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u-boot启动流程一

2011-02-08 13:59 337 查看

U-Boot 启动流程分析

1. 了解u-boot主要的目录结构和启动流程，如下图。

u-boot的stage1代码通常放在cpu/xxxx/start.S文件中，他用汇编语言写成；

u-boot的stage2代码通常放在lib_xxxx/board.c文件中，他用C语言写成。

各个部分的流程图如下：

1. 引言

引导加载程序(Bootloader)是系统加电后运行的第一段代码。它一般在系统启动时运行

非常短的时间，但对于嵌入式系统来说，这是一个非常重要的组成部分。通过这段小程序，

初始化必要的硬件设备，创建内核需要的一些信息并将这些信息通过相关机制传递给内核，

从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，最终调用操作系统内核，真正起到引导和加

载内核的作用[1]。Bootloader 和硬件密切相关，一般来说都要对Bootloader 的源代码进行修

改才可以在自己的硬件平台上运行起来，目前嵌入式领域里出现了很多种类的Bootloader，

如armboot、blob、redboot、vivi 和U-Boot 等[2]。其中U-Boot 是使用最广泛，功能最完善的。

U-Boot 是德国DENX 小组开发的用于多种嵌入式CPU 的Bootloader 程序，在支持ARM

体系结构的Bootloader 中间应用最为广泛，它可以运行在多种CPU 体系结构中，它的整个

程序框架清晰，易于移植，而且更新速度非常快。U-Boot 遵循GPL 公约，完全开放源代码，

目前的版本是1.3.1，本论文正是采用此版本进行说明。

本系统的硬件平台采用的是广州友善之臂公司出品的以S3C2440A 为核心的

SBC2440V4 开发板，其中存储介质为一片64 MB 的NAND Flash(K9F1208U0B)，一片1MB

的NOR Flash(Am29LV800D)，两片32 MB 的SDRAM。

2. U-boot 启动流程分析

大多数bootloader 都分为阶段1(stage1)和阶段2(stage2)两大部分，u-boot 也不例外。依

赖于CPU 体系结构的代码（如CPU 初始化代码等）通常都放在阶段1 中，且通常用汇编语

言实现。而阶段2 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]。

u-boot 的阶段1 代码通常放在start.s 文件中，它用汇编语言写成，其主要功是：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。②设置异常向量。③本地硬件设备初始化(设置CPU 的模

式，关闭看门狗计时器，屏蔽所有中断，配置时钟等)。④初始化内存控制器。如果从固态

存储介质中启动，则复制Bootloader 的第二阶段代码到RAM。 ⑤设置堆栈，跳转到第二阶

段C 程序入口点。至此阶段1 完毕。

lib_arm/board.c 中的start_armboot 是第二阶段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 的主函数，该函数主要完成：①调用一系列的设备初

始化函数。②确定目标板是进入下载操作模式还是启动加载模式。③如果是启动加载模式，

- 2 -

则将内核映像和根文件系统映像从FLASH 上读到RAM 空间中。④为内核设置启动参数。

⑤调用内核。具体流程如图1 所示。

基本硬件初始化

准备RAM空间

拷贝STAGE2到

RAM中

设置堆栈指针

调转到STAGE2的

C入口点

初始化硬件设备

检查内存映射

加载内核和根文件

系统映像

设置内核启动参数

调用内核

A1: BOOT

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。

A2: 引导加载程序(Bootloader)是系统加电后运行的第一段代码。它一般在系统启动时运行

非常短的时间，但对于嵌入式系统来说，这是一个非常重要的组成部分。通过这段小程序，

初始化必要的硬件设备，创建内核需要的一些信息并将这些信息通过相关机制传递给内核，

从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，最终调用操作系统内核，真正起到引导和加

载内核的作用[1]。Bootloader 和硬件密切相关，一般来说都要对Bootloader 的源代码进行修

改才可以在自己的硬件平台上运行起来，目前嵌入式领域里出现了很多种类的Bootloader，

如armboot、blob、redboot、vivi 和U-Boot 等[2]。其中U-Boot 是使用最广泛，功能最完善的。

B1: U-boot 启动流程分析

大多数bootloader 都分为阶段1(stage1)和阶段2(stage2)两大部分，u-boot 也不例外。依

赖于CPU 体系结构的代码（如CPU 初始化代码等）通常都放在阶段1 中，且通常用汇编语

言实现。而阶段2 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]。

u-boot 的阶段1 代码通常放在cpu/arm920t/start.s 文件中，它用汇编语言写成，其主要功是：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。②设置异常向量。③本地硬件设备初始化(设置CPU 的模

