uboot之深入理解启动流程

标：用uboot来启动单位设计的ARMv7的处理器。

      问题：如何启动？ 启动流程是什么？

 

      首先，我先来描述一下需要移植uboot的这块板子上使用到的存储器（处理器架构可以暂时先不考虑，后面我会根据arm公司官方提供的ARMv7-A体系结构文档去分析uboot初始化处理器的汇编代码。无论是arm9 arm11 armv7 armv8都是相同的套路，首先需要根据存储器资源，去定制自己的启动流程）。在我手上的这块板子上使用存储器资源：Norflash（16MB）  SRAM（512KB） SDRAM（512MB）。

         看到这里应该想到两个问题：

1. Norflash  SRAM SDRAM 作为存储器它们之间有何异同？

2. 如何通过它们去启动arm处理器？（重要的事情说三遍：先一定要理解启动流程  然后再去看uboot源码  要不然看了也无法理解  嵌入式的代码都是与硬件息息相关  了解硬件结构再去读代码 事半功倍）

 

下面我将对以上问题依次做出解析：

一. Norflash  SRAM  SDRAM 异同

       norflash：norfalsh是非易失存储器（失去电源供电后norflash里存储的数据依然存在），NOR flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地读取其内部的每一个字节（注意是读取！对于flash不是随意可以写入，一般写入NOR flash流程是：解保护->擦除->写入数据。由于flash特性只能从1翻转到0，无法从0翻转到1。擦除过程就是将flash中的某一个扇区全写0xFFFFFFF，再写入数据），代码指令可以直接在norflash上运行。（重要！ 上电后可以读取norfalsh中的数据 写操作无法直接进行 前面我已经说得很清楚了）

       SRAM：静态随机访问存储器（Static Random Access Memory）它是一种类型的半导体存储器。“静态”是指只要不掉电，存储在SRAM中的数据就不会丢失。这一点与动态RAM（DRAM）不同，DRAM需要进行周期性的刷新操作。然后，我们不应将SRAM与只读存储器（ROM）和Flash Memory相混淆，因为SRAM是一种易失性存储器，它只有在电源保持连续供应的情况下才能够保持数据。“随机访问”是指存储器的内容可以以任何顺序访问，而不管前一次访问的是哪一个位置。 （重要！上电后就可以读写SRAM中的数据，无需初始化操作）

       SDRAM：同步动态随机存取存储器（Synchronous Dynamic Random Access Memory）需要不断的刷新，才能保存数据。而且是行列地址复用的，许多都有页模式。（重要！ 需要对ddr控制器进行初始化<配置寄存器>，才能去读写SDRAM中的数据）

最后用表格来归纳总结下：

 

 

存储器	上电后存储器访问状态	掉电后存储器中数据状态
NORFLASH	可以读取数据，无法直接写人	数据存在
SRAM	可以直接读取写入数据	数据不存在
SDRAM	上电后没有初始化DDR控制器          无法进行数据读写	数据不存在

 

 

 

       前面介绍了Norflash  SRAM  SDRAM存储特性，下面就来聊聊他们各自的功能和完成的任务（重要！！Norflash  SRAM  SDRAM在arm处理器启动阶段完成的任务，都是根据他们各自的存储特性来的。如果对于我前面介绍的Norflash  SRAM  SDRAM存储特性还不太理解的同学可以自行百度再深入理解。）

       Norflash特性：掉电非易失（失去电源供电后norflash里存储的数据依然存在），可以直接<读取>数据，无法直接<写入>数据。

        Norflash作为arm处理器程序存储器。可以试想一下，如果程序存储器掉电以后里面的数据没有了。那么你的电脑如何自启动，难道每次开机前都要重新烧写一次代码。在此处可以思考一个问题，在上电后norflash可以看作一个可以随机读取的只读存储器。但是我们运行的程序，一般情况下.text段（代码段）是只读（ok），.rodata（只读数据段）是只读（也ok）。那么问题来了，对于.data段（数据段）和.bss段(未初始化的全局变量和静态变量)在程序运行的过程中变量的值是需要改变的（改变一个变量的值在底层硬件完成操作<在相应的地址（变量在物理地址上存储地址）上写入数据>），很可惜Norflash只能直接读取无法直接进行写操作。（重要！  怎么解决这个问题？  这时就需要SRAM  因为SRAM上电后就可以直接去读写，下面我就解释下SRAM的功能和作用）

 

       SRAM特性：掉电易失（失去电源供电后SRAM里存储的数据不存在了），可以随意<读写>数据。（重要！容量小：512KB  程序运行速度快  价格贵！）。

       在实际运行时，SRAM可以作为c语言运行时的堆栈空间。把arm处理器的sp（堆栈指针寄存器）设置在sram中，为c语言运行提供环境。关于全局变量的问题，我单独提一下，uboot在重定位前（将uboot镜像从flash搬运到ddr中继续运行前），无论是汇编还是c程序中没有定义全局变量。只是定义了一个结构体指针gd_t *gd_ptr用于存储uboot镜像的长度，重定位地址等信息，将gd_ptr的地址存储在r9中，r9中存储的地址值为sram顶端减去一个sizeof（gd_t ）。（存储在sram里就可以随意读写了嘛    后面分析uboot代码时我会详细讲解）

 

       SDRAM特性：掉电易失（失去电源供电后SDRAM里存储的数据不存在了），上电后没有初始化DDR控制器，无法进行数据读写。（重要！容量大：512MB  程序运行速度快  价格自己猜一下<必须价格便宜>）

