[uboot] （第三章）uboot流程——uboot-spl代碼流程

http://blog.csdn.net/ooonebook/article/details/52957395

 

以下例子都以project X項目tiny210（s5pv210平台,armv7架構）為例。

[uboot] uboot流程系列： 
[project X] tiny210(s5pv210)上電啟動流程（BL0-BL2） 
[uboot] （第一章）uboot流程——概述 
[uboot] （第二章）uboot流程——uboot-spl編譯流程

建議參考文章 
[kernel 啟動流程] （第二章）第一階段之——設置SVC、關閉中斷 
[kernel 啟動流程] （第六章）第一階段之——打開MMU 
ARM的CP15協處理器的寄存器

建議先看《[project X] tiny210(s5pv210)上電啟動流程（BL0-BL2）》，根據例子了解一下上電之后的BL0\BL1\BL2階段，以及各個階段的運行位置，功能。

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一、說明

1、uboot-spl入口說明

通過uboot-spl編譯腳本project-X/u-boot/arch/arm/cpu/u-boot-spl.lds

ENTRY(_start)

所以uboot-spl的代碼入口函數是_start 
對應於路徑project-X/u-boot/arch/arm/lib/vector.S的_start，后續就是從這個函數開始分析。

2、CONFIG_SPL_BUILD說明

前面說過，在編譯SPL的時候，編譯參數會有如下語句： 
project-X/u-boot/scripts/Makefile.spl

KBUILD_CPPFLAGS += -DCONFIG_SPL_BUILD

所以說在編譯SPL的代碼的過程中，CONFIG_SPL_BUILD這個宏是打開的。 
uboot-spl和uboot的代碼是通用的，其區別就是通過CONFIG_SPL_BUILD宏來進行區分的。

二、uboot-spl需要做的事情

CPU初始剛上電的狀態。需要小心的設置好很多狀態，包括cpu狀態、中斷狀態、MMU狀態等等。 
在armv7架構的uboot-spl，主要需要做如下事情

• 關閉中斷，svc模式
• 禁用MMU、TLB
• 芯片級、板級的一些初始化操作 
  
  • IO初始化
  • 時鍾
  • 內存
  • 選項，串口初始化
  • 選項，nand flash初始化
  • 其他額外的操作
• 加載BL2，跳轉到BL2

上述工作，也就是uboot-spl代碼流程的核心。

三、代碼流程

1、代碼整體流程

代碼整體流程如下，以下列出來的就是spl核心函數。 
_start———–>reset————–>關閉中斷 
………………………………| 
………………………………———->cpu_init_cp15———–>關閉MMU,TLB 
………………………………| 
………………………………———->cpu_init_crit————->lowlevel_init————->平台級和板級的初始化 
………………………………| 
………………………………———->_main————–>board_init_f_alloc_reserve & board_init_f_init_reserve & board_init_f———->加載BL2,跳轉到BL2 
board_init_f執行時已經是C語言環境了。在這里需要結束掉SPL的工作，跳轉到BL2中。

2、_start

上述已經說明了_start是整個spl的入口，其代碼如下： 
arch/arm/lib/vector.S

_start:
#ifdef CONFIG_SYS_DV_NOR_BOOT_CFG .word CONFIG_SYS_DV_NOR_BOOT_CFG #endif b reset

會跳轉到reset中。 
注意，spl的流程在reset中就應該被結束，也就是說在reset中，就應該轉到到BL2，也就是uboot中了。 
后面看reset的實現。

3、reset

建議先參考[kernel 啟動流程] （第二章）第一階段之——設置SVC、關閉中斷，了解一下為什么要設置SVC、關閉中斷以及如何操作。

代碼如下： 
arch/arm/cpu/armv7/start.S

    .globl  reset
    .globl  save_boot_params_ret

reset:
    /* Allow the board to save important registers */ b save_boot_params save_boot_params_ret: /* * disable interrupts (FIQ and IRQ), also set the cpu to SVC32 mode, * except if in HYP mode already */ mrs r0, cpsr and r1, r0, #0x1f @ mask mode bits teq r1, #0x1a @ test for HYP mode bicne r0, r0, #0x1f @ clear all mode bits orrne r0, r0, #0x13 @ set SVC mode orr r0, r0, #0xc0 @ disable FIQ and IRQ msr cpsr,r0 @@ 以上通過設置CPSR寄存器里設置CPU為SVC模式，禁止中斷 @@ 具體操作可以參考《[kernel 啟動流程] （第二章）第一階段之——設置SVC、關閉中斷》的分析 /* the mask ROM code should have PLL and others stable */ #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT bl cpu_init_cp15 @@ 調用cpu_init_cp15，初始化協處理器CP15,從而禁用MMU和TLB。 @@ 后面會有一小節進行分析 bl cpu_init_crit @@ 調用cpu_init_crit，進行一些關鍵的初始化動作，也就是平台級和板級的初始化 @@ 后面會有一小節進行分析 #endif bl _main @@ 跳轉到主函數，也就是要加載BL2以及跳轉到BL2的主體部分

