一．摘要
這篇文章主要對BootLoader（UBoot）的源碼進(jìn)行了分析，并對UBoot的移植略作提及。? BootLoader的總目標(biāo)是正確調(diào)用內(nèi)核的執(zhí)行，由于大部分的BoorLoader都依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)。因此大部分的BootLoader都分為兩個(gè)步驟啟動(dòng)。依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)（如設(shè)備初始化等）的代碼都放在stage1。而stage2一般使用C語言實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜的功能，代碼的可移植性也提高。
二．本文提綱
1. 摘要
2.? 本文提綱
3. UBoot啟動(dòng)過程
4. Stage1（匯編語言實(shí)現(xiàn)）代碼分析
5. Stage2（C語言實(shí)現(xiàn)）代碼分析
6. UBoot移植過程中串口沒有顯示或者顯示亂碼的原因
7. 總結(jié)
三．UBoot啟動(dòng)過程
UBoot其啟動(dòng)過程主要可以分為兩個(gè)部分，Stage1和Stage2 。其中Stage1是用匯編語言實(shí)現(xiàn)的，主要完成硬件資源的初始化。而Stage2則是用C語言實(shí)現(xiàn)。主要完成內(nèi)核程序的調(diào)用。這兩個(gè)部分的主要執(zhí)行流程如下：
stage1包含以下步驟：
1. 硬件設(shè)備初始化
2. 為加載stage2準(zhǔn)備RAM空間
3. 拷貝stage2的代碼到RAM空間
4. 設(shè)置好堆棧
5. 跳轉(zhuǎn)到stage2的C語言入口點(diǎn)
?
stage2一般包括以下步驟：
1. 初始化本階段要使用的硬件設(shè)備
2. 檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射
3. 將kernel映射和根文件系統(tǒng)映射從Flash讀到RAM空間中
4. 為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)
5. 調(diào)用內(nèi)核
四. Stage1（匯編語言實(shí)現(xiàn)）代碼分析
該階段主要是在cpu/arm920t/start.S文件中執(zhí)行，這個(gè)匯編程序是U-Boot的入口程序，程序的開頭就是復(fù)位向量的代碼，主要的執(zhí)行流程見下圖。
?
U-Boot啟動(dòng)代碼流程圖
start.S代碼分析：
（1）主要實(shí)現(xiàn)復(fù)位向量，設(shè)置異常向量表。
_start:
b reset //復(fù)位向量
;
;設(shè)置異常向量表
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq //中斷向量
ldr pc, _fiq //中斷向量
（2）復(fù)位啟動(dòng)子程序，將CPU設(shè)置到SVC模式
/* the actual reset code */
reset:
//復(fù)位啟動(dòng)子程序
/* 設(shè)置CPU為SVC32模式 */
mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
;
;位清除，將某些位的值置0：r0 = r0 AND ( !0x1f)
orr r0,r0,#0xd3
;
;邏輯或，將r0與立即數(shù)進(jìn)行邏輯或，放在r0中（第一個(gè)）
msr cpsr,r0
（3）關(guān)閉看門狗
/* 關(guān)閉看門狗 */
/* turn off the watchdog */
#if defined(CONFIG_S3C2400)
# define pWTCON 0x15300000
# define INTMSK 0x14400008 /* Interupt-Controller base addresses */
# define CLKDIVN 0x14800014 /* clock divisor register */
#elif defined(CONFIG_S3C2410)
# define pWTCON 0x53000000
# define INTMSK 0x4A000008 /* Interupt-Controller base addresses */
# define INTSUBMSK 0x4A00001C
# define CLKDIVN 0x4C000014 /* clock divisor register */
#endif
#if defined(CONFIG_S3C2400) || defined(CONFIG_S3C2410)
ldr r0, =pWTCON
mov
r1, #0x0
str
r1, [r0]
