【站友投递】U-boot启动过程详解

一、U-BOOT的目录结构 u-boot目录下有18个子目录，分别存放管理不通的源程序。
这些目录中所要存放的文件有其规则，可以分成三类。
￭第一类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关；
￭第二类目录是一些通用的函数或者驱动程序；
￭第三类目录是u-boot的应用程序、工具或者文档。
Board：和一些已有开发板相关的文件，比如Makefile和u-boot.lds等都和具体开发板的硬件和地址分配有关。
Common：与体系结构无关的文件，实现各种命令的C文件。
CPU：CPU相关文件，其中的子目录都是以u-boot所支持的CPU为名，比如有子目录arm926ejs、mips、mpc8260和nios等，每个特定的子目录中都包括cpu.c和interrupt.c和start.S。其中cpu.c初始化cpu、设置指令cache和数据cache等；interrupt.c设置系统的各种终端和异常，比如快速中断，开关中断、时钟中断、软件中断、预取中止和未定义指令等；start.S是u-boot启动时执行的第一个文件，他主要是设置系统堆栈和工作发式，为进入C程序奠定基础。
Disk：disk驱动的分区处理代码、
Doc：文档。
Drivers：通用设备驱动程序，比如各种网卡、支持CFI的flash、串口和USB总线等。
Dtt：数字温度测量器或者传感器的驱动
Examples：一些独立运行的应用程序的例子。
Fs：支持文件系统的文件，u-boot现在支持cramfs、fat、fdos、jffs2、yaffs和registerfs。
Include：头文件，还有对各种硬件平台支持的会变文件，系统的配置文件和对文件系统支持的文件。
Net：与网络有关的代码，BOOTP协议、TFTP协议RARP协议和NFS文件系统的实现。
Lib_ppc：存放对PowerPC体系结构通用的文件，主要用于实现PowerPC平台通用的函数，与PowerPC体系结构相关的代码。
Lib_i386：存放对X86体系结构通用的文件，主要用于实现X86平台通用的函数，与PowerPc体系结构相关的代码。
Lib_arm：存放对ARM体系结构通用的文件，主要用于实现ARM平台通用的函数，与ARM体系结构相关的代码。
Lib_generic：通用的多功能函数实现。
Post：上电自检。
Rtc： 实时时钟驱动。
Tools：创建S-Record格式文件和U-BOOT images的工具。

二、u-boot的编译 u-boot的源码是通过GCC和Makefile组织编译的，顶层目录下的Makefile首先可以设置板子的定义，然后递归地调用各级目录下的Makefile，最后把编译过的程序链接成u-boot的映像。 顶层目录下的Makefile，它是负责U-Boot整体配置编译。每一种开发板在Makefile都需要有板子配置的定义，如smdk2442定义如下： smdk2442_config: unconfig @./mkconfig $(@:_config=) arm arm920t smdk2442 执行配置U-Boot的命令make smdk2442_config，通过./mkconfig脚本生成include/config.mk的配置文件。文件内容是根据Makefile对板子的配置生成的。

配置环境和编译过程如下所述,U-boot的编译环境配置需要：cross-2.95.3.tar.bz2和s3c24x0_uboot_rel_0_0_1_061002.tar.bz2，将文件拷贝到/home/amoi/working/下，（chenpx@chenpx:/mnt/hgfs/share$ cp cross-2.95.3.tar.bz2 /home/amoi/working 和chenpx@chenpx:/mnt/hgfs/share$ cp s3c-u-boot-1.1.6.tar.bz2 /home/amoi/working）， 然后对对文件进行解压（chenpx@chenpx:/home/chenpx/working$ tar jxvf cross-2.95.3.tar.bz2和chenpx@chenpx:/home/chenpx/working$ tar jxvf s3c24x0_uboot_rel_0_0_1_061002.tar.bz2），在/usr/local/目录下建立一个arm文件夹（mkdir –p /usr/local/arm （-p 是需要时创建上层目录，如目录早已存在则不当作错误））

将cross-2.95.3.tar.bz2解压出来的移动到/usr/local/arm/下（mv 2.95.3 /usr/local/arm/） 移动后添加环境变量export PATH=$PATH:/usr/local/2.95.3/bin/ 修改s3c24x0_uboot_dev中的makefile,修改CROSS_COMPILE = /usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-其他的用#注释掉。 接下来就是加载配置： 最后进行编译：make，最终在s3c24x0_uboot-dev目录下生成u-boot、u-boot.bin、u-boot.map、2 u-boot.srec四个文件。

三、u-boot系统启动流程 大多数bootloader都分为stage1和stage2两部分，u-boot也不例外。依赖于CPU体系结构的代码（如设备初始化代码等）通常都放在stage1且可以用汇编语言来实现，而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且有更好的可读性和移植性。 1、Stage1 start.S代码结构 u-boot的stage1代码通常放在start.S文件中，他用汇编语言写成，其主要代码部分如下：

