(uboot的入口是start鏈接地址0x00000000)
https://m.toutiao.com/is/RSrVyEH/?=ARM上電后都干了哪些事
關(guān)于本文配套的視頻《uboot啟動(dòng)詳解-1》《uboot啟動(dòng)詳解-2》
我們?cè)谇懊娴腶rm系列課程，已經(jīng)講解了arm的架構(gòu)、匯編指令、異常、常用外設(shè)的控制器驅(qū)動(dòng)，那么我們已經(jīng)具備開發(fā)arm系列產(chǎn)品的基本技能。
本篇給大家介紹一款比較常用的bootloader：uboot，通過uboot的介紹以及源代碼的詳細(xì)分析，讓大家把之前所有ARM相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通起來。
U-Boot 是一個(gè)主要用于嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)加載程序，可以支持多種不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括PPC、ARM、AVR32、MIPS、x86、68k、Nios與MicroBlaze。這也是一套在GNU通用公共許可證之下發(fā)布的自由軟件。
U-Boot不僅僅支持嵌入式Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)，它還支持NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS, android嵌入式操作系統(tǒng)。其目前要支持的目標(biāo)操作系統(tǒng)是OpenBSD, NetBSD, FreeBSD,4.4BSD, Linux, SVR4, Esix, Solaris, Irix, SCO, Dell, NCR, VxWorks, LynxOS, pSOS, QNX, RTEMS, ARTOS, android。
U-Boot可支持的主要功能列表：
uboot命令比較多，下面只列舉網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)要用到的命令：
命令 含義 bootdelay 執(zhí)行自動(dòng)啟動(dòng)（bootcmd中的命令）的等候秒數(shù) baudrate 串口控制臺(tái)的波特率 netmask 以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)掩碼 ethaddr 以太網(wǎng)的MAC地址 bootfile 默認(rèn)的下載文件名 printenv 打印Uboot環(huán)境變量 setenv 設(shè)置Uboot環(huán)境變量 ipaddr 本地的IP地址 serverip TFTP服務(wù)器端的IP地址 gateway 以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān) bootcmd 自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行命令 bootargs 傳遞給Linux內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù) bootm 引導(dǎo)啟動(dòng)存儲(chǔ)在內(nèi)存中的程序映像。這些內(nèi)存包括RAM和可以永久保存的Flash。
以下以網(wǎng)絡(luò)下載內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)掛載nfs為例。
ubuntu ip：192.168.6.186
nfs配置：
配置文件如下：
/etc/exports配置信息如下：
nfs
開發(fā)板ip：192.168.6.187
配置命令：
setenv ipaddr 192.168.6.187 ;板子的ipsetenv serverip 192.168.6.186 ;虛擬機(jī)的ipsetenv gatewayip 192.168.1.1 ;網(wǎng)關(guān)saveenv ;保存配置setenv bootcmd tftp 41000000 uImage\;tftp 42000000 exynos4412-fs4412.dtb\;bootm 41000000 - 42000000bootcmd：uboot2啟動(dòng)之后，首先先執(zhí)行找到這個(gè)參數(shù)，執(zhí)行后面的命令。 從tftp服務(wù)器下載內(nèi)核鏡像uImage到地址41000000，設(shè)備樹文件exynos4412-fs4412.dtb到42000000，并通過命令bootm加載啟動(dòng)內(nèi)核。
setenv bootargs root=/dev/nfs nfsroot=192.168.6.186:/rootfs rw console=ttySAC2,115200 init=/linuxrc ip=192.168.6.187掛載nfs文件系統(tǒng)，
要想了解exynos-4412的啟動(dòng)順序，我們首先需要了解該soc的內(nèi)存布局。
通常一款soc的內(nèi)存在廠家設(shè)計(jì)的時(shí)候就已經(jīng)規(guī)定死了，對(duì)于使用者來說，我們無法改變。
我們只關(guān)心和啟動(dòng)相關(guān)的一個(gè)地址，
不同的廠家的啟動(dòng)順序是不太一樣的，本篇主要以三星的exynos-4412 soc為基礎(chǔ)，講解該基于該板子的uboot啟動(dòng)順序。
根據(jù)上圖，系統(tǒng)啟動(dòng)的大概順序：
iROM會(huì)根據(jù)OM 引腳的不同選擇不同的啟動(dòng)設(shè)備，對(duì)應(yīng)的OM寄存器需要提供對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)信息。
如上圖所示：
開發(fā)板從上電到啟動(dòng)內(nèi)核的過程