（4）禁止所有中斷，設(shè)置CPU頻率
/* 禁止所有中斷和設(shè)置CPU頻率 */
/*
* mask all IRQs by setting all bits
in
the INTMR - default
*/
mov
r1, #0xffffffff
ldr r0, =INTMSK
str
r1, [r0]
# if defined(CONFIG_S3C2410)
ldr r1, =0x3ff
ldr r0, =INTSUBMSK
str
r1, [r0]
# endif
/*
FCLK:HCLK:
PCLK =
1
:
2
:
4
*/
;
;FCLK用于CPU，HCLK用于AHB，PCLK用于APB
/* default FCLK is
120
MHz ! */
ldr r0, =CLKDIVN
;
;根據(jù)硬件手冊來設(shè)置CLKDIVN寄存器
mov
r1, #
3
;
;用戶手冊的推薦值
str
r1, [r0]
#endif /* CONFIG_S3C2400 || CONFIG_S3C2410 */
（5）系統(tǒng)重啟的時(shí)候執(zhí)行的初始化代碼，而不是系統(tǒng)熱復(fù)位（從RAM中執(zhí)行）的時(shí)候
/*
* we do sys-critical inits only at reboot,
*
not
when booting from
*/
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
bl cpu_init_crit
;
;跳轉(zhuǎn)去初始化CPU
#endif
;
;#ifdef CONFIG_INIT_CRITICAL 原文中的，估計(jì)是1.1.16版本的
;
; bl cpu_init_crit
;
;#endif
（6）CPU和RAM兩個(gè)關(guān)鍵的初始化子程序
函數(shù)一： /*? 初始化 CPU?*/
cpu_init_crit:
/*
* flush v4 I/D caches 設(shè)置CP15
*/
mov
r0, #
0
mcr p15,
0
, r0, c7, c7,
0
/* flush v3/v4 cache */
;
;使I/D cache失效：將寄存器r0的數(shù)據(jù)傳送到協(xié)處理器p15的c7中。C7寄存器位對應(yīng)cp15中的cache控制寄存器
mcr p15,
0
, r0, c8, c7,
0
/* flush v4 TLB */
;
;使TLB操作寄存器失效：將r0數(shù)據(jù)送到cp15的c8、c7中。C8對應(yīng)TLB操作寄存器
/*
* disable MMU stuff
and
caches 禁止MMU和caches
*/
mrc p15,
0
, r0, c1, c0,
0
;
;先把c1和c0寄存器的各位置0(r0 = 0)
bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits
13
,
9
:
8
(--V- --RS)
bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits
7
,
2
:
0
(B--- -CAM)
;
;這里我本來有個(gè)疑問：為什么要分開設(shè)置。因?yàn)閍rm匯編要求的立即數(shù)格式所決定的
orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit
2
(??) (A) Align
;
;上一條已經(jīng)設(shè)置bit1為0，這一條又設(shè)置為1？？
orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit
12
(I) I-Cache
mcr p15,
0
, r0, c1, c0,
0
;
;用上面(見下面)設(shè)定的r0的值設(shè)置c1？？(cache類型寄存器)和c0(control字寄存器)，以下為c0的位定義
;
;bit8: 0 = Disable System protection
;
;bit9: 0 = Disable ROM protection
;
;bit0: 0 = MMU disabled
;
;bit1: 0 = Fault checking disabled 禁止糾錯(cuò)
;
;bit2: 0 = Data cache disabled
;
;bit7: 0 = Little-endian operation
;
;bit12: 1 = Instruction cache enabled
/* 配置內(nèi)存區(qū)控制寄存器 ？？有待分析，是1.
1
.4版本的
* before relocating, we have to setup RAM timing
* because memory timing is board-dependend, you will
* find a lowlevel_init.S
in
your board directory.