式，关闭看门狗计时器，屏蔽所有中断，配置时钟等)。④初始化内存控制器。如果从固态

存储介质中启动，则复制Bootloader 的第二阶段代码到RAM。 ⑤设置堆栈，跳转到第二阶

段C 程序入口点。至此阶段1 完毕。

下面就根据代码进行解释：(代码cpu/arm920t/start.s)

.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

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

ldr r0, =pWTCON

mov r1, #0x0

str r1, [r0]

mov r1, #0xffffffff

ldr r0, =INTMSK

str r1, [r0]

ldr r2, =0x7ff

ldr r0, =INTSUBMSK

str r2, [r0]

ldr r0, =LOCKTIME

ldr r1, =0xfff

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

/ * 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:

mov r0, #0

mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0

mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0

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

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:

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

mov pc, lr //子程序返回

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

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

.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

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,#(1<<22) @ self-refresh bit set

@ prepare MISCCR[19:17]=111b to make SDRAM signals(SCLK0,SCLK1,SCKE) protected

ldr r2,=0x56000080 @ MISCCR Register

ldr r3,[r2]

orr r3,r3,#((1<<17)|(1<<18)|(1<<19))

@ prepare the Power_Off mode bit in CLKCON Register

ldr r4,=0x4c00000c @ CLKCON Register

ldr r5,=(1<<3)

b set_sdram_refresh

.align 5

set_sdram_refresh:

str r1,[r0] @ SDRAM self-refresh enable

@ wait until SDRAM into self-refresh

mov r1, #64

1: subs r1, r1, #1

bne 1b

@ set the MISCCR & CLKCON register for power off

str r3,[r2]

str r5,[r4]

nop @ waiting for power off

nop

nop

b .

B2: 第二阶段

lib_arm/board.c 中的start_armboot 是第二阶段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 的主函数，该函数主要完成：①调用一系列的设备初

始化函数。②确定目标板是进入下载操作模式还是启动加载模式。③如果是启动加载模式，则将内核映像和根文件系统映像从FLASH 上读到RAM 空间中。④为内核设置启动参数。

⑤调用内核。

进入start_armboot函数里，先对硬件资源进行初始化如下：

init_fnc_t *init_sequence[] = {

cpu_init,

board_init,

interrupt_init,

env_init,

init_baudrate,

serial_init,

console_init_f,

display_banner,

dram_init,

display_dram_config,

#if defined(CONFIG_VCMA9) || defined (CONFIG_CMC_PU2)

checkboard,

#endif

NULL,

};

使用以下语句调用执行

for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {

if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {

hang ();

}

}

start_armboot的主要过程如下：

void start_armboot (void)

{

DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;

ulong size;

gd_t gd_data;

bd_t bd_data;

init_fnc_t **init_fnc_ptr;

char *s;

#if defined(CONFIG_VFD)

unsigned long addr;

#endif

gd = &gd_data;

memset ((void *)gd, 0, sizeof (gd_t));

gd->bd = &bd_data;

memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));

monitor_flash_len = _armboot_end_data - _armboot_start;

for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {

if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {

hang ();

}

}

#if 0

size = flash_init (); //初始化flash

display_flash_config (size); //显示flash的大小

#endif

#ifdef CONFIG_VFD

# ifndef PAGE_SIZE

# define PAGE_SIZE 4096

# endif

addr = (_armboot_real_end + (PAGE_SIZE - 1)) & ~(PAGE_SIZE - 1);

size = vfd_setmem (addr);

gd->fb_base = addr;

addr += size;

addr = (addr + (PAGE_SIZE - 1)) & ~(PAGE_SIZE - 1);

mem_malloc_init (addr);

#else

mem_malloc_init (_armboot_real_end);

#endif

#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_NAND)

puts ("NAND:");

nand_init();

#endif

#ifdef CONFIG_HAS_DATAFLASH

AT91F_DataflashInit();

dataflash_print_info();

#endif

env_relocate ();

#ifdef CONFIG_VFD

drv_vfd_init();

#endif

bd_data.bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");

{

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 < 6; ++reg) {

bd_data.bi_enetaddr[reg] = s ? simple_strtoul (s, &e, 16) : 0;

if (s)

s = (*e) ? e + 1 : e;

}

}

devices_init ();

jumptable_init ();

console_init_r ();

#if defined(CONFIG_MISC_INIT_R)

misc_init_r ();

#endif

enable_interrupts ();

#ifdef CONFIG_DRIVER_CS8900

cs8900_get_enetaddr (gd->bd->bi_enetaddr);

#endif

#ifdef CONFIG_DRIVER_LAN91C96

if (getenv ("ethaddr")) {

smc_set_mac_addr(gd->bd->bi_enetaddr);

}

#endif

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

#ifdef BOARD_POST_INIT

board_post_init ();

#endif

for (;;) {

main_loop ();

}

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标签： flash 语言嵌入式汇编 user 平台

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