[uboot] （第五章）uboot流程——uboot啟動流程

 

http://blog.csdn.net/ooonebook/article/details/53070065

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） 
[project X] tiny210(s5pv210)從存儲設備加載代碼到DDR 
[uboot] （第一章）uboot流程——概述 
[uboot] （第二章）uboot流程——uboot-spl編譯流程 
[uboot] （第三章）uboot流程——uboot-spl代碼流程 
[uboot] （第四章）uboot流程——uboot編譯流程 
[uboot] （番外篇）global_data介紹 
[uboot] （番外篇）uboot relocation介紹

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。 
建議可以和《[uboot] （番外篇）global_data介紹》和《[uboot] （番外篇）uboot relocation介紹》結合起來看。

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一、uboot說明

1、uboot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。其次，就是要根據硬件資源進行板級的初始化，代碼重定向等等。最后，就是進入命令行狀態，等待處理命令。 
在armv7架構的uboot，主要需要做如下事情

• arch級的初始化

  • 關閉中斷，設置svc模式
  • 禁用MMU、TLB
  • 關鍵寄存器的設置，包括時鍾、看門狗的寄存器

• 板級的初始化

  • 堆棧環境的設置
  • 代碼重定向之前的板級初始化，包括串口、定時器、環境變量、I2C\SPI等等的初始化
  • 進行代碼重定向
  • 代碼重定向之后的板級初始化，包括板級代碼中定義的初始化操作、emmc、nand flash、網絡、中斷等等的初始化。
  • 進入命令行狀態，等待終端輸入命令以及對命令進行處理

上述工作，也就是uboot流程的核心。

2、疑問

• 在前面的文章中雖然已經說明了，在spl的階段中已經對arch級進行了初始化了，為什么uboot里面還要對arch再初始化一遍？ 
  回答：spl對於啟動uboot來說並不是必須的，在某些情況下，上電之后uboot可能在ROM上或者flash上開始執行而並沒有使用spl。這些都是取決於平台的啟動機制。因此uboot並不會考慮spl是否已經對arch進行了初始化操作，uboot會完整的做一遍初始化動作，以保證cpu處於所要求的狀態下。

• 和spl在啟動過程的差異在哪里？ 
  回答：以tiny210而言，前期arch的初始化流程基本上是一致的，出現本質區別的是在board_init_f開始的。

  • spl的board_init_f是由board自己實現相應的功能，例如tiny210則是在board/samsung/tiny210/board.c中。其主要實現了復制uboot到ddr中，並且跳轉到uboot的對應位置上。一般spl在這里就可以完成自己的工作了。
  • uboot的board_init_f是在common下實現的，其主要實現uboot relocate前的板級初始化以及relocate的區域規划，其還需要往下走其他初始化流程。

3、代碼入口

project-X/u-boot/arch/arm/cpu/u-boot.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。

二、代碼整體流程

1、首先看一下主枝干的流程（包含了arch級的初始化）

在arch級初始化是和spl完全一致的 
_start———–>reset————–>關閉中斷 
………………………………| 
………………………………———->cpu_init_cp15———–>關閉MMU,TLB 
………………………………| 
………………………………———->cpu_init_crit————->lowlevel_init————->關鍵寄存器的配置和初始化 
………………………………| 
………………………………———->_main————–>進入板級初始化，具體看下面

2、板級初始化的流程

_main————–>board_init_f_alloc_reserve —————>堆棧、GD、early malloc空間的分配 
…………| 
…………————->board_init_f_init_reserve —————>堆棧、GD、early malloc空間的初始化 
…………| 
…………————->board_init_f —————>uboot relocate前的板級初始化以及relocate的區域規划 
…………| 
…………————->relocate_code、relocate_vectors —————>進行uboot和異常中斷向量表的重定向 
…………| 
…………————->舊堆棧的清空 
…………| 
…………————->board_init_r —————>uboot relocate后的板級初始化 
…………| 
…………————->run_main_loop —————>進入命令行狀態，等待終端輸入命令以及對命令進行處理

三、arch級初始化代碼分析

1、_start

上述已經說明了_start是整個uboot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。

2、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，也就是板級初始化函數 @@ 下一節中進行說明。

3、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)