*/
mov
ip, lr
bl lowlevel_init
;
;位于board/smdk2410/lowlevel_init.S：用于完成芯片存儲器的初始化，執(zhí)行完成后返回
mov
lr, ip
mov
pc, lr
函數(shù)二： /*? 把 U-Boot 重新定位到 RAM?*/
relocate:
adr r0, _start /* r0是代碼的當(dāng)前位置 */
;
;adr偽指令，匯編器自動(dòng)通過當(dāng)前PC的值算出 如果執(zhí)行到_start時(shí)PC的值，放到r0中：
當(dāng)此段在flash中執(zhí)行時(shí)r0 = _start =
0
；當(dāng)此段在RAM中執(zhí)行時(shí)_start = _TEXT_BASE(在board/smdk2410/config.mk中指定的值為0x33F80000，即u-boot在把代碼拷貝到RAM中去執(zhí)行的代碼段的開始)
ldr r1, _TEXT_BASE /* 測試判斷是從Flash啟動(dòng)，還是RAM */
;
;此句執(zhí)行的結(jié)果r1始終是0x33FF80000，因?yàn)榇酥凳怯志幾g器指定的(ads中設(shè)置，或-D設(shè)置編譯器參數(shù))
cmp
r0, r1 /* 比較r0和r1，調(diào)試的時(shí)候不要執(zhí)行重定位 */
beq stack_setup /* 如果r0等于r1，跳過重定位代碼 */
/* 準(zhǔn)備重新定位代碼 */
;
;以上確定了復(fù)位啟動(dòng)代碼是在flash中執(zhí)行的(是系統(tǒng)重啟，而不是軟復(fù)位)，就需要把代碼拷貝到RAM中去執(zhí)行，以下為計(jì)算即將拷貝的代碼的長度
ldr r2, _armboot_start
;
;前面定義了，就是_start
ldr r3, _bss_start
;
;所謂bss段，就是未被初始化的靜態(tài)變量存放的地方，這個(gè)地址是如何的出來的？根據(jù)board/smsk2410/u-boot.lds內(nèi)容？
sub
r2, r3, r2 /* r2 得到armboot的大小 */
add
r2, r0, r2 /* r2 得到要復(fù)制代碼的末尾地址 */
（7）重新定位代碼，循環(huán)拷貝啟動(dòng)的代碼到RAM中
copy_loop:
ldmia {r3-r10} /*從源地址[r0]復(fù)制 */
;
;r0指向_start(=0)
stmia {r3-r10} /* 復(fù)制到目的地址[r1] */
;
;r1指向_TEXT_BASE(=0x33F80000)
cmp
r0, r2 /* 復(fù)制數(shù)據(jù)塊直到源數(shù)據(jù)末尾地址[r2] */
ble copy_loop
（8）初始化堆棧等
stack_setup:
ldr r0, _TEXT_BASE /* 上面是128 KiB重定位的u-boot */
sub
r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* 向下是內(nèi)存分配空間 */
sub
r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* 然后是bdinfo結(jié)構(gòu)體地址空間 */
#ifdef CONFIG_USE_IRQ
sub
r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif
;
;這些宏定義在/include/configs/smdk2410.h中：
#define CFG_MALLOC_LEN (CFG_ENV_SIZE +
128
*
1024
)
;
;64K+128K=0xC0
#define CFG_ENV_SIZE 0x10000 /* Total Size of Environment Sector
64k
*/
#define CONFIG_STACKSIZE (
128
*
1024
) /* regular stack
128k
*/
#define CFG_GBL_DATA_SIZE
128
/* size
in
bytes reserved for initial data */
用0x33F8000 – 0xC0 – 0x80得到_TEXT_BASE向下(低地址)的堆棧指針sp的起點(diǎn)地址
sub
sp, r0, #
12
/* 為abort-stack預(yù)留3個(gè)字 */
;
;得到最終sp指針初始值
clear_bss:
ldr r0, _bss_start /* 找到bss段起始地址 */
ldr r1, _bss_end /* bss段末尾地址 */
mov
r2, #0x00000000 /* 清零 */
clbss_l:
str
r2, [r0] /* bss段地址空間清零循環(huán)... */
add
r0, r0, #
4
cmp
r0, r1
bne clbss_l
（9）跳轉(zhuǎn)到start_armboot函數(shù)入口，_start_armboot字保存函數(shù)的入口指針
ldr pc, _start_armboot
_start_armboot:
.word start_armboot
;
;start_armboot函數(shù)在lib_arm/board.c中實(shí)現(xiàn)
?