 

4、cpu_init_cp15

建議先參考[kernel 啟動流程] （第六章）第一階段之——打開MMU兩篇文章的分析。 
cpu_init_cp15主要用於對cp15協處理器進行初始化，其主要目的就是關閉其MMU和TLB。 
代碼如下(去掉無關部分的代碼)： 
arch/arm/cpu/armv7/start.S

ENTRY(cpu_init_cp15)
    /* * Invalidate L1 I/D */ mov r0, #0 @ set up for MCR mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 @ invalidate TLBs mcr p15, 0, r0, c7, c5, 0 @ invalidate icache mcr p15, 0, r0, c7, c5, 6 @ invalidate BP array mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4 @ DSB mcr p15, 0, r0, c7, c5, 4 @ ISB @@ 這里只需要知道是對CP15處理器的部分寄存器清零即可。 @@ 將協處理器的c7\c8清零等等，各個寄存器的含義請參考《ARM的CP15協處理器的寄存器》 /* * disable MMU stuff and caches */ mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 bic r0, r0, #0x00002000 @ clear bits 13 (--V-) bic r0, r0, #0x00000007 @ clear bits 2:0 (-CAM) orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 1 (--A-) Align orr r0, r0, #0x00000800 @ set bit 11 (Z---) BTB #ifdef CONFIG_SYS_ICACHE_OFF bic r0, r0, #0x00001000 @ clear bit 12 (I) I-cache #else orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-cache #endif mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @@ 通過上述的文章的介紹，我們可以知道cp15的c1寄存器就是MMU控制器 @@ 上述對MMU的一些位進行清零和置位，達到關閉MMU和cache的目的，具體的話去看一下上述文章吧。 ENDPROC(cpu_init_cp15)

5、cpu_init_crit

cpu_init_crit，進行一些關鍵的初始化動作，也就是平台級和板級的初始化。其代碼核心就是lowlevel_init，如下 
arch/arm/cpu/armv7/start.S

ENTRY(cpu_init_crit)
    /* * Jump to board specific initialization... * The Mask ROM will have already initialized * basic memory. Go here to bump up clock rate and handle * wake up conditions. */ b lowlevel_init @ go setup pll,mux,memory ENDPROC(cpu_init_crit)

所以說lowlevel_init就是這個函數的核心。 
lowlevel_init一般是由板級代碼自己實現的。但是對於某些平台來說，也可以使用通用的lowlevel_init，其定義在arch/arm/cpu/lowlevel_init.S中 
以tiny210為例，在移植tiny210的過程中，就需要在board/samsung/tiny210下，也就是板級目錄下面創建lowlevel_init.S，在內部實現lowlevel_init。（其實只要實現了lowlevel_init了就好，沒必要說在哪里是實現，但是通常規范都是創建了lowlevel_init.S來專門實現lowlevel_init函數）。

在lowlevel_init中，我們要實現如下： 
* 檢查一些復位狀態 
* 關閉看門狗 
* 系統時鍾的初始化 
* 內存、DDR的初始化 
* 串口初始化（可選） 
* Nand flash的初始化

下面以tiny210的lowlevel_init為例（這里說明一下，當時移植tiny210的時候，是直接把kangear的這個lowlevel_init.S文件拿過來用的） 
這部分代碼和平台相關性很強，簡單介紹一下即可 
board/samsung/tiny210/lowlevel_init.S

