1. 前言
書接上文（u-boot啟動流程分析(二)_平台相關部分），本文介紹u-boot啟動流程中和具體版型（board）有關的部分，也即board_init_f/board_init_r所代表的、board有關初始化過程。該過程將持續u-boot的整個生命周期，直到main_loop（即傳說中的命令行）。
注1：由於u-boot后初始化過程，基本上涉及到了所有的軟件模塊，因此本文不能一一分析，基本原則就是撿看着順眼的、熟的下手了~。
2. Generic Board
u-boot的基本策略，就是聲明一系列的API（如low_level_init、board_init_f、board_init_r等等），並在u-boot的核心邏輯中調用它們。平台的移植和開發者，所需要做的，就是根據實際情況，實現它們。
與此同時，為了減少開發的工作量，u-boot為大部分API提供了通用實現（一般通過CONFIG配置項或者若定義去控制是否編譯）。以board_init_f和board_init_r兩個板級的初始化接口為例，u-boot分別在common/board_f.c和common/board_r.c兩個文件中提供了通用實現。查看common/Makefile可知：
# boards
obj-y += board_f.o
obj-y += board_r.o
可以看到這兩個文件都會調用到；
3. _main
_main函數位於crt0_64.S中：
1）設置初始的堆棧
基址由CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR定義。
2）分配global data所需的空間
將堆棧16 bits對齊之后，調用board_init_f_alloc_reserve接口，從堆棧開始的地方，為u-boot的global data（struct global_data）分配空間。如下：
/* common/init/board_init.c */
ulong board_init_f_alloc_reserve(ulong top)
{
/* Reserve early malloc arena */
#if defined(CONFIG_SYS_MALLOC_F)
top -= CONFIG_SYS_MALLOC_F_LEN;
#endif
/* LAST : reserve GD (rounded up to a multiple of 16 bytes) */
top = rounddown(top-sizeof(struct global_data), 16);
return top;
}
需要注意的是，如果定義了CONFIG_SYS_MALLOC_F_LEN，則會先預留出early malloc所需的空間。
3）初始化global data
global data的空間分配后，調用board_init_f_init_reserve，初始化global data。所謂的初始化，無非就是一些清零操作，不過有幾個地方需要注意：
1）如果不是ARM平台（!CONFIG_ARM），則可以調用arch_setup_gd接口，進行arch級別的設置。當然，前提是，對應的arch應該實現這個接口。
2）如果定義了CONFIG_SYS_MALLOC_F，則會初始化gd->malloc_base。
4）執行前置的（front）初始化操作
調用board_init_f接口，執行前置的初始化操作，會再后面的章節詳細說明。
5）執行relocation操作，后面會詳細說明。
6）清除BBS段
7）執行后置的（rear）初始化操作
調用board_init_r接口，執行前置的初始化操作，會再后面的章節詳細說明。
4. global data介紹以及背后的思考
4.1 背景知識
我們看看board_init_r函數：
在uboot的common文件下有一個board_r.c文件：
u-boot是一個bootloader，有些情況下，它可能位於系統的只讀存儲器（ROM或者flash）中，並從那里開始執行。
因此，這種情況下，在u-boot執行的前期（在將自己copy到可讀寫的存儲器之前），它所在的存儲空間，是不可寫的，這會有兩個問題：
1）堆棧無法使用，無法執行函數調用，也即C環境不可用。
2）沒有data段（或者正確初始化的data段）可用，不同函數或者代碼之間，無法通過全局變量的形式共享數據。
對於問題1，通常的解決方案是：
u-boot運行起來之后，在那些不需要執行任何初始化動作即可使用的、可讀寫的存儲區域，開辟一段堆棧（stack）空間。
一般來說，大部分的平台（如很多ARM平台），都有自己的SRAM，可用作堆棧空間。如果實在不行，也有可借用CPU的data cache的方法（不再過多說明）。
對於問題2，解決方案要稍微復雜一些：
首先，對於開發者來說，在u-boot被拷貝到可讀寫的RAM（這個動作稱作relocation）之前，永遠不要使用全局變量。
其次，在relocation之前，不同模塊之間，確實有通過全局變量的形式傳遞數據的需求。怎么辦？這就是global data需要解決的事情。
4.2 global data
為了在relocation前通過全局變量的形式傳遞數據，u-boot設計了一個巧妙的方法：
1）定義一個struct global_data類型的數據結構，里面保存了各色各樣需要傳遞的數據
該數據結構的具體內容，后面用到的時候再一個一個解釋，這里不再詳細介紹。具體可參考：include/asm-generic/global_data.h
2）堆棧配置好之后，在堆棧開始的位置，為struct global_data預留空間（可參考第3章中相關的說明），並將開始地址（就是一個struct global_data指針）保存在一個寄存器中，后續的傳遞，都是通過保存在寄存器中的指針實現
對arm64平台來說，該指針保存在了X18寄存器中，如下：
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
上面board_init_f_alloc_reserve的返回值（x0）就是global data的指針。
/* arch/arm/include/asm/global_data.h */
#ifdef __clang__
#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR
#define gd get_gd()
static inline gd_t *get_gd(void)
{
gd_t *gd_ptr;
#ifdef CONFIG_ARM64