（1）定义入口。由于一个可执行的Image必须有一个入口点，并且只能有一个全局入口，通常这个入口放在ROM（Flash）的0x0地址，因此，必须通知编译器以使其知道这个入口，该工作可通过修改连接器脚本来完成。
（2）设置异常向量（Exception Vector）。
（3）设置CPU的速度、时钟频率及终端控制寄存器。
（4）初始化内存控制器。
（5）将ROM中的程序复制到RAM中。
（6）初始化堆栈。
（7）转到RAM中执行，该工作可使用指令ldr pc来完成。

 2、Stage2 C语言代码部分 lib_arm/board.c中的start arm boot是C语言开始的函数也是整个启动代码中C语言的主函数，同时还是整个u-boot（armboot）的主函数，该函数只要完成如下操作：
（1）调用一系列的初始化函数。
（2）初始化Flash设备。
（3）初始化系统内存分配函数。
（4）如果目标系统拥有NAND设备，则初始化NAND设备。
（5）如果目标系统有显示设备，则初始化该类设备。
（6）初始化相关网络设备，填写IP、MAC地址等。
（7）进去命令循环（即整个boot的工作循环），接受用户从串口输入的命令，然后进行相应的工作。

3、U-Boot的启动顺序
主要顺序如下图所示

                         函数顺序               初始化顺序
                                 图为 U-Boot顺序
下面就根据代码进行解释：
/*********************** 中断向量 ***********************/
.globl _start                         //u-boot启动入口
_start: b       reset               //复位向量并且跳转到reset
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq                     //中断向量
ldr pc, _fiq                     //中断向量
b  sleep_setting             //跳转到sleep_setting
并通过下段代码拷贝到内存里
relocate:                             //把uboot重新定位到RAM
adr r0, _start                  // r0 是代码的当前位置
ldr r2, _armboot_start               //r2 是armboot的开始地址
ldr r3, _armboot_end                //r3 是armboot的结束地址
sub r2, r3, r2                      // r2得到armboot的大小
ldr r1, _TEXT_BASE            // r1 得到目标地址  
add r2, r0, r2                       // r2 得到源结束地址
copy_loop:                             //重新定位代码
ldmia r0!, {r3-r10}                  //从源地址[r0]中复制
stmia r1!, {r3-r10}                  //复制到目标地址[r1]
cmp  r0, r2                        //复制数据块直到源数据末尾地址[r2]
ble copy_loop
系统上电或reset后，cpu的PC一般都指向0x0地址，在0x0地址上的指令是
reset:                                 //复位启动子程序
/******** 设置CPU为SVC32模式***********/
mrs r0,cpsr                       //将CPSR状态寄存器读取，保存到R0中
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0xd3
msr cpsr,r0   
                     //将R0写入状态寄存器中
/************** 关闭看门狗 ******************/
ldr      r0, =pWTCON
mov     r1, #0x0
str       r1, [r0]
/************** 关闭所有中断 *****************/
mov r1, #0xffffffff
ldr r0, =INTMSK
str r1, [r0]
ldr r2, =0x7ff
ldr r0, =INTSUBMSK
str r2, [r0]
/************** 初始化系统时钟 *****************/
ldr r0, =LOCKTIME
ldr     r1, =0xffffff
str     r1, [r0]
clear_bss:
        ldr       r0, _bss_start           //找到bss的起始地址
        add      r0, r0, #4              //从bss的第一个字开始
        ldr       r1, _bss_end           // bss末尾地址
        mov      r2, #0x00000000       //清零  
clbss_l:str        r2, [r0]                // bss段空间地址清零循环
        add     r0, r0, #4
        cmp     r0, r1
        bne      clbss_l
/***************** 关键的初始化子程序 ************************/
/ * cpu初始化关键寄存器
* 设置重要寄存器
* 设置内存时钟
* /
cpu_init_crit:
/** flush v4 I/D caches*/
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* flush v3/v4 cache */
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* flush v4 TLB */
/************* disable MMU stuff and caches ****************/
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS)
bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM)
orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 2 (A) Align
orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-Cache
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
/******* 在重新定位前，我们要设置RAM的时间，因为内存时钟依赖开发板硬件的，你将会找到board目录底下的memsetup.S。**************/
mov ip, lr
#ifndef CONFIG_S3C2440A_JTAG_BOOT
bl memsetup        //调用memsetup子程序（在board/smdk2442memsetup.S）
#endif
mov lr, ip
mov pc, lr                        //子程序返回