五. Stage2（C語言實(shí)現(xiàn)）代碼分析
這個(gè)文件是bootloader的stage2部分，這個(gè)文件中的start_armboot函數(shù)是U-Boot執(zhí)行的第一個(gè)C語言函數(shù)，主要完成系統(tǒng)的初始化工作，然后進(jìn)入主循環(huán)，等待并處理用戶輸入的命令。
在編譯和鏈接BootLoader這樣的程序的時(shí)候，不能使用glibc庫中的任何支持函數(shù)，這就帶來了一個(gè)問題：從何處跳入Main函數(shù)，最直接的想法是直接把Main函數(shù)的起始地址作為整個(gè)Stage2執(zhí)行映像的入口。但是這樣做有兩個(gè)缺點(diǎn)：
a: 無法通過Main函數(shù)傳遞參數(shù)
b: 無法處理Main函數(shù)返回的情況
一種更好的解決方案是利用trampoline（彈簧床）的概念：用匯編寫一段trampoline小程序，并將這段trampoline小程序作為Stage2可執(zhí)行映像的入口點(diǎn)，然后就可以在trampoline小程序中用CPU跳轉(zhuǎn)指令跳入Main函數(shù)去執(zhí)行，當(dāng)Main函數(shù)執(zhí)行結(jié)束以后CPU執(zhí)行路徑顯然再次回到trampoline程序。其核心思想就是用這段trampoline程序作為Main函數(shù)的外部包裹。
（1）. 初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備，一般包括：
a:點(diǎn)亮LED，表示已經(jīng)進(jìn)入main函數(shù)執(zhí)行（可選）
b: 至少一個(gè)串口，以便和終端用戶進(jìn)行IO信息交換
c: 初始化定時(shí)器等
d: 輸出一些打印信息，程序名稱，版本號等
（2）. 檢測系統(tǒng)的內(nèi)存映射
所謂內(nèi)存映射就是指在整個(gè) 4GB 物理地址空間中有哪些地址范圍被分配用來尋址系統(tǒng)的 RAM 單元。比如，在 SA-1100 CPU 中，從 0xC000,0000 開始的 512M 地址空間被用作系統(tǒng)的 RAM 地址空間，而在 Samsung S3C44B0X CPU 中，從 0x0c00,0000 到 0x1000,0000?之間的 64M 地址空間被用作系統(tǒng)的 RAM 地址空間。雖然 CPU 通常預(yù)留出一大段足夠的地址空間給系統(tǒng) RAM，但是在搭建具體的嵌入式系統(tǒng)時(shí)卻不一定會實(shí)現(xiàn) CPU 預(yù)留的全部 RAM?地址空間。也就是說，具體的嵌入式系統(tǒng)往往只把 CPU 預(yù)留的全部 RAM 地址空間中的一部分映射到 RAM 單元上，而讓剩下的那部分預(yù)留 RAM 地址空間處于未使用狀態(tài)。 ?由于上述這個(gè)事實(shí)，因此 Boot Loader 的 stage2 必須在它想干點(diǎn)什么 (比如，將存儲在 flash 上的內(nèi)核映像讀到 RAM 空間中) 之前檢測整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)存映射情況，也即它必須知道 CPU 預(yù)留的全部 RAM 地址空間中的哪些被真正映射到 RAM 地址單元，哪些是處于?"unused" 狀態(tài)的。
（3）. 加載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像
a：規(guī)劃內(nèi)存占用的布局：主要包括基地址和映像大小兩個(gè)方面。對于內(nèi)核映像，一般將其拷貝到從(MEM_START＋0x8000) 這個(gè)基地址開始的大約 1MB大小的內(nèi)存范圍內(nèi)(嵌入式 Linux 的內(nèi)核一般都不操過 1MB)。為什么要把從 MEM_START到MEM_START＋0x 8000 這段 32KB 大小的內(nèi)存空出 來呢？這是因?yàn)?Linux 內(nèi)核要在這段內(nèi)存中放置一些全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如：啟動(dòng)參數(shù)和內(nèi)核頁表等信息。而對于根文件系統(tǒng)映像，則一般將其拷貝到 MEM_START+0x0010,0000 開始的地方。如果用 Ramdisk 作為根文件系統(tǒng)映像，則其解壓后的大小一般是 1MB。
b：從Flash中拷貝映像
while
(count) {
*dest++ = *src++;
/*
they are all aligned with word boundary
*/
count
-=
4
;
/*
byte number
*/
};
（4）. 設(shè)置內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)
將內(nèi)核映像拷貝到RAM中之后就可以啟動(dòng)了，但是一般都需要先設(shè)定Linux內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)。Linux2.4以后的內(nèi)核都以標(biāo)記列表（tagged list）的形式來傳遞啟動(dòng)參數(shù)。啟動(dòng)參數(shù)列表以標(biāo)記ATAG_CORE開始，以標(biāo)記ATAG_NONE結(jié)束。每個(gè)標(biāo)記由標(biāo)示被傳遞參數(shù)的tag_header結(jié)構(gòu)以及隨后的參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組成。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)tag和tag_header定義在Linux內(nèi)核源碼的include/asm/setup.h頭文件中。在嵌入式Linux系統(tǒng)中，通常需要由BootLoader設(shè)定的參數(shù)有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD。
比如，設(shè)置 ATAG_CORE 的代碼如下： ?
