基於AR9331(MIPS架構)分析系統啟動過程(uboot)


前提:

1.AR9331是基於MIPS 24K CPU的一款WIFI1X1芯片,其SDK采用uboot作為引導。AR9331中定義的基地址是:0x9f00,0000

2.MIPS24K芯片,將固定的起始地址,規定為0xBF00,0000(見http://blog.csdn.net/phunxm/article/details/9393021 和http://www.cnblogs.com/xmphoenix/archive/2011/11/02/2233397.html有提到

此地址屬於MIPS的KSEG1的地址范圍內(見http://blog.csdn.net/phunxm/article/details/9393021),其實際的物理地址是:0x1F00,0000(=0xBF00,0000 & 0x1FFF,FFFF)

 

A.  uboot在編譯時,會經歷如下動作:

bootstrap: depend version $(SUBDIRS) $(OBJS_BOOTSTRAP) $(LIBS_BOOTSTRAP) $(LDSCRIPT_BOOTSTRAP)

       UNDEF_SYM=`$(OBJDUMP) -x $(LIBS_BOOTSTRAP) |sed  -n -e 's/.*\(__u_boot_cmd_.*\)/-u\1/p'|sort|uniq`;\

       $(LD) $(LDFLAGS_BOOTSTRAP[xxx1] ) $$UNDEF_SYM $(OBJS_BOOTSTRAP) \

           --start-group $(LIBS_BOOTSTRAP) --end-group $(PLATFORM_LIBS) \

           -Map bootstrap.map -o bootstrap

u-boot:         depend version $(SUBDIRS) $(OBJS) $(LIBS) $(LDSCRIPT)

       UNDEF_SYM=`$(OBJDUMP) -x $(LIBS) |sed  -n -e 's/.*\(__u_boot_cmd_.*\)/-u\1/p'|sort|uniq`;\

       $(LD) $(LDFLAGS)[xxx2]  $$UNDEF_SYM $(OBJS) $(BOARD_EXTRA_OBJS) \

           --start-group $(LIBS) --end-group $(PLATFORM_LIBS) \

           -Map u-boot.map -o u-boot

以及

u-boot.lzimg: $(obj)u-boot.bin System.map

       @$(LZMA) e $(obj)u-boot.bin u-boot.bin.lzma

       @./tools/mkimage -A mips -T firmware -C lzma \

       -a 0x$(shell grep "T _start" $(TOPDIR)/System.map | awk '{ printf "%s", $$1 }') \

       -e 0x$(shell grep "T _start" $(TOPDIR)/System.map | awk '{ printf "%s", $$1 }') \

[xxx3]       -n 'u-boot image' -d $(obj)u-boot.bin.lzma $@

也就是說,在編譯的時候,就決定了tuboot需要在0x9f000000處被引導啟動,也就是說,燒寫tuboot時,需要燒到0x9f000000[xxx4] 處。

而0x9F00,0000屬於KSEG0范圍,其實際對應的物理地址也是0x1F00,0000[xxx5] (=0x9F00,0000&0x7FFF,FFFF)

B. Uboot編譯連接腳本文件,在ap121上,就是/boot/u-boot/board/ar7240/ap121/u-boot.lds

此文件的作用:

² 連接腳本是用來描述輸出文件的內存布局;源代碼經過編譯器編譯后包含如下段:

正文段text:包含程序的指令代碼;

數據段data:包含固定的數據,如常量和字符串;

未初始化數據段:包含未初始化的變量、數組等。

連接器的任務是將多個編譯后的文件的textdatabass等段連接在一起;而連接腳本文件就是告訴連接器從什么地址(運行時地址)開始放置這些段

² 此文件中,最要關注的是.text字段。一切從這里開始

C. 先運行bootstrap,然后再運行uboot

在\boot\u-boot\board\ar7240\ap121\u-boot-bootstrap.lds,有定義:ENTRY(_start_bootstrap)

在\boot\u-boot\board\ar7240\ap121\u-boot.lds,有定義:ENTRY(_start)

而在boot\u-boot\board\ar7240\ap121\config.mk,有定義:

# ROM version

ifeq ($(COMPRESSED_UBOOT),1)

TEXT_BASE = 0x80010000    #對應uboot的TEXT正文地址,見u-boot.map的_start

BOOTSTRAP_TEXT_BASE = 0x9f000000  #對應bootstrap的TEXT正文地址,見bootstrap.map的_start_bootstrap

[xxx6] else

TEXT_BASE = 0x9f000000

Endif

所以,先執行_start_bootstrap,再執行_start。那么,這兩個在哪兒?