在三星的SoC中, 啟動(dòng)流程可以分為三個(gè)階段BL0, BL1, BL2, BL3, 三星自己的手冊(cè)對(duì)BL1的解釋也不盡相同, 一種是將在iRAM中運(yùn)行的程序都?xì)w結(jié)為BL1; 一種是將iRAM中三星加密的代碼bl1.bin作為BL1, iRAM中剩余的部分作為BL2, 本文采用后者, 他們的主要分工如下:
可以借助下圖理解這個(gè)流程
img
我們常說的uboot是一個(gè)兩階段bootloader，就是指上述的BL2和BL3. BL2主要做硬件直接相關(guān)的初始化，使用匯編編寫;BL3主要為操作系統(tǒng)的運(yùn)行準(zhǔn)備環(huán)境，主要用C編寫，這里以ARM平臺(tái)為例分析其啟動(dòng)流程。下面是啟動(dòng)過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的主要文件和任務(wù)流程如下
arch/arm/cpu/armv7/start.S \1. 設(shè)置CPU為SVC模式 \2. 關(guān)閉MMU \3. 關(guān)閉Cache \4. 跳轉(zhuǎn)到lowlevel_init.S low_level_init
board/samsung/origen/lowlevel_init.S \5. 初始化時(shí)鐘 \6. 初始化內(nèi)存 \7. 初始化串口 \8. 關(guān)閉看門狗 \9. 跳轉(zhuǎn)到crt0.S _main arch/arm/lib/crt0.S \10. 設(shè)置棧 \11. 初始化C運(yùn)行環(huán)境 \12. 調(diào)用board_init_f() arch/arm/lib/board.c \13. board_init_f對(duì)全局信息GD結(jié)構(gòu)體進(jìn)行填充 arch/arm/lib/crt0.S \14. 代碼重定位------------BL2的最后的工作, 執(zhí)行完就進(jìn)入DRAM執(zhí)行BL2
要想了解uboot整個(gè)項(xiàng)目的代碼流程，必須首先了解鏈接腳本【鏈接腳本參考《7. 從0開始學(xué)ARM-GNU偽指令，lds使用》】。
該文件決定了uboot最終生成的鏡像文件，各個(gè)段的布局。
uboot鏈接腳本如下：
u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/u-boot.lds文件內(nèi)容：
26 OUTPUT_FORMAT('elf32-littlearm', 'elf32-littlearm', 'elf32-littlearm') 27 OUTPUT_ARCH(arm) 28 ENTRY(_start) 29 SECTIONS 30 { 31 . = 0x00000000; 32 33 . = ALIGN(4); 34 .text : 35 { 36 __image_copy_start = .; 37 CPUDIR/start.o (.text*) 38 *(.text*) 39 } 40 41 . = ALIGN(4); 42 .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) } 43 44 . = ALIGN(4); 45 .data : { 46 *(.data*) 47 } 48 49 . = ALIGN(4); 50 51 . = .; 52 53 . = ALIGN(4); 54 .u_boot_list : { 55 #include <u-boot.lst> 56 } 57 58 . = ALIGN(4); 59 60 __image_copy_end = .; 61 62 .rel.dyn : { 63 __rel_dyn_start = .; 64 *(.rel*) 65 __rel_dyn_end = .; 66 } 67 68 .dynsym : { 69 __dynsym_start = .; 70 *(.dynsym) 71 } 72 73 _end = .; 74 75 /* 76 * Deprecated: this MMU section is used by pxa at present but 77 * should not be used by new boards/CPUs. 78 */ 79 . = ALIGN(4096); 80 .mmutable : { 81 *(.mmutable) 82 } 83 84 .bss __rel_dyn_start (OVERLAY) : { 85 __bss_start = .; 86 *(.bss*) 87 . = ALIGN(4); 88 __bss_end__ = .; 89 } 90 91 /DISCARD/ : { *(.dynstr*) } 92 /DISCARD/ : { *(.dynamic*) } 93 /DISCARD/ : { *(.plt*) } 94 /DISCARD/ : { *(.interp*) } 95 /DISCARD/ : { *(.gnu*) } 96 } 97 核心內(nèi)容解釋：
27 OUTPUT_ARCH(arm) : 該鏡像運(yùn)行在arm架構(gòu)的硬件上 28 ENTRY(_start) : 程序的入口是 _start 29 SECTIONS 30 { 31 . = 0x00000000; : 程序的鏈接地址，不是運(yùn)行地址【uboot一定是位置無關(guān)碼】 34 .text : 35 { 36 __image_copy_start = .; : 宏對(duì)應(yīng)整個(gè)程序編譯好后首地址，自搬移代碼的初始位置 37 CPUDIR/start.o (.text*) : 第一個(gè)目標(biāo)文件CPUDIR/start.o中的代碼段 38 *(.text*) : 剩下的目標(biāo)文件的代碼段 39 } 60 __image_copy_end = .; : 自搬移代碼的結(jié)束為止BSS全局未初始化變量、全局初始化為0的變量所在的段：
84 .bss __rel_dyn_start (OVERLAY) : { 85 __bss_start = .; 88 __bss_end__ = .; 89 }代碼只分析到uboot命令行，函數(shù)main_loop()位置。
_start入口位于以下文件：