params = (struct tag *)BOOT_PARAMS; ? ? ? ??
params->hdr.tag = ATAG_CORE; ? ? ? ??
params->hdr.size = tag_size(tag_core); ? ? ? ??
params->u.core.flags = 0; ? ? ? ??
params->u.core.pagesize = 0; ? ? ? ??
params->u.core.rootdev = 0; ? ? ? ??
params = tag_next(params); ?
其中，BOOT_PARAMS 表示內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)在內(nèi)存中的起始基地址，指針 params 是一個(gè) struct?tag 類型的指針。宏 tag_next() 將以指向當(dāng)前標(biāo)記的指針為參數(shù)，計(jì)算緊臨當(dāng)前標(biāo)記的下一個(gè)標(biāo)記的起始地址。注意，內(nèi)核的根文件系統(tǒng)所在的設(shè)備 ID 就是在這里設(shè)置的。
（5）. 調(diào)用內(nèi)核
BootLoader調(diào)用內(nèi)核的方法是直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處，即直接跳到MEM_START+0x8000處。在跳轉(zhuǎn)的時(shí)候要滿足下面的條件：
a: CPU寄存器的設(shè)置
R0 = 0;
R1 = 機(jī)器類型ID，
b: CPU必須在SVC模式
c: Cache和MMU的設(shè)置：
MMU必須關(guān)閉
指令Cache可以打開也可以關(guān)閉
數(shù)據(jù)Cache必須關(guān)閉
說明：如果用 C 語言，可以像下列示例代碼這樣來調(diào)用內(nèi)核： ?
void
(*theKernel)(
int
zero,
int
arch, u32 params_addr) = (
void
(*)(
int
,
int
,
u32))KERNEL_RAM_BASE;
……
theKernel(
0
, ARCH_NUMBER, (u32) kernel_params_start);
注意：theKernel()函數(shù)調(diào)用應(yīng)該永遠(yuǎn)不返回的。如果這個(gè)調(diào)用返回，則說明出錯(cuò)。 ? ? ? ? ??
六. UBoot移植過程中串口沒有顯示或者顯示亂碼的原因
（1）.?boot loader 對串口的初始化設(shè)置不正確。?
（2）. 運(yùn)行在 host 端的終端仿真程序?qū)Υ诘脑O(shè)置不正確， 這包括：波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位和停止位等方面的設(shè)置。
關(guān)于BootLoader啟動(dòng)時(shí)串口能輸出，但是啟動(dòng)內(nèi)核后不能正確顯示的原因：
（1）. 內(nèi)核編譯時(shí)缺少配置對串口驅(qū)動(dòng)的支持，或配置正確的串口驅(qū)動(dòng)
（2）. BootLoader的串口配置和內(nèi)核的不一致
（3）. 內(nèi)核沒有正確啟動(dòng)
七．總結(jié)
U-Boot，全稱 Universal Boot Loader，是遵循GPL條款的 開放源碼 項(xiàng)目。從FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步發(fā)展演化而來。其源碼目錄、編譯形式與 Linux內(nèi)核 很相似，事實(shí)上，不少U-Boot源碼就是相應(yīng)的Linux內(nèi)核 源程序 的簡化，尤其是一些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，這從U-Boot源碼的注釋中能體現(xiàn)這一點(diǎn)。
?
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