D. 在bootstrap.map中,可以看到:

.text           0x000000009f000000     0x3aa0

 *(.text)

 .text      0x000000009f000000      0x8b0 cpu/mips/start_bootstrap.o

                0x000000009f000000                _start_bootstrap

     Address of section .text set to 0x9f000000

在u-boot.map中,可以看到:

.text           0x0000000080010000    0x17da0

*(.text)

.text          0x0000000080010000     0x3350 cpu/mips/start.o

0x0000000080010030                relocate_code

0x0000000080010000                _start

           Address of section .text set to 0x80010000

       然后,在boot/u-boot/cpu/mips中,可以找到:start_bootstrap.S和start.S

這兩個,就是真正執行_start_boostrap和_start的地方

       在__start_bootstrap中,可以看到:bootstrap_board_init_f和bootstrap_board_init_r。最后,在bootstrap_board_init_r中,有:

addr = (char *)(BOOTSTRAP_CFG_MONITOR_BASE + ((ulong)&uboot_end_data_bootstrap - dest_addr));

        memmove (&header, (char *)addr, sizeof(image_header_t));

        以及:

        data = addr + sizeof(image_header_t);/*越過uboot的頭,定位到uboot的凈荷開始*/

        fn = ntohl(hdr->ih_load);/*定位位於hdr->ih_load位置的起止程序,並執行之。這個程序就是__start*/

(*fn)(gd->ram_size);

    可見,bootstrap中會定位並剝掉uboot的image_header_t的頭,這樣就會調位到__start。

       下面,分析_start

E. 在start.S中,可以看到:board_init_f和board_init_r(boot/u-boot/lib_mips/board.c)。這就是從匯編進入C的兩個入口。先board_init_f,再board_init_r;

最終,在board_init_r中,調用無限循環:

for (;;) {

     main_loop ();

}

 

F. main_loop(boot/u-boot/common/main.c)中,最終會調用:run_command (lastcommand, flag);

G. 在run_command(boot/u-boot/common/main.c)中,利用find_cmd找到合適的cmd_tbl_t *cmdtp對象,最后執行((cmdtp->cmd) (cmdtp, flag, argc, argv)

並且,在cmd_bootm.c中,有定義:

U_BOOT_CMD(

     bootm, CFG_MAXARGS,  1,  do_bootm,

     "bootm   - boot application image from memory\n",

     "[addr [arg ...]]\n    - boot application image stored in memory\n"

     "\tpassing arguments 'arg ...'; when booting a Linux kernel,\n"

     "\t'arg' can be the address of an initrd image\n"

);

在boot/u-boot/include/command.h中,有定義:

#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) \

cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage}

那么,最初的((cmdtp->cmd) (cmdtp, flag, argc, argv),就會執行到do_bootm

H. 在boot模式下,敲入printenv,可以看到uboot所用到的環境變量的值:

ar7240> printenv

bootargs=console=ttyS0,115200 root=31:02 rootfstype=squashfs init=/sbin/init mtdparts=ar7240-nor0:256k(u-boot),64k(u-boot-env),2752k(rootfs),896k(uImage),64k(NVRAM),64k(ART)[xxx7] 

bootcmd=bootm 0x9f300000[xxx8] 

bootdelay=4[xxx9] 

baudrate=115200

ethaddr=0x00:0xaa:0xbb:0xcc:0xdd:0xee

ipaddr=192.168.1.2[xxx10] 

serverip=192.168.1.10[xxx11] 

stdin=serial

stdout=serial

stderr=serial

ethact=eth0

這些環境變量的定義,是在boot/u-boot/common/environment.c中賦值的;而具體的來源,則大部分在文件boot/u-boot/include/configs/ap121.h中定義;並且這些宏定義,是通過boot/u-boot/common/env_nowhere.c中的env_init引導的。

I. 在編譯內核鏡像時,有如下命令:

/home/xxx/140703_AR9331_Dev/u11_OnlyBasicAndWLAN_AP121-4MB/build/../boot/u-boot/tools/mkimage -A mips -O linux -T kernel -C gzip -a 0x80002000 -e 0x8019bd60 -n Linux Kernel Image -d /home/xxx/140703_AR9331_Dev/u11_OnlyBasicAndWLAN_AP121-4MB/build/../linux/kernels/mips-linux-2.6.31/arch/mips/boot/vmlinux.bin.gz /home/xxx/140703_AR9331_Dev/u11_OnlyBasicAndWLAN_AP121-4MB/build/../images/ap121-2.6.31/vmlinux.gz.uImage[xxx12] 

J. Uboot啟動內核,是調用cmd_bootm.c中的do_bootm函數,其傳入的命令參數就是:

bootm 0x9f300000[xxx13] 

然后,可以看到如下的啟動信息:

## Booting image at 9f300000 ... [xxx14] 

Image Name:   Linux Kernel Image

Created:      2013-02-06  22:27:48 UTC

Image Type:   MIPS Linux Kernel Image (lzma compressed)

Data Size:    771996 Bytes = 753.9 kB

Load Address: 80002000 [xxx15] 

