uboot启动流程

时间：2021-12-08 作者：yoshinb

1. 链接脚本u-域名

指定链接的首地址在哪里，哪一行代码是第一行。所以需要先编译。

打开该源码，可知u-boot的入口地址是_start;
可以搜索_start. 在文件 arch/arm/lib/vectors.S 中有定义:

如代码中定义的，这里面包含复位和中断向量表的起始地址；
继续回到u-域名：

.text是代码段，中间有个__image_copy_start，可以通过全局搜索在

可以看到，是0x87800000，.vectors也存在这里，它是中断向量表，和裸机中断时一样的；
继续回到u-域名：

对应的map为（复位和初始化CPU，就类似裸机开发必须要存放的两个，剩下的代码段就可以随意存放了）：

继续回到u-域名：

镜像拷贝结束，它和image_copy_start是成对的，因为需要重定位，所以要拷贝copy,搜索一下它的位置：

由图中可以看到它的镜像结束地址，不同的编译可能最后的低吗段结束不一样，这样就得到代码的大小了，差不多300多kb
继续回到u-域名：

rel_dyn_start在map中的地址为：

（end就不找了），差不多30多k
__end段

再找找bss段

自此，我们每个段的地址都找到了，不同编译产生的地址是不一样的，除了开始的87800000

2. u-boot启动流程

刚才说到了，入口地址是_start，所以汇编从这里分析：

2.1 reset函数

上一张图是vector.S主要定义了一些中断向量表，我们找rest函数，是在start.s

由图中可以看到，reset是跳转函数，不用往下搜索了，跳着跳着还是回到下面的函数里了：

注：HYP模式是超级监视者模式，比超级管理员模式第一点，主要用来做一些虚拟化扩展
继续往下看：

如果没有定义这两个变量，就执行下面语句，#if后面都是注释的颜色，那肯定没有定义

这个寄存器如图所示：

综上所述：就是设置偏移为0，重定位向量表，再把中断向量表迁移到87800000

接下来有两个函数，一个看名字就知道是初始化cp15，比如关闭MMU啥的，这些都比较固定，就不分析了,
一个是cpu_init_crit，最后一个是main
cpu_init_crit是跳到lowlevel_init

2.2 lowlevel_init函数

函数 lowlevel_init 在文件 arch/arm/cpu/armv7/lowlevel_init.S 中定义

GENERATED_GBL_DATA_SIZE 256

总结：这个函数就是设置sp指针和R9寄存器，保存栈指针
接下来我们来看s_init

2.3 s_init函数

我们知道 lowlevel_init 函数后面会调用 s_init 函数，s_init 函数定义在文件arch/arm/cpu/armv7/mx6/soc.c

由图可知，相当于空函数

2.4 __main函数

上面分析可知，该进入main函数了_main 函数定义在文件 arch/arm/lib/crt0.S 中

我们再看board_init_f_alloc_reserve这个函数，此函数定义在文件common/init/board_init.c 中

gd_t 是个结构体，在 include/asm-generic/global_data.h 里面有定义,gd_t里面还有一个bd_t也是非常重要的函数
我们再回到89行crt0.S，board_init_f_init_reserve函数，

此时和上面对起来了

我们再回到crt0.S,

这里借助bd计算出新的gd位置，然后将其保存在r9里面，bd可以直接获得，而gd紧挨着bd，所以减去gd大小就是gd的新地址
这里面有个问题，就是bd的大小可以直接获得

接下来可以重定位代码
在整个ddr中，从87800000开始，是uboot的代码，要将这部分代码移植到高地址，也就是最下面，这样把其他的代码考到87800000上就还是会运行，因为uboot去高地址了
here函数中：
重定位中断向量表；
调用函数 c_runtime_cpu_setup，此函数定义在文件 arch/arm/cpu/armv7/start.S

关闭ICache和DCache

这段代码清除bss段

由图可知，board_init_r函数要传递两个参数r0，r1

2.5 board_init_f函数

初始化一系列外设，比如串口、定时器，或者打印一些消息等。
初始化 gd 的各个成员变量，uboot 会将自己重定位到 DRAM 最后面的地址区域，也就是将自己拷贝到 DRAM 最后面的内存区域中。这么做的目的是给 Linux 腾出空间，防止 Linux kernel 覆盖掉 uboot，将 DRAM 前面的区域完整的空出来。在拷贝之前肯定要给 uboot 各部分分配好内存位置和大小，比如 gd 应该存放到哪个位置，malloc 内存池应该存放到哪个位置等等。这些信息都保存在 gd 的成员变量中，因此要对 gd 的这些成员变量做初始化。最终形成一个完整的内存“分配图”，在后面重定位 uboot 的时候就会用到这个内存“分配图”。

