arm，TEXT_OFFSET是32kB，由于内核空间的前896MB(3GB~3GB+896MB)是一一映射的，所以将内核加载到物理地址0x4000 0000其实就是加载到虚拟地址空间的3GB处，考虑到上述的32KB用来保存页表、内核参数等，我们需要将内核解压到0x40008000处运行，即虚拟地址的(3GB+32KB)，如果使用uImage，这个参数在制作uImage的时候被写入到了文件头中。我们在uboot的启动参数通常不指定加载到这个地址，因为内核自解压之后会自搬移到0x40008000处开始执行，如果我们指定的就是这个地址，那么内核首先会自搬移到别处，解压之后再搬回来执行，防止解压过程中将未解压的部分覆盖造成错误。
无论是哪种启动方式，内核启动的时候都必须满足下面的条件:
- r0=0;r1=板子类型号;r2=内核中tagged list或设备树地址
- 所有的IRQ FIQ必须关闭
- 必须是ARM状态, SVC模式
- MMU必须关闭
- iCache可以关闭也可以不管
- dCache必须关闭
- DMA设备必须关闭
我们已经分析了整个Uboot的启动框架，在细节上，Uboot必须完成上面这些工作以满足Linux的启动要求。