…
__asm__ volatile("mov %0, x18\n" : "=r" (gd_ptr));
#else
…
}
#else
#ifdef CONFIG_ARM64
#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR register volatile gd_t *gd asm ("x18")
#else
…
#endif
5. 前置的板級初始化操作
global data准備好之后，u-boot會執行前置的板級初始化動作，即board_init_f。所謂的前置的初始化動作，主要是relocation之前的初始化操作，也就是說：
執行board_init_f的時候，u-boot很有可能還在只讀的存儲器中。大家記住這一點就可以了！
注3：大家可能會覺得這里的f(front?)和r(rear?)的命名有點奇怪，我猜這個軟件工程師應該是車迷，是不是借用了前驅和后驅的概念？不得而知啊。
對於ARM等平台來說，u-boot提供了一個通用的board_init_f接口，該接口使用u-boot慣用的設計思路：
u-boot將需要在board_init_f中初始化的內容，抽象為一系列API。這些API由u-boot聲明，由平台的開發者根據實際情況實現。具體可參考本章后續的描述。
void board_init_r(gd_t *new_gd, ulong dest_addr)
{
#ifdef CONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOC
int i;
#endif
#ifdef CONFIG_AVR32
mmu_init_r(dest_addr);
#endif
#if !defined(CONFIG_X86) && !defined(CONFIG_ARM) && !defined(CONFIG_ARM64)
gd = new_gd;
#endif
#ifdef CONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOC
for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(init_sequence_r); i++)
init_sequence_r[i] += gd->reloc_off;
#endif
if (initcall_run_list(init_sequence_r))
hang();
/* NOTREACHED - run_main_loop() does not return */
hang();
}
5.1 board_init_f
位於common/board_f.c中的board_init_f接口的實現非常簡單，如下（省略了一些無用代碼）：
void board_init_f(ulong boot_flags)
{
…
gd->flags = boot_flags;
gd->have_console = 0;
if (initcall_run_list(init_sequence_f))
hang();
…
}
對global data進行簡單的初始化之后，調用位於init_sequence_f數組中的各種初始化API，進行各式各樣的初始化動作。后面將會簡單介紹一些和ARM平台有關的、和平台的移植工作有關的、比較重要的API。其它API，大家可以參考source code自行理解。
5.2 fdtdec_setup
#ifdef CONFIG_OF_CONTROL
fdtdec_setup,
#endif
如果打開了CONFIG_OF_CONTROL，則調用fdtdec_setup，配置gd->fdt_blob指針（即device tree所在的存儲位置）。對ARM平台來說，u-boot的Makefile會通過連接腳本，將dtb文件打包到u-boot image的“__dtb_dt_begin”位置處，因此不需要特別關心。
5.3 trace_early_init
#ifdef CONFIG_TRACE
trace_early_init,
#endif
由CONFIG_TRACE配置項控制，暫且不用關注，后面用到的時候再分析。
5.4 initf_malloc
如果定義了CONFIG_SYS_MALLOC_F_LEN，則調用initf_malloc，初始化malloc有關的global data，如gd->malloc_limit、gd->malloc_ptr。
5.5 arch_cpu_init
cpu級別的初始化操作，可以在需要的時候由CPU有關的code實現。
5.6 initf_dm
driver model有關的初始化操作。如果定義了CONFIG_DM，則調用dm_init_and_scan初始化並掃描系統所有的device。如果定義了CONFIG_TIMER_EARLY，調用dm_timer_init初始化driver model所需的timer。
5.7 board_early_init_f
#if defined(CONFIG_BOARD_EARLY_INIT_F)
board_early_init_f,
#endif
如果定義CONFIG_BOARD_EARLY_INIT_F，則調用board_early_init_f接口，執行板級的early初始化。平台的開發者可以根據需要，實現board_early_init_f接口，以完成特定的功能。
5.8 timer_init
初始化系統的timer。
該接口應該由平台或者板級的代碼實現，初始化成功后，u-boot會通過其它的API獲取當前的timestamp，后面用到的時候再詳細介紹。
5.9 get_clocks
獲取當前CPU和BUS的時鍾頻率，並保存在global data中：
gd->cpu_clk
gd->bus_clk
5.10 env_init
初始化環境變量有關的邏輯，不需要特別關注。
5.11 init_baud_rate
gd->baudrate = getenv_ulong("baudrate", 10, CONFIG_BAUDRATE);
獲取當前使用串口波特率，可以有兩個途徑（優先級從高到低）：從"baudrate"中獲取；從CONFIG_BAUDRATE配置項獲取。
5.12 serial_init
初始化serial，包括u-boot serial core以及具體的serial driver。該函數執行后，系統的串口（特別是用於控制台的）已經可用。
5.13 console_init_f