再看一下init_sequence_f
整理一下

/*****************去掉条件编译语句后的 init_sequence_f***************/
static init_fnc_t init_sequence_f[] = { 
	setup_mon_len,  //__bss_end-_start是整个代码的长度, 镜像大小，大约600-700k，也是要拷贝的的代码大小
	initf_malloc, // 里面设置了malloc大小0x400
	initf_console_record, //因为uboot没有定义，返回0
	arch_cpu_init, //初始化架构有关的工作，CPU级别
	initf_dm,  // 驱动初始化
	arch_cpu_init_dm,  //该函数未实现
	mark_bootstage, /* need timer, go after init dm */ 
	board_early_init_f,  //板子一些早期初始化配置，初始化串口IO等
	timer_init, /* initialize timer */ 
	board_postclk_init,  //设置vddsoc电压
	get_clocks, //获取时钟，对于域名获取SD卡外设时钟
	env_init, /* initialize environment */ 
	init_baud_rate, /* initialze baudrate settings */ 
	serial_init, /* serial communications setup */ 
	console_init_f, /*设置 gd->have_console 为 1，打开控制台，初始化之前是把环境放在缓冲区里，这个为1时正好打印 */ 
	display_options, /* 通过串口输出一些信息 */ 
	// 需要开启debug，在configs/mx6ull_evk里面define
	display_text_info, /* ，打印一些文本信息，如果开启 UBOOT 的 DEBUG 功能的话就
会输出 text_base、bss_start、bss_end */ 
	print_cpuinfo, /* CPU信息 */ 
	show_board_info,  // 打印板子信息
	INIT_FUNC_WATCHDOG_INIT //初始化看门狗
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET //复位看门狗
	init_func_i2c,  //初始化i2c
	announce_dram_init,  //输出字符串“DRAM”
	/* TODO: unify all these dram functions? */
	dram_init, /* 并不是初始化DRAM只是设置这个值为512M ，是通过读取SD卡的配置信息初始化dram*/ 
	post_init_f, //用来完成测试 
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
	testdram, //测试ddr，空函数
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
	/*
	* Now that we have DRAM mapped and working, we can
	* relocate the code and continue running from DRAM.
	*
	* Reserve memory at end of RAM for (top down in that order):
	* - area that won\'t get touched by U-Boot and Linux (optional)
	* - kernel log buffer
	* - protected RAM
	* - LCD framebuffer
	* - monitor code
	* - board info struct
	*/
	setup_dest_addr, //设置gd->ram_size，gd->ram_top，gd->relocaddr这三个的值
	//gd->ram_size = 0X20000000 //ram 大小为 0X20000000=512MB
	//gd->ram_top = 0XA0000000//ram最高地址为 0X80000000+0X20000000=0XA0000000
	//gd->relocaddr = 0XA0000000 //重定位后最高地址为 0XA0000000，拷贝的地址 
	reserve_round_4k, //gd->relocaddr四字节对齐，本来就4k对齐，所以不需要了
	reserve_mmu, //留出mmu区域(内存映射单元)，0x4000,所以要减去
	//gd->域名size= 0X4000 //MMU 的 TLB 表大小
	//gd->域名addr=0X9FFF0000 //MMU 的 TLB 表起始地址，64KB 对齐以后
	//gd->relocaddr=0X9FFF0000 //relocaddr 地址
	reserve_trace, //留出调试跟踪的内存，没有用到
	reserve_uboot, //reserve_uboot， 留出重定位后的 uboot 所占用的内存区域，uboot 所占用大小由gd->mon_len 所指定，留出 uboot 的空间以后还要对 gd->relocaddr 做 4K 字节对齐，并且重新设置 gd->start_addr_sp
	//gd->mon_len = 0XA8EF4
	//gd->start_addr_sp = 0X9FF47000
	//gd->relocaddr = 0X9FF47000, 从这开始定死了，把8780000的代码拷贝到这里，拷贝大小为0xA8EF4，此时定义的是relocaddr，接下来变化的就是start_addr_sp
	
