海思uboot啟動流程詳細分析(二)


1. 第二個start.S

start_armboot開始,在startup.c中有包含#include <config.h>

在config.h中:

/* Automatically generated - do not edit */
#define CONFIG_BOARDDIR board/hisilicon/hi3559av100
#include <config_defaults.h>
#include <config_uncmd_spl.h>
#include <configs/hi3559av100.h>
#include <asm/config.h>
#include <config_fallbacks.h>

hi3559av100.h中:

#define CONFIG_SYS_TEXT_BASE            0x48800000

hi3559av100.h中,看到了CONFIG_SYS_TEXT_BASE的宏

/* CONFIG_SYS_TEXT_BASE needs to align with where ATF loads bl33.bin */
#define CONFIG_SYS_TEXT_BASE		0x48800000

查看u-boot.map在這里又來到了上一層的start.S中來,所以可以知道這兩個是由兩個文件組成的,一個是u-boot.bin和reg_info.bin,就是說兩個不同的start.S的流程來合成一個最終的u-boot-hi3559av100.bin

這個便是正常的流程了:

本文將結合u-boot的“board—>machine—>arch—>cpu”框架,介紹u-boot中平台相關部分的啟動流程。並通過對啟動流程的簡單分析,掌握u-boot移植的基本方法。

2. 多平台架構

這些問題的本質,是軟件工程中的抽象和封裝,以最簡潔、最高效的方式,實現盡可能多的功能。u-boot作為一個跨平台、跨設備的bootloader,同樣會面臨這些問題。它的解決方案,就是“board—>machine—>arch—>cpu”框架,如下:

image

基於圖片1的架構,u-boot和平台有關的初始化流程,顯得比較直觀、清晰:

1)u-boot啟動后,會先執行CPU(如armv8)的初始化代碼。

2)CPU相關的代碼,會調用ARCH的公共代碼(如arch/arm)。

3)ARCH的公共代碼,在適當的時候,調用board有關的接口。u-boot的功能邏輯,大多是由common代碼實現,部分和平台有關的部分,則由公共代碼聲明,由board代碼實現。

4)board代碼在需要的時候,會調用machine(arch/arm/mach-xxx)提供的接口,實現特定的功能。因此machine的定位是提供一些基礎的代碼支持,不會直接參與到u-boot的功能邏輯中。

3. 平台相關部分的啟動流程分析

本文先不涉及u-boot和平台相關的Kconfig/Makefile部分,以ARM64為例,假定u-boot首先從“arch/arm/cpu/armv8/start.S”的_start接口開始執行。因此我們從_start開始分析。

3.1 _start

_start是u-boot啟動后的第一個執行地址,對armv8來說,它只是簡單的跳轉到reset處執行,如下:

.globl	_start
_start:
	b	reset

3.2 reset

reset:
	/* Allow the board to save important registers */
	b	save_boot_params
.globl	save_boot_params_ret
save_boot_params_ret:

#ifdef CONFIG_SYS_RESET_SCTRL
	bl reset_sctrl
#endif
	/*
	 * Could be EL3/EL2/EL1, Initial State:
	 * Little Endian, MMU Disabled, i/dCache Disabled
	 */
	adr	x0, vectors
	switch_el x1, 3f, 2f, 1f
3:	msr	vbar_el3, x0
	mrs	x0, scr_el3
	orr	x0, x0, #0xf			/* SCR_EL3.NS|IRQ|FIQ|EA */
	msr	scr_el3, x0
	msr	cptr_el3, xzr			/* Enable FP/SIMD */
#ifdef COUNTER_FREQUENCY
	ldr	x0, =COUNTER_FREQUENCY
	msr	cntfrq_el0, x0			/* Initialize CNTFRQ */
#endif
	b	0f
2:	msr	vbar_el2, x0
	mov	x0, #0x33ff
	msr	cptr_el2, x0			/* Enable FP/SIMD */
	b	0f
1:	msr	vbar_el1, x0
	mov	x0, #3 << 20
	msr	cpacr_el1, x0			/* Enable FP/SIMD */
0:

	/* Apply ARM core specific erratas */
	bl	apply_core_errata

	/*
	 * Cache/BPB/TLB Invalidate
	 * i-cache is invalidated before enabled in icache_enable()
	 * tlb is invalidated before mmu is enabled in dcache_enable()
	 * d-cache is invalidated before enabled in dcache_enable()
	 */

	/* Processor specific initialization */
	bl	lowlevel_init

1)reset SCTRL寄存器

具體可參考reset_sctrl函數,由CONFIG_SYS_RESET_SCTRL控制,一般不需要打開。該配置項的解釋如下:

Reset the SCTRL register at the very beginning of execution to avoid interference from stale mappings set up by early firmware/loaders/etc.

http://lists.denx.de/pipermail/u-boot/2015-April/211147.html

2)根據當前的EL級別,配置中斷向量、MMU、Endian、i/d Cache等。

3)配置ARM的勘誤表

具體可參考apply_core_errata函數,由CONFIG_ARM_ERRATA_XXX控制,在項目的初期,可以不打開,后續根據實際情況打開)。

就是ARM有一些bug,但可以通過軟件的方法繞過去,由u-boot的代碼注釋可知,應該只有Cortex-A57才有。具體什么bug,我也沒有去研究

4)調用lowlevel_init的功能解釋如下(具體可參考u-boot的readme文檔):

  • purpose: essential init to permit execution to reach board_init_f()
   - no global_data or BSS

   - there is no stack (ARMv7 may have one but it will soon be removed)

   - must not set up SDRAM or use console

   - must only do the bare minimum to allow execution to continue to

           board_init_f()

   - this is almost never needed

   - return normally from this function

海思的和原生uboot代碼的start.S其實就是增加以下內容

5)如果是多CPU的場景,處理其它的CPU的boot

多CPU功能由CONFIG_ARMV8_MULTIENTRY控制,不需要打開。

6)跳轉到arm公共的_main中執行

ARM64平台的_main位於crt0_64.S文件中,具體請參考下面的描述。

3.3 _main

crt0是C-runtime Startup Code的簡稱,意思就是運行C代碼之前的准備工作。關於_main函數,crt0_64.S中有非常詳細的注釋(這一點要給u-boot點100個贊!),大家可以參考。該函數的定義如下:

ENTRY(_main)

/*
 * Set up initial C runtime environment and call board_init_f(0).
 */
#if defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK)
	ldr	x0, =(CONFIG_SPL_STACK)
#else
	ldr	x0, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
#endif
	bic	sp, x0, #0xf/* 16-byte alignment for ABI compliance */
	mov	x0, sp
	bl	board_init_f_alloc_reserve
	mov	sp, x0
	/* set up gd here, outside any C code */
	mov	x18, x0
	bl	board_init_f_init_reserve

	mov	x0, #0
	bl	board_init_f

#if !defined(CONFIG_SPL_BUILD)
/*
 * 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	x0, [x18, #GD_START_ADDR_SP]/* x0 <- gd-="">start_addr_sp */
	bic	sp, x0, #0xf/* 16-byte alignment for ABI compliance */
	ldr	x18, [x18, #GD_BD]		/* x18 <- gd-="">bd */
	sub	x18, x18, #GD_SIZE		/* new GD is below bd */

	adr	lr, relocation_return
	ldr	x9, [x18, #GD_RELOC_OFF]	/* x9 <- gd-="">reloc_off */
	add	lr, lr, x9/* new return address after relocation */
	ldr	x0, [x18, #GD_RELOCADDR]	/* x0 <- gd-="">relocaddr */
	b	relocate_code

relocation_return:

/*
 * Set up final (full) environment
 */
	bl	c_runtime_cpu_setup	/* still call old routine */