lowlevel_init:
    push    {lr}

    /* check reset status */ ldr r0, =(ELFIN_CLOCK_POWER_BASE+RST_STAT_OFFSET) ldr r1, [r0] bic r1, r1, #0xfff6ffff cmp r1, #0x10000 beq wakeup_reset_pre cmp r1, #0x80000 beq wakeup_reset_from_didle @@ 讀取復位狀態寄存器0xE010_a000的值，判斷復位狀態。 /* IO Retention release */ ldr r0, =(ELFIN_CLOCK_POWER_BASE + OTHERS_OFFSET) ldr r1, [r0] ldr r2, =IO_RET_REL orr r1, r1, r2 str r1, [r0] @@ 讀取混合狀態寄存器E010_e000的值，對其中的某些位進行置位，復位后需要對某些wakeup位置1，具體我也沒搞懂。 /* Disable Watchdog */ ldr r0, =ELFIN_WATCHDOG_BASE /* 0xE2700000 */ mov r1, #0 str r1, [r0] @@ 關閉看門狗 @@ 這里忽略掉一部分對外部SROM操作的代碼 /* when we already run in ram, we don't need to relocate U-Boot. * and actually, memory controller must be configured before U-Boot * is running in ram. */ ldr r0, =0x00ffffff bic r1, pc, r0 /* r0 <- current base addr of code */ ldr r2, _TEXT_BASE /* r1 <- original base addr in ram */ bic r2, r2, r0 /* r0 <- current base addr of code */ cmp r1, r2 /* compare r0, r1 */ beq 1f /* r0 == r1 then skip sdram init */ @@ 判斷是否已經在SDRAM上運行了，如果是的話，就跳過以下兩個對ddr初始化的步驟 @@ 判斷方法如下： @@ 1、獲取當前pc指針的地址，屏蔽其低24bit，存放與r1中 @@ 2、獲取_TEXT_BASE（CONFIG_SYS_TEXT_BASE）地址，也就是uboot代碼段的鏈接地址，后續在uboot篇的時候會說明，並屏蔽其低24bit @@ 3、如果相等的話，就跳過DDR初始化的部分 /* init system clock */ bl system_clock_init @@ 初始化系統時鍾，后續有時間再研究一下具體怎么配置的 /* Memory initialize */ bl mem_ctrl_asm_init @@ 重點注意：在這里初始化DDR的！！！后續會寫一篇文章說明一下s5pv210平台如何初始化DDR. 1: /* for UART */ bl uart_asm_init @@ 串口初始化，到這里串口會打印出一個'O'字符，后續通過寫字符到UTXH_OFFSET寄存器中，就可以在串口上輸出相應的字符。 bl tzpc_init #if defined(CONFIG_NAND) /* simple init for NAND */ bl nand_asm_init @@ 簡單地初始化一下NAND flash，有可能BL2的鏡像是在nand flash上面的。 #endif /* Print 'K' */ ldr r0, =ELFIN_UART_CONSOLE_BASE ldr r1, =0x4b4b4b4b str r1, [r0, #UTXH_OFFSET] @@ 再串口上打印‘K’字符，表示lowlevel_init已經完成 pop {pc} @@ 彈出PC指針，即返回。

 

當串口中打印出‘OK’的字符的時候，說明lowlevel_init已經執行完成。 
system_clock_init是初始化時鍾的地方。 mem_ctrl_asm_init這個函數是初始化DDR的地方。后續應該有研究一下這兩個函數。這里先有個印象。

6、_main

spl的main的主要目標是調用board_init_f進行先前的板級初始化動作，在tiny210中，主要設計為，加載BL2到DDR上並且跳轉到BL2中。DDR在上述lowlevel_init中已經初始化好了。 
由於board_init_f是以C語言的方式實現，所以需要先構造C語言環境。 
注意：uboot-spl和uboot的代碼是通用的，其區別就是通過CONFIG_SPL_BUILD宏來進行區分的。 
所以以下代碼中，我們只列出spl相關的部分，也就是被CONFIG_SPL_BUILD包含的部分。 
arch/arm/lib/crt0.S

ENTRY(_main)

/* * Set up initial C runtime environment and call board_init_f(0). */ @ 注意看這里的注釋，也說明了以下代碼的主要目的是，初始化C運行環境，調用board_init_f。 ldr sp, =(CONFIG_SPL_STACK) bic sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */ mov r0, sp bl board_init_f_alloc_reserve mov sp, r0 /* set up gd here, outside any C code */ mov r9, r0 bl board_init_f_init_reserve mov r0, #0 bl board_init_f ENDPROC(_main)

代碼拆分如下： 
（1）因為后面是C語言環境，首先是設置堆棧

    ldr sp, =(CONFIG_SPL_STACK)
@@ 設置堆棧為CONFIG_SPL_STACK

    bic sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */ @@ 堆棧是8字節對齊，2^7bit=2^3byte=8byte mov r0, sp @@ 把堆棧地址存放到r0寄存器中

 