	reserve_malloc, //留出 malloc 区域，调整 gd->start_addr_sp 位置，malloc 区域由宏TOTAL_MALLOC_LEN 定义
	//TOTAL_MALLOC_LEN=0X1002000
	//gd->start_addr_sp=0X9EF45000 //0X9FF47000-16MB-8KB=0X9EF45000
	reserve_board, //留出板子 bd 所占的内存区，bd 是结构体 bd_t，bd_t 大小为80 字节
	//gd->start_addr_sp=0X9EF44FB0
	//gd->bd=0X9EF44FB0
	setup_machine, //setup_machine，设置机器 ID，linux 启动的时候会和这个机器 ID 匹配，如果匹配的话 linux 就会启动正常。但是！！域名LL 不用这种方式了，这是以前老版本的 uboot 和linux 使用的，新版本使用设备树了，因此此函数无效。
	reserve_global_data,// 保留出 gd_t 的内存区域，gd_t 结构体大小为 248B
	//gd->start_addr_sp=0X9EF44EB8 //0X9EF44FB0-248=0X9EF44EB8
	//gd->new_gd=0X9EF44EB8
	reserve_fdt, //留出设备树相关的内存区域，域名LL 的 uboot 没有用到
	reserve_arch, //空函数
	reserve_stacks,//留出栈空间，先对 gd->start_addr_sp 减去 16，然后做 16 字节对其。如果使能 IRQ 的话还要留出 IRQ 相应的内存,在本 uboot 中并没有使用到 IRQ
	//gd->start_addr_sp=0X9EF44E90
	setup_dram_config, //函数设置 dram 信息，就是设置 gd->bd->bi_dram[0].start 和gd->bd->bi_dram[0].size，后面会传递给 linux 内核，告诉 linux DRAM 的起始地址和大小
	show_dram_config, //显示dram信息
	display_new_sp, //显示新的 sp 位置，也就是 gd->start_addr_sp，不过要定义宏 DEBUG
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET//
	reloc_fdt, //函数用于重定位 fdt，没有用到
	setup_reloc, //设置 gd 的其他一些成员变量，供后面重定位的时候使用，并且将以前的 gd（R9） 拷贝到 gd->new_gd 处。需要使能 DEBUG 才能看到相应的信息输出，这里是在new——gd里有，r9此时还是内部ram里面的地址呢
	NULL,
};

最后的内存分布图：

2.6 relocate_code函数

目前分析的uboot代码还没有拷贝到gd->relocaddr中，这个函数是拷贝用的
调用这个函数之前，参数r0=0x9ff47000

此函数定义在文件 arch/arm/lib/relocate.S 中

这里面有一个问题：
我原来的函数的地址（没拷贝之前）在那，有另一个函数会调用它，但是你把它拷贝走了再调用，就没了，全局变量引用也会出问题。uboot对于这个处理方法，就是位置无关方法，借助.域名段

如上图可知：
borad_init 调用 rel_test 函数，用到了 bl 指令，而 bl 指令时位置无关指令，bl 指令是相对寻址的(pc+offset)，因此 uboot 中函数调用是与绝对位置无关的。
再来看一下函数 rel_test 对于全局变量 rel_a 的调用，第 2 行设置 r3 的值为 pc+12 地址处的值，因为ARM流水线的原因，pc寄存器的值为当前地址+8，因此pc = 0X87804184 + 8 = 0X8780418C， r3=0X8780418C+12=0X87804198，第 7 行就是0X87804198 这个地址，0X87804198 处的值为0X8785DA50。根据第 17 行可知，0X8785DA50 正是变量 rel_a 的地址，最终 r3=0X8785DA50。

并没有直接读取变量的地址，而是借助了另一个地址，间接读取，+8+12偏移地址，也就是说这个过程也没有用到绝对地址；
继续往下：

这个段的作用是，给需要偏移的加上label，判断是label之后就要偏移了

2.7 relocate_vectors函数

中断向量表偏移

第 29 行，如果定义了 CONFIG_CPU_V7M 的话就执行第 30~36 行的代码，这是 Cortex-M内核单片机执行的语句，因此对于域名LL 来说是无效的。
第 38 行，如果定义了 CONFIG_HAS_VBAR 的话就执行此语句，这个是向量表偏移，CortexA7是支持向量表偏移的。而且，在.config 里面定义了 CONFIG_HAS_VBAR，因此会执行这个分支。
第 43 行，r0=gd->relocaddr，也就是重定位后 uboot 的首地址，向量表肯定是从这个地址开始存放的。
第 44 行，将 r0 的值写入到 CP15 的 VBAR 寄存器中，也就是将新的向量表首地址写入到寄存器 VBAR 中，设置向量表偏移。