/* TODO: For SPL, call spl_relocate_stack_gd() to alloc stack relocation */

/*
 * Clear BSS section
 */
	ldr	x0, =__bss_start	/* this is auto-relocated! */
	ldr	x1, =__bss_end	/* this is auto-relocated! */
	mov	x2, #0
clear_loop:
	str	x2, [x0]
	add	x0, x0, #8
	cmp	x0, x1
	b.lo	clear_loop

	/* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */
	mov	x0, x18			/* gd_t */
	ldr	x1, [x18, #GD_RELOCADDR]	/* dest_addr */
	b	board_init_r		/* PC relative jump */

	/* NOTREACHED - board_init_r() does not return */

#endif /* !CONFIG_SPL_BUILD */

ENDPROC(_main)

功能可總結為(大部分翻譯自crt0_64.S中的注釋):

1)設置C代碼的運行環境,為調用board_init_f接口做准備。包括:

a)設置堆棧(C代碼的函數調用,堆棧是必須的)。如果當前的編譯是SPL(由CONFIG_SPL_BUILD定義),可單獨定義堆棧基址(CONFIG_SPL_STACK),否則,通過CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR定義堆棧基址。

b)調用board_init_f_alloc_reserve接口,從堆棧開始的地方,為u-boot中大名鼎鼎的GD ('global data') 數據結構,分配空間。

c)調用board_init_f_init_reserve接口,對GD進行初始化。

2)調用board_init_f函數,完成一些前期的初始化工作,例如:

a)點亮一個Debug用的LED燈,表示u-boot已經活了。

b)初始化DRAM、DDR等system范圍的RAM等。

c)計算后續代碼需要使用的一些參數,包括relocation destination、the future stack、the future GD location等。

注5:關於u-boot的relocation操作,后續會有專門的文章介紹。

3)如果當前是SPL(由CONFIG_SPL_BUILD控制),則_main函數結束,直接返回。如果是正常的u-boot,則繼續執行后續的動作。

4)根據board_init_f指定的參數,執行u-boot的relocation操作。

5)清除BBS段。

6)調用board_init_r函數,執行后續的初始化操作(已經不再本文的討論范圍了,具體請參考后續的分析文章)。

4. 總結

4.1 SPL功能

SPL是Secondary Program Loader的簡稱,之所以稱作secondary,是相對於ROM code來說的。SPL是u-boot中獨立的一個代碼分支,由CONFIG_SPL_BUILD配置項控制,是為了在正常的u-boot image之外,提供一個獨立的、小size的SPL image,通常用於那些SRAM比較小(或者其它限制)、無法直接裝載並運行整個u-boot的平台。

如果使用了SPL功能,u-boot的啟動流程通常是:

ROM code加載SPL並運行;

SPL進行必要的初始化之后,加載u-boot並運行;

u-boot進行后續的操作。

因此,如果使用SPL功能,需要盡可能的減少SPL的代碼量,以減小它的size。

4.2 配置項總結

經過第3章的流程分析,我們可以總結出和“平台相關部分的啟動流程”有關的配置項,記錄如下:

CONFIG_SYS_RESET_SCTRL,控制是否在啟動的時候reset SCTRL寄存器,一般不需要打開;

CONFIG_ARM_ERRATA_XXX,控制ARM core的勘誤信息,一般不需要打開;

CONFIG_GICV2、CONFIG_GICV3,控制GIC的版本,用到的時候再說明;

CONFIG_ARMV8_MULTIENTRY,控制是否在u-boot中使用多CPU,一般不需要;

CONFIG_SPL_BUILD,是否是能SPL的編譯,需要的話可以打開;

CONFIG_SPL_STACK,如果配置了CONFIG_SPL_BUILD,是否為SPL image配置單獨的stack(SP基址),如果需要,通過該配置項配置,如果不需要,則使用CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR;


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