memsetup:   
/**************** 初始化内存 **************/
        mov     r1, #MEM_CTL_BASE
        adrl    r2, mem_cfg_val
        add     r3, r1, #52
1:       ldr     r4, [r2], #4
        str     r4, [r1], #4
        cmp     r1, r3
        bne     1b
/*********** 跳转到原来进来的下一个指令（start.S文件里） ***************/  
mov     pc, lr                 //子程序返回
/****************** 建立堆栈 *******************/
ldr r0, _armboot_end               //armboot_end重定位
add r0, r0, #CONFIG_STACKSIZE    //向下配置堆栈空间
sub sp, r0, #12                  //为abort-stack预留个3字
/**************** 跳转到C代码去 **************/
ldr pc, _start_armboot           //跳转到start_armboot函数入口，start_armboot
字保存函数入口指针
_start_armboot: .word start_armboot    //start_armboot函数在lib_arm/board.c中实现
从此进入第二阶段C语言代码部分
/**************** 异常处理程序 *******************/
.align  5
undefined_instruction:               //未定义指令
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl  do_undefined_instruction
.align 5
software_interrupt:                   //软件中断
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl  do_software_interrupt
.align 5
prefetch_abort:                      //预取异常中止
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl  do_prefetch_abort
.align 5
data_abort:                          //数据异常中止
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl  do_data_abort
.align 5
not_used:                            //未利用
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl  do_not_used
.align 5
irq:                                   //中断请求
get_irq_stack
irq_save_user_regs
bl  do_irq
irq_restore_user_regs
.align 5
fiq:                                   //快速中断请求
get_fiq_stack
/* someone ought to write a more effiction fiq_save_user_regs */
irq_save_user_regs
bl  do_fiq
irq_restore_user_regs
sleep_setting:                           //休眠设置
@ prepare the SDRAM self-refresh mode
ldr r0, =0x48000024 @ REFRESH Register
ldr r1, [r0]
orr r1, r1,#(1bd = &bd_data;
memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));
monitor_flash_len = _armboot_end_data - _armboot_start;
/*** 调用执行init_sequence数组按顺序执行初始化 ***/
for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
  if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
   hang ();
  }
}
#if 0
/**************** 配置可用的flash单元 *************/
size = flash_init ();             //初始化flash
display_flash_config (size);      //显示flash的大小
/******** _arm_boot在armboot.lds链接脚本中定义 ********/
#endif
#ifdef CONFIG_VFD
#  ifndef PAGE_SIZE
#  define PAGE_SIZE 4096
#  endif
/*********** 为VFD显示预留内存(整个页面)  **********/
/******** armboot_real_end在board-specific链接脚本中定义********/
addr = (_armboot_real_end + (PAGE_SIZE - 1)) & ~(PAGE_SIZE - 1);
size = vfd_setmem (addr);
gd->fb_base = addr;
/******* 进入下一个界面 ********/
addr += size;
addr = (addr + (PAGE_SIZE - 1)) & ~(PAGE_SIZE - 1);
mem_malloc_init (addr);
#else
/********  armboot_real_end 在board-specific链接脚本中定义 *******/
mem_malloc_init (_armboot_real_end);
#endif    /* CONFIG_VFD */
#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_NAND)
puts ("NAND:");
nand_init();  /* NAND初始化 */
#endif
#ifdef CONFIG_HAS_DATAFLASH
AT91F_DataflashInit();
dataflash_print_info();
#endif
/********* 初始化环境 **********/
env_relocate ();
/*********** 配置环境变量，重新定位 **********/
#ifdef CONFIG_VFD
/* must do this after the framebuffer is allocated */
drv_vfd_init();
#endif
/* 从环境中得到IP地址 */
bd_data.bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");
/*以太网接口MAC地址*/
{
  int i;
  ulong reg;
  char *s, *e;
  uchar tmp[64];
  i = getenv_r ("ethaddr", tmp, sizeof (tmp));
  s = (i > 0) ? tmp : NULL;
  for (reg = 0; reg bd->bi_enetaddr);
#endif
#ifdef CONFIG_DRIVER_LAN91C96
if (getenv ("ethaddr")) {
  smc_set_mac_addr(gd->bd->bi_enetaddr);
}
/* eth_hw_init(); */
#endif /* CONFIG_DRIVER_LAN91C96 */
/* 通过环境变量初始化*/
if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
  load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
}
#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_NET)
if ((s = getenv ("bootfile")) != NULL) {
  copy_filename (BootFile, s, sizeof (BootFile));
}
#endif /* CFG_CMD_NET */
#ifdef BOARD_POST_INIT
board_post_init ();
#endif
/* main_loop() 总是试图自动启动，循环不断执行*/
for (;;) {
  main_loop (); /*主循环函数处理执行用户命令—common/main.c
}
/* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */
}