關於CONFIG_SPL_STACK，我們通過前面的文章《[project X] tiny210(s5pv210)上電啟動流程（BL0-BL2）》 
我們已經知道s5pv210的BL1(spl)是運行在IRAM的，並且IRAM的地址空間是0xD002_0000-0xD003_7FFF，IRAM前面的部分放的是BL1的代碼部分，所以把IRAM最后的空間用來當作堆棧。 
所以CONFIG_SPL_STACK定義如下： 
include/configs/tiny210.h

#define CONFIG_SPL_STACK 0xD0037FFF

注意：上述還不是最終的堆棧地址，只是暫時的堆棧地址！！！

（2）為GD分配空間

    bl  board_init_f_alloc_reserve
@@ 把堆棧的前面一部分空間分配給GD使用

    mov sp, r0
@@ 重新設置堆棧指針SP

    /* set up gd here, outside any C code */ mov r9, r0 @@ 保存GD的地址到r9寄存器中

注意：雖然sp的地址和GD的地址是一樣的，但是堆棧是向下增長的，而GD則是占用該地址后面的部分，所以不會有沖突的問題。 
關於GD，也就是struct global_data，可以簡單的理解為uboot的全局變量都放在了這里，比較重要，所以后續有會寫篇文章說明一下global_data。這里只需要知道在開始C語言環境的時候需要先為這個結構體分配空間。 
board_init_f_alloc_reserve實現如下 
common/init/board_init.c

ulong board_init_f_alloc_reserve(ulong top)
{
    /* Reserve early malloc arena */ /* LAST : reserve GD (rounded up to a multiple of 16 bytes) */ top = rounddown(top-sizeof(struct global_data), 16); // 現將top（也就是r0寄存器，前面說過存放了暫時的指針地址），減去sizeof(struct global_data)，也就是預留出一部分空間給sizeof(struct global_data)使用。 // rounddown表示向下16個字節對其 return top; // 到這里，top就存放了GD的地址，也是SP的地址 //把top返回，注意，返回后，其實還是存放在了r0寄存器中。 }

還有一點，其實GD在spl中沒什么使用，主要是用在uboot中，但在uboot中的時候還需要另外分配空間，在講述uboot流程的時候會說明。

（3）初始化GD空間 
前面說了，此時r0寄存器存放了GD的地址。

    bl  board_init_f_init_reserve

 

board_init_f_init_reserve實現如下 
common/init/board_init.c 
編譯SPL的時候_USE_MEMCPY宏沒有打開，所以我們去掉了_USE_MEMCPY的無關部分。

void board_init_f_init_reserve(ulong base) { struct global_data *gd_ptr; int *ptr; /* * clear GD entirely and set it up. * Use gd_ptr, as gd may not be properly set yet. */ gd_ptr = (struct global_data *)base; // 從r0獲取GD的地址 /* zero the area */ for (ptr = (int *)gd_ptr; ptr < (int *)(gd_ptr + 1); ) *ptr++ = 0; // 對GD的空間進行清零 }

 

（4）跳轉到板級前期的初始化函數中 
如下代碼

    bl  board_init_f

 

board_init_f需要由板級代碼自己實現。 
在這個函數中，tiny210主要是實現了從SD卡上加載了BL2到ddr上，然后跳轉到BL2的相應位置上 
tiny210的實現如下： 
board/samsung/tiny210/board.c

#ifdef CONFIG_SPL_BUILD void board_init_f(ulong bootflag) { __attribute__((noreturn)) void (*uboot)(void); int val; #define DDR_TEST_ADDR 0x30000000 #define DDR_TEST_CODE 0xaa tiny210_early_debug(0x1); writel(DDR_TEST_CODE, DDR_TEST_ADDR); val = readl(DDR_TEST_ADDR); if(val == DDR_TEST_CODE) tiny210_early_debug(0x3); else { tiny210_early_debug(0x2); while(1); } // 先測試DDR是否完成 copy_bl2_to_ddr(); // 加載BL2的代碼到ddr上 uboot = (void *)CONFIG_SYS_TEXT_BASE; // uboot函數設置為BL2的加載地址上 (*uboot)(); // 調用uboot函數，也就跳轉到BL2的代碼中 } #endif

關於copy_bl2_to_ddr的實現，也就是如何從SD卡或者nand flash上加載BL2到DDR上的問題，請參考后續文章《[project X] tiny210(s5pv210)代碼加載說明》。

到此，SPL的任務就完成了，也已經跳到了BL2也就是uboot里面去了。