/* Called before relocation - use serial functions */
int console_init_f(void)
{
gd->have_console = 1;
#ifdef CONFIG_SILENT_CONSOLE
if (getenv("silent") != NULL)
gd->flags |= GD_FLG_SILENT;
#endif
print_pre_console_buffer(PRE_CONSOLE_FLUSHPOINT1_SERIAL);
return 0;
}
初始化系統的控制台，之后串口輸出可用。大家可留意CONFIG_SILENT_CONSOLE配置項，如果使能，可以通過“silent”環境變量，控制u-boot的控制台是否輸出。
5.14 fdtdec_prepare_fdt
#ifdef CONFIG_OF_CONTROL
fdtdec_prepare_fdt,
#endif
如果定義了CONFIG_OF_CONTROL，調用fdtdec_prepare_fdt接口，准備device tree有關的內容。后續device tree的分析文章會詳細介紹。
5.15 display_options/display_text_info/print_cpuinfo/show_board_info
通過控制台，顯示一些信息，可用於debug。
5.16 misc_init_f
#if defined(CONFIG_MISC_INIT_F)
misc_init_f,
#endif
如果使能了CONFIG_MISC_INIT_F，則調用misc_init_f執行misc driver有關的初始化。
5.17 init_func_i2c
#if defined(CONFIG_HARD_I2C) || defined(CONFIG_SYS_I2C)
init_func_i2c,
#endif
如果使能了CONFIG_HARD_I2C或者CONFIG_SYS_I2C，則調用init_func_i2c執行i2c driver有關的初始化。
5.18 init_func_spi
#if defined(CONFIG_HARD_SPI)
init_func_spi,
#endif
如果使能了CONFIG_HARD_SPI，則調用init_func_spi執行spi driver有關的初始化。
5.19 announce_dram_init
宣布我們要進行DDR的初始化動作了（其實就是一行打印）。
5.20 dram_init
#if defined(CONFIG_ARM) || defined(CONFIG_X86) || defined(CONFIG_NDS32) || \
defined(CONFIG_MICROBLAZE) || defined(CONFIG_AVR32)
dram_init, /* configure available RAM banks */
#endif
調用dram_init接口，初始化系統的DDR。dram_init應該由平台相關的代碼實現。
如果DDR在SPL中已經初始化過了，則不需要重新初始化，只需要把DDR信息保存在global data中即可，例如：
gd->ram_size = …
5.21 testdram
#if defined(CONFIG_SYS_DRAM_TEST)
testdram,
#endif /* CONFIG_SYS_DRAM_TEST */
如果定義了CONFIG_SYS_DRAM_TEST，則會調用testdram執行DDR的測試操作。可以在開發階段打開，系統穩定后關閉。
5.22 DRAM空間的分配
DRAM初始化完成后，就可以着手規划u-boot需要使用的部分，如下圖：
總結如下：
1）考慮到后續的kernel是在RAM的低端位置解壓縮並執行的，為了避免麻煩，u-boot將使用DRAM的頂端地址，即gd->ram_top所代表的位置。其中gd->ram_top是由setup_dest_addr函數配置的。
2）u-boot所使用的DRAM，主要分為三類：各種特殊功能所需的空間，如log buffer、MMU page table、LCD fb buffer、trace buffer、等等；u-boot的代碼段、數據段、BSS段所占用的空間（就是u-boot relocate之后的執行空間），由gd->relocaddr標示；堆棧空間，從gd->start_addr_sp處遞減。
3）特殊功能以及u-boot所需空間，是由reserve_xxx系列函數保留的，具體可參考source code，這里不再詳細分析。
4）reserve空間分配完畢后，堆棧緊隨其后，遞減即可。
5.23 setup_dram_config
調用dram_init_banksize接口（由具體的平台代碼實現），初始化DDR的bank信息。
5.24 reloc_fdt
如果沒有定義CONFIG_OF_EMBED，則先將device tree拷貝到圖片1 new_fdt所在的位置，也就是device tree的relocation操作。
5.25 setup_reloc
計算relocation有關的信息，主要是 gd->reloc_off，計算公式如下：
gd->reloc_off = gd->relocaddr - CONFIG_SYS_TEXT_BASE;
其中CONFIG_SYS_TEXT_BASE是u-boot relocation之前在（只讀）memory的位置（也是編譯時指定的位置），gd->relocaddr是relocation之后的位置，因此gd->reloc_off代表u-boot relocation操作之后的偏移量，后面relocation時會用到。
同時，該函數順便把global data拷貝到了圖片1所示的“new global data”處，其實就是global data的relocation。
6. u-boot的relocation
前面講過，u-boot是有可能在只讀的memory中啟動的。簡單起見，u-boot假定所有的啟動都是這樣，因此u-boot的啟動邏輯，都是針對這種情況設計的。在這種情況下，基於如下考慮：
1）只讀memory中執行，代碼需要小心編寫（不能使用全局變量，等等）。
2）只讀memory執行速度通常比較慢。
u-boot需要在某一個時間點，將自己從“只讀memory”中，拷貝到可讀寫的memory（如SDRAM，后面統稱RAM，注意和SRAM區分，不要理解錯了）中繼續執行，這就是relocation（重定位）操作。
relocation的時間點，可以是