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，分别存放管理不同的源程序。

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 */

}