2.8 board_init_r函数

第 32.2.5 小节讲解了 board_init_f 函数，在此函数里面会调用一系列的函数来初始化一些外设和 gd 的成员变量。但是 board_init_f 并没有初始化所有的外设，还需要做一些后续工作，这些后续工作就是由函数 board_init_r 来完成的，board_init_r 函数定义在文件common/board_r.c

init_fnc_t init_sequence_r[] = {
	initr_trace, //如果定义了宏 CONFIG_TRACE 的话就会调用函数 trace_init，初始化和调试跟踪有关的内容
	initr_reloc, // 标记重定位完成
	initr_caches, // 初始化cache，并使能cache
	initr_reloc_global_data, // 初始化重定位后的gd相关成员变量
	initr_barrier, // 域名没用到
	initr_malloc, // 初始化malloc区域
	initr_console_record, // 初始化控制台的，也没用到
	bootstage_relocate, // 启动状态重定位
	initr_bootstage, // 初始化启动状态
	board_init, /* Setup chipselects */ //板级初始化，包括 74XX 芯片，I2C、FEC、USB 和 QSPI 等。这里执行的是 mx6ull_alientek_emmc.c 文件中的 board_init 函数
	stdio_init_tables, //stdio相关初始化
	initr_serial, //初始化串口
	initr_announce, // 与调试有关，通知已在ram运行
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET// 看门狗
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET//
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET//
	power_init_board, // 初始化电源，没有用到
	initr_flash, // flash初始化，如果有宏定义了才要初始化，没有定义就不需要了
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET//
	initr_nand, // 初始化nand
	initr_mmc, // 初始化emmc
	initr_env, // 初始化环境
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET//
	initr_secondary_cpu, // 初始化其他cpu，单核不需要
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET// 
	stdio_add_devices, // 输入输出设备初始化，如lcd
	initr_jumptable, // 初始化跳表
	console_init_r, /* fully init console as a device *///控 制 台 初 始 化 ， 初 始 化 完 成 以 后 此 函 数 会 调 用stdio_print_current_devices 函数来打印出当前的控制台设备
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET //
	interrupt_init, // 初始化中断
	initr_enable_interrupts, // 使能中断
	initr_ethaddr, // 初始化网络MAC
	board_late_init, //board_late_init 函数，板子后续初始化，此函数定义在文件 mx6ull_alientek_emmc.c中，如果环境变量存储在 EMMC 或者 SD 卡中的话此函数会调用 board_late_mmc_env_init 函数初始化 EMMC/SD
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET //
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET//
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET//
	initr_net, // 初始化网络设备
	INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET//
	run_main_loop, //  主循环，处理命令
};

2.9 run_main_loop函数

uboot 启动以后会进入 3 秒倒计时，如果在 3 秒倒计时结束之前按下按下回车键，那么就会进入 uboot 的命令模式，如果倒计时结束以后都没有按下回车键，那么就会自动启动 Linux 内核，这个功能就是由run_main_loop函数来完成的。run_main_loop函数定义在文件common/board_r.c 中

域名 cli_loop函数

域名 cmd_process函数

在学习cmd_process 之前先看一下uboot中命令是如何定义的。uboot使用宏U_BOOT_CMD来定义命令，宏 U_BOOT_CMD 定义在文件 include/command.h 中

当我们在 uboot 的命令行中输入“dhcp”这个命令的时候，最终执行的是 do_dhcp 这个函数。总结一下，uboot 中使用 U_BOOT_CMD 来定义一个命令，最终的目的就是为了定义一个cmd_tbl_t 类型的变量，并初始化这个变量的各个成员。uboot 中的每个命令都存在.u_boot_list段中，每个命令都有一个名为 do_xxx(xxx 为具体的命令名)的函数，这个do_xxx 函数就是具体的命令处理函数。