4、cpu_init_crit

cpu_init_crit，進行一些關鍵寄存器的初始化動。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. @@ 其實，在tiny210的項目中，已經在spl里面對ddr初始化了一遍，這里還是又重新初始化了一遍，從實際測試結果來看，並不影響正常的使用。 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。

三、板級初始化代碼分析

1、_main

板級初始化代碼的入口就是_main。從這里開始分析。 
建議可以和《[uboot] （番外篇）global_data介紹》和《[uboot] （番外篇）uboot relocation介紹》結合起來看。 
代碼如下，去除無關代碼部分 
arch/arm/lib/crt0.S

ENTRY(_main)

/* * Set up initial C runtime environment and call board_init_f(0). */ ldr sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR) 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 @@ 以上是堆棧、GD、early malloc空間的分配，具體參考《[uboot] （番外篇）global_data介紹》 mov r0, #0 bl board_init_f @@ uboot relocate前的板級初始化以及relocate的區域規划，后續小節繼續說明 @@ 其中relocate區域規划也可以參考一下《[uboot] （番外篇）uboot relocation介紹》 /* * Set up intermediate environment (new sp and gd) and call * relocate_code(addr_moni). Trick here is that we'll return * 'here' but relocated. */ ldr sp, [r9, #GD_START_ADDR_SP] /* sp = gd->start_addr_sp */ bic sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */ ldr r9, [r9, #GD_BD] /* r9 = gd->bd */ sub r9, r9, #GD_SIZE /* new GD is below bd */ adr lr, here ldr r0, [r9, #GD_RELOC_OFF] /* r0 = gd->reloc_off */ add lr, lr, r0 ldr r0, [r9, #GD_RELOCADDR] /* r0 = gd->relocaddr */ b relocate_code here: /* * now relocate vectors */ bl relocate_vectors @@ GD、uboot、異常中斷向量表的relocate，可以參考《[uboot] （番外篇）uboot relocation介紹》，這里不詳細說明 /* Set up final (full) environment */ bl c_runtime_cpu_setup /* we still call old routine here */ @@ 通過操作協處理器的c7寄存器來關閉Icache ldr r0, =__bss_start /* this is auto-relocated! */ ldr r3, =__bss_end /* this is auto-relocated! */ mov r1, #0x00000000 /* prepare zero to clear BSS */ subs r2, r3, r0 /* r2 = memset len */ bl memset @@ 因為堆棧段已經被relocate，所以這里需要清空原來的堆棧段的內容 bl coloured_LED_init bl red_led_on @@ LED燈的初始化，可以不實現，想要實現的話，可以在board里重新實現一個函數定義。 /* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */ mov r0, r9 /* gd_t */ ldr r1, [r9, #GD_RELOCADDR] /* dest_addr */ /* call board_init_r */ ldr pc, =board_init_r /* this is auto-relocated! */ /* we should not return here. */ @@ uboot relocate后的板級初始化，注意，uboot必須在這里就完成工作，或者在里面實現死循環，不應該返回。 ENDPROC(_main)

通過上述，有兩個很重要的初始化函數，board_init_f和board_init_r，后續繼續說明。

2、board_init_f

代碼如下： 
common/board_f.c

void board_init_f(ulong boot_flags) { gd->flags = boot_flags; gd->have_console = 0; // 設置global_data里面的一些標志位 if (initcall_run_list(init_sequence_f)) hang(); // 調用initcall_run_list依次執行init_sequence_f函數數組里面的函數，initcall_run_list這里不深究 // 一旦init_sequence_f的函數出錯，會導致initcall_run_list返回不為0，而從卡掉 }

打開DEBUG宏之后，可以通過log觀察哪些init函數被調用，如下log：

uboot log中有如下log：
initcall: 23e005a4 根據u-boot.map可以發現對應 .text.print_cpuinfo 0x23e005a4 0x8 arch/arm/cpu/armv7/built-in.o 0x23e005a4 print_cpuinfo 也就是說print_cpuinfo被initcall調用了。