       既然需要使用大容量的SDRAM，必须配置ddr时钟和ddr控制器的寄存器。这一步在哪完成呢？（思考一下）

       没错就是在norflash和SRAM搭建的程序运行环境中完成。完成什么呢？ 

       1.完成对处理器时钟的初始化 

       2. DDR的初始化  

       3.给gd_t *gd_ptr赋值 （用于存储uboot镜像的长度，重定位地址，重定位偏移量等信息）     

    

       在uboot搬运到DDR中运行前进行最小系统的初始化，之后就将uboot搬运到ddr中进行运行。

       （重要！此时Norfalsh和SRAM的任务就完成了（这俩就没用了），现在uboot就在ddr中运行了）

 

二. arm处理器启动流程分析

        前面讲解了各个存储器在处理器启动阶段的作用，下面就归纳总结一下启动过程。

 

        有时候描述说不清楚，直接上图。下图为手上这块ARM处理器的存储器地址空间（包括各存储器在arm处理器上的地址空间 以及容量大小）

 

        

那么启动流程可以总结为：

       step1.uboot镜像（也就是bin文件 重要！不是elf文件  bin文件 和 elf文件异同 自行百度）存储在norflash中，上电后ARM默认从地址0x00000000处取出第一条指令。当运行C程时，形参和局部变量需要入栈，栈顶设置SRAM的顶端，为C程序提供运行环境。完成对gd_t *gd_ptr赋值（存储uboot镜像的长度，重定位地址等信息）。

 

       step2.在第一阶段会完成arm处理器的时钟和DDR的配置以及对gd_t *gd_ptr赋值（用于存储uboot镜像的长度，重定位地址等信息）。此时SDRAM就可以正常进行数据读写。将uboot镜像复制到SDRAM中（重定位地址由gd_t *gd_ptr提供），根据重定位偏移量得到新的PC指针值，在DDR中继续运行uboot。

 

       这里我想多提一下，uboot在ddr中运行后的地址跟其链接地址不一致（原来norflash中text_base = 0x0  在ddr中运行后text_base = 0x70453670 ），编译器会在链接时确定了其中变量以及函数的绝对地址，链接地址 加载地址 运行地址应该一致的（只是写裸机程序时大多数情况下）。

         （1）如何对函数进行寻址调用（执行函数的过程就是跳转到某个地址上去执行一段代码）

         （2）如何对全局变量进行寻址操作（全局变量的地址变了如何找到进行读写）

         （3）对于全局指针变量中存储的其他变量或函数地址在重定位到DDR中之后如何操作？    

     问题先放在这  后面我会专门写一篇博客   将一个可执行程序静态链接过程  动态链接过程  与uboot重定位过程放在一起比较  感兴趣的可以直接去阅读这篇博客。

 

       step3.在DDR中继续运行的uboot完成对ARM处理器各外围硬件的初始化，如SPI、I2C、网卡等。最终uboot进入main_loop,阻塞等待串口终端输入命令或者去启动内核。始终要清楚一点uboot的主要作用是通过 Flash和Sram初始化时钟和DDR（arm最小系统），最终uboot是需要在ddr中运行进行裸机调试或者去引导操作系统内核启动。

（如何编写uboot命令进行裸机调试 以及uboot如何引导操作系统 后面我会依次介绍）

最后上还是上图<启动流程图>：

 

 

 

      

       上电后arm默认从地址0x00000000处取出第一条指令。SP指向SRAM的顶端，当运行C程序时，形参和局部变量需要入栈，SP依次减4入栈。在这部分运行的程序完成对时钟和ddr的配置（arm最小系统）以及对gd_t *gd_ptr赋值（用于存储uboot镜像的长度，重定位地址，重定位偏移量等信息）。此时ddr已经可以成功进行数据读写，将uboot镜像从flash复制到DDR，根据重定位偏移量获得新的PC位置 继续运行uboot。

 

 

 

 

step3

     uboot已经在ddr中运行了，也就不存在任何硬件上限制了。step3完成对ARM处理器各外围硬件的初始化，如SPI、I2C、网卡等。最终uboot进入main_loop,阻塞等待串口终端输入命令或者去启动内核。

 

 参考--->:

https://www.cnblogs.com/lgslearn/p/14207072.html

 

同时下载好这几个技术文档

 （笔者在学习uboot时阅读的几个文档  可以根据需求去查找阅读  完全没必要重头读到尾）

1.arm公司官方提供的ARMv7-A体系结构文档 

《ARM® Architecture Reference Manual ARM®v7-A and ARM®v7-R 》

（ 官方 品质保证！ 如果觉得英文看着费劲 可以去看  杜春雷  《ARM体系结构与编程》 ）
2.《Uboot中start.S源码的指令级的详尽解析_v1.6.pdf》（好吧  中文滴）

（对理解gnu arm汇编极其有帮助）

3.《ARM指令集快速查询手册.pdf》（中文滴）

（工具手册，快速查找各种arm指令用法）

4.《ARM指令详解[ARM标准].pdf》（还是中文滴）

（arm汇编的一些规范和常用形式，很多例子非常有用：子程序调用、散转、数据块复制等。对写裸机程序很有帮助，同样对理解uboot和内核启动代码有很大帮助）

5.《程序员的自我修养—链接、装载与库.pdf》（全是中文滴）

（里面会介绍ELF文件  程序链接的过程  最重要的部分就是帮助理解uboot的核心重定位！这个真的很重要！！）