Entry Point:  8019bd60[xxx16] 

Verifying Checksum at 0x9f300040 ...OK

   Uncompressing Kernel Image ... OK

上述這些信息,都是do_bootm函數中,讀取鏡像文件頭image_header_t信息后得出的

然后,利用gunzip ((void *)ntohl(hdr->ih_load), unc_len, (uchar *)data, &len) != 0),將壓縮的鏡像文件解壓縮到hdr->ih_load[xxx17] 指向的地址。

最后,調用do_bootm_linux  (cmdtp, flag, argc, argv,addr, len_ptr, verify); 開始內核啟動過程

K. do_bootm_linux(boot/u-boot/lib_mips/mips_linux.c)  :

² 獲得內核鏡像的啟動地址:

theKernel =

     (void (*)(int, char **, char **, int)) ntohl (hdr->ih_ep);

² [xxx18] 解析boot_args字段,得到:

linux_params_init (UNCACHED_SDRAM (gd->bd->bi_boot_params), commandline);

² 最后,直接運行內核鏡像的啟動地址:

flash_size_mbytes = gd->bd->bi_flashsize/(1024 * 1024);

theKernel (linux_argc, linux_argv, linux_env, flash_size_mbytes);[xxx19] 

L. entry: 0x8019bf90地址上的程序,是什么呢?

看一下:linux/kernels/mips-linux-2.6.31/System.map,搜索8019bf9,會發現:

ffffffff8019bf90 T kernel_entry

哈哈,原來該地址上的程序是:kernel_entry

M. kernel_entry在arch/mips/kernel/head.S中定義;並且最終會跳轉到start_kernel函數,從而進入C代碼

N. 這里就調用了start_kernel(linux/kernels/mips-linux-2.6.31/init/main.c) 

O. Start_kernel->rest_init->kernel_thread([xxx20]kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);->kernel_init->init_post->run_init_process("/sbin/init"); --> 進入busybox的init流程


 [xxx1]## LDFLAGS_BOOTSTRAP 中,含有-Bstatic -T $(LDSCRIPT_BOOTSTRAP) -Ttext $(BOOTSTRAP_TEXT_BASE) $(PLATFORM_LDFLAGS)

## BOOTSTRAP_TEXT_BASE,在boot\u-boot\board\ar7240\ap121\config.mk中有定義,指明了BOOTSTRAP_TEXT_BASE = 0x9f000000,bootstrap的報文段會從此地址開始。

## 那么,也就是要求:需要將tuboot放到0x9f000000處。這樣tuboot啟動時,才能找到這里的正確位置

 [xxx2]## LDFLAGS += -Bstatic -T $(LDSCRIPT) -Ttext $(TEXT_BASE) $(PLATFORM_LDFLAGS)

## 其中的$(TEXT_BASE)boot\u-boot\board\ar7240\ap121\config.mk中有定義,指明了TEXT_BASE = 0x80010000,uboot的報文段會從此地址開始        

 [xxx3]           

-a 0xffffffff80010000 \

-e 0xffffffff80010000 \

 [xxx4]0x9f000000位於KSEG0地址段,其距離KSEG0地址段上限(0x9fffffff)還有0x1000000,即16M的空間。也就是說,設置0x9f000000作為基地址,也就意味着AR9331可以支持最多16MB Flash ---我的猜測,不知道是否正確

 [xxx5]MIPS24K的固定起始地址是一樣的。這就是為何要規定基地址是0x9F00,0000的緣故

 [xxx6]這是u-bootbootstrap在內存中的運行域

 [xxx7]ap121.h中的CONFIG_BOOTARGS定義

表示傳遞給內核的啟動參數

 [xxx8]ap121.h中的CONFIG_BOOTCOMMAND定義

表示自動啟動時執行的命令

這里的0x9f300000就是linux內核的TEXT_BASE地址;這也正是uboot下的cp.b命令燒寫Linux內核的目的地址

 [xxx9]執行自動啟動的等候秒數

 [xxx10]ap121.h中的CONFIG_IPADDR定義,表示uboot模式下,單板的IP地址

 [xxx11]ap121.h中的CONFIG_SERVERIP定義,表示uboot升級時,所認可的TFTP ServerIP地址

 [xxx12]參數說明:

  -a ==> set load address to 'addr' (hex)  -- 表示內核的運行地址

 -e ==> set entry point to 'ep' (hex)

是入口地址

 [xxx13]這就是在使用uboot燒寫內核文件時,給出的基地址

 [xxx14]對應bootm的參數

 [xxx15]對應編譯時的-a參數

 [xxx16]對應編譯時的-e參數

 [xxx17]就是mkimage –a選項指定的地址

 [xxx18]ap121上,這個值就是entry: 0x8019bf90

 [xxx19]也就是直接運行位於

entry: 0x8019bf90地址上的程序

 [xxx20]創建內核線程

 


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