所以uboot relocate之前的板級初始化的核心就是init_sequence_f中定義的函數了。 
如下，這里只做簡單的說明，需要的時候再具體分析：

static init_fnc_t init_sequence_f[] = { setup_mon_len, // 計算整個鏡像的長度gd->mon_len initf_malloc, // early malloc的內存池的設定 initf_console_record, // console的log的緩存 arch_cpu_init, /* basic arch cpu dependent setup */ // cpu的一些特殊的初始化 initf_dm, arch_cpu_init_dm, mark_bootstage, /* need timer, go after init dm */ /* TODO: can any of this go into arch_cpu_init()? */ env_init, /* initialize environment */ // 環境變量的初始化，后續會專門研究一下關於環境變量的內容 init_baud_rate, /* initialze baudrate settings */ // 波特率的初始化 serial_init, /* serial communications setup */ // 串口的初始化 console_init_f, /* stage 1 init of console */ // console的初始化 print_cpuinfo, /* display cpu info (and speed) */ // 打印CPU的信息 init_func_i2c, init_func_spi, // i2c和spi的初始化 dram_init, /* configure available RAM banks */ // ddr的初始化，最重要的是ddr ram size的設置！！！！gd->ram_size // 如果說uboot是在ROM、flash中運行的話，那么這里就必須要對DDR進行初始化 //======================================== setup_dest_addr, reserve_round_4k, reserve_trace, setup_machine, reserve_global_data, reserve_fdt, reserve_arch, reserve_stacks, // ==以上部分是對relocate區域的規划，具體參考《[uboot] （番外篇）uboot relocation介紹》 setup_dram_config, show_dram_config, display_new_sp, reloc_fdt, setup_reloc, // relocation之后gd一些成員的設置 NULL, };

注意，必須保證上述的函數都正確地返回0值，否則會導致hang。

3、board_init_r

代碼如下： 
common/board_r.c

void board_init_r(gd_t *new_gd, ulong dest_addr) { if (initcall_run_list(init_sequence_r)) hang(); // 調用initcall_run_list依次執行init_sequence_r函數數組里面的函數，initcall_run_list這里不深究 // 一旦init_sequence_r的函數出錯，會導致initcall_run_list返回不為0，而從卡掉 /* NOTREACHED - run_main_loop() does not return */ hang(); // uboot要求在這個函數里面終止一切工作，或者進入死循環，一旦試圖返回，則直接hang。 }

所以uboot relocate之前的板級初始化的核心就是init_sequence_r中定義的函數了。 
如下，這里只做簡單的說明，需要的時候再具體分析： 
common/board_r.c

init_fnc_t init_sequence_r[] = {
    initr_trace,
// trace相關的初始化 initr_reloc, // gd中一些關於relocate的標識的設置 initr_reloc_global_data, // relocate之后，gd中一些的成員的重新設置 initr_malloc, // malloc內存池的設置 initr_console_record, bootstage_relocate, initr_bootstage, #if defined(CONFIG_ARM) || defined(CONFIG_NDS32) board_init, /* Setup chipselects */ // 板級自己需要的特殊的初始化函數，如board/samsung/tiny210/board.c中定義了board_init這個函數 #endif stdio_init_tables, initr_serial, // 串口初始化 initr_announce, // 打印uboot運行位置的log initr_logbuffer, // logbuffer的初始化 power_init_board, #ifdef CONFIG_CMD_NAND initr_nand, // 如果使用nand flash，那么這里需要對nand進行初始化 #endif #ifdef CONFIG_GENERIC_MMC initr_mmc, // 如果使用emmc，那么這里需要對nand進行初始化 #endif initr_env, // 初始化環境變量 initr_secondary_cpu, stdio_add_devices, initr_jumptable, console_init_r, /* fully init console as a device */ interrupt_init, // 初始化中斷 #if defined(CONFIG_ARM) || defined(CONFIG_AVR32) initr_enable_interrupts, // 使能中斷 #endif run_main_loop, // 進入一個死循環，在死循環里面處理終端命令。 };

最終，uboot運行到了run_main_loop，並且在run_main_loop進入命令行狀態，等待終端輸入命令以及對命令進行處理。 
到此，uboot流程也就完成了，后續會專門說明uboot的run_main_loop是怎么運行的。