u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/armv7/start.S第二階段代碼從_main開始:
以上代碼詳細(xì)解釋，請(qǐng)結(jié)合視頻同步學(xué)習(xí)。
鏈接腳本決定了內(nèi)存的布局。
uboot鏈接腳本如下：
u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/u-boot.lds文件內(nèi)容：
28 ENTRY(_start) 29 SECTIONS 30 { 31 . = 0x00000000; 32 uboot的入口是_start 鏈接地址是0x00000000
u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/armv7/start.S搬移代碼如下：
ENTRY(relocate_code) mov r4, r0 /* save addr_sp */ mov r5, r1 /* save addr of gd */ mov r6, r2 /* save addr of destination */ adr r0, _start cmp r0, r6 moveq r9, #0 /* no relocation. relocation offset(r9) = 0 */ beq relocate_done /* skip relocation */ mov r1, r6 /* r1 <- scratch for copy_loop */ ldr r3, _image_copy_end_ofs add r2, r0, r3 /* r2 <- source end address */copy_loop: ldmia r0!, {r9-r10} /* copy from source address [r0] */ stmia r1!, {r9-r10} /* copy to target address [r1] */ cmp r0, r2 /* until source end address [r2] */ blo copy_loop詳情參考第四章，第3節(jié)。
board/samsung/fs4412/lowlevel_init.S代碼如下：
41 lowlevel_init: 54 /* AFTR wakeup reset */ 55 ldr r2, =S5P_CHECK_DIDLE 56 cmp r1, r2 57 beq exit_wakeup 58 59 /* LPA wakeup reset */ 60 ldr r2, =S5P_CHECK_LPA 61 cmp r1, r2 62 beq exit_wakeup 63 64 /* Sleep wakeup reset */ 65 ldr r2, =S5P_CHECK_SLEEP 66 cmp r1, r2 67 beq wakeup_reset 112 wakeup_reset: 113 bl system_clock_init 114 bl mem_ctrl_asm_init 115 bl tzpc_init 116 117 exit_wakeup: 118 /* Load return address and jump to kernel */ 119 ldr r0, =(EXYNOS4_POWER_BASE + INFORM0_OFFSET) 120 121 /* r1 = physical address of exynos4210_cpu_resume function */ 122 ldr r1, [r0] 123 124 /* Jump to kernel*/ 125 mov pc, r1由上可知，當(dāng)手機(jī)因?yàn)楦鞣N原因進(jìn)入休眠時(shí)，會(huì)將當(dāng)前程序執(zhí)行的上下文保護(hù)起來，并向一些pmic的寄存器中寫入指定的數(shù)據(jù)，以表明此次是因?yàn)楹畏N原因進(jìn)入休眠。
而手機(jī)并沒有完全斷電，而是處于一個(gè)低功耗模式下，此時(shí)啟動(dòng)RAM仍然有數(shù)據(jù)，所以在此啟動(dòng)后，只需要從特殊的寄存器中讀取相應(yīng)的值，就可以知道之前是因?yàn)槭裁丛蛐菝撸M(jìn)而回復(fù)休眠之前的上下文即可。
除了要保證uboot代碼是基于地址無關(guān)的，此外.rel.dyn幫我們解決了，其實(shí)主要還是編譯器幫我們做了很多工作。
位置無關(guān)碼參考《15. 從0開始學(xué)ARM-位置無關(guān)碼》
文件：
board/samsung/fs4412/lowlevel_init.S代碼：
lowlevel_init:
85 /* 86 * If U-boot is already running in ram, no need to relocate U-Boot. 87 * Memory controller must be configured before relocating U-Boot 88 * in ram. 89 */ 90 ldr r0, =0x0ffffff /* r0 <- Mask Bits*/ 91 bic r1, pc, r0 /* pc <- current addr of code */ 92 /* r1 <- unmasked bits of pc */ 93 ldr r2, _TEXT_BASE /* r2 <- original base addr in ram */ 94 bic r2, r2, r0 /* r2 <- unmasked bits of r2*/ 95 cmp r1, r2 /* compare r1, r2 */ 96 beq 1f /* r0 == r1 then skip sdram init */原理： RAM地址空間是：0x40000000-0xA0000000 0xA0000000-0x00000000 而iROM/iRAM地址的bit:28-31均是0,所以只需要讀取出執(zhí)行到lowlevel_init時(shí)pc的值，判斷其bit:28-31是否是0即可知道現(xiàn)在代碼是否運(yùn)行在RAM中。
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