3. u-boot启动linux内核函数过程

3.1 images全局变量

typedef struct bootm_headers {
	/*
	* Legacy os image header, if it is a multi component image
	* then boot_get_ramdisk() and get_fdt() will attempt to get
	* data from second and third component accordingly.
	*/
	image_header_t *legacy_hdr_os; /* image header pointer */
	image_header_t legacy_hdr_os_copy; /* header copy */
	ulong legacy_hdr_valid;
	......
	#ifndef USE_HOSTCC
	image_info_t os; /* OS 镜像信息 */
	ulong ep; /* OS 入口点 */

	ulong rd_start, rd_end; /* ramdisk 开始和结束位置 */

	char *ft_addr; /* 设备树地址 */
	ulong ft_len; /* 设备树长度 */

	ulong initrd_start; /* initrd 开始位置 */ 
	ulong initrd_end; /* initrd 结束位置 */
	ulong cmdline_start; /* cmdline 开始位置 */
	ulong cmdline_end; /* cmdline 结束位置 */
	bd_t *kbd;
	#endif

	int verify; /* getenv("verify")[0] != \'n\' */

	#define BOOTM_STATE_START (0x00000001)
	#define BOOTM_STATE_FINDOS (0x00000002)
	#define BOOTM_STATE_FINDOTHER (0x00000004)
	#define BOOTM_STATE_LOADOS (0x00000008)
	#define BOOTM_STATE_RAMDISK (0x00000010)
	#define BOOTM_STATE_FDT (0x00000020)
	#define BOOTM_STATE_OS_CMDLINE (0x00000040)
	#define BOOTM_STATE_OS_BD_T (0x00000080)
	#define BOOTM_STATE_OS_PREP (0x00000100)
	#define BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO (0x00000200)/*\'Almost\' run the OS*/
	#define BOOTM_STATE_OS_GO (0x00000400)
	int state;

	#ifdef CONFIG_LMB
	struct lmb lmb; /* 内存管理相关，不深入研究 */
	#endif
} bootm_headers_t;

3.2 do_bootz函数

bootz 命令的执行函数为 do_bootz，在文件 cmd/bootm.c

3.3 bootz_start函数

先看看bootz_setup:

bootm_find_images:

3.4 do_bootm_states函数

do_bootz最后调用的就是函数do_bootm_states，而且在bootz_start中也调用了do_bootm_states函数，看来do_bootm_states函数还是个香饽饽。此函数定义在文件common/bootm.c 中

3.5 bootm_os_get_boot_func函数

do_bootm_states 会调用 bootm_os_get_boot_func 来查找对应系统的启动函数

3.6 do_bootm_linux函数

经过前面的分析，我们知道了 do_bootm_linux 就是最终启动 Linux 内核的函数，此函数定义在文件 arch/arm/lib/bootm.c

第 293 行，变量 machid 保存机器 ID，如果不使用设备树的话这个机器 ID 会被传递给Linux内核，Linux 内核会在自己的机器 ID 列表里面查找是否存在与 uboot 传递进来的machid 匹配的项目，如果存在就说明 Linux 内核支持这个机器，那么 Linux 就会启动！如果使用设备树的话这个 machid 就无效了，设备树存有一个“兼容性”这个属性，Linux 内核会比较“兼容性”属性的值(字符串)来查看是否支持这个机器。
第 295 行，函数 kernel_entry，看名字“内核_进入”，说明此函数是进入 Linux 内核的，也就是最终的大 boos！！此函数有三个参数：zero，arch，params，第一个参数 zero 同样为0；第二个参数为机器 ID；第三个参数 ATAGS 或者设备树(DTB)首地址，ATAGS 是传统的方法，用于传递一些命令行信息啥的，如果使用设备树的话就要传递设备树(DTB)。第 299 行,获取 kernel_entry 函数，函数 kernel_entry 并不是 uboot 定义的，而是 Linux 内核定义的，Linux 内核镜像文件的第一行代码就是函数 kernel_entry，而 images->ep 保存着Linux内核镜像的起始地址，起始地址保存的正是 Linux 内核第一行代码！

第 315~318 行是设置寄存器 r2 的值？为什么要设置 r2 的值呢？Linux 内核一开始是汇编代码，因此函数 kernel_entry 就是个汇编函数。向汇编函数传递参数要使用 r0、r1 和 r2(参数数量不超过 3 个的时候)，所以 r2 寄存器就是函数 kernel_entry 的第三个参数。
第 316 行，如果使用设备树的话，r2 应该是设备树的起始地址，而设备树地址保存在 images的 ftd_addr 成员变量中。
第 317 行，如果不使用设备树的话，r2 应该是 uboot 传递给 Linux 的参数起始地址，也就是环境变量 bootargs 的值，
第 328 行，调用 kernel_entry 函数进入 Linux 内核，此行将一去不复返，uboot 的使命也就完成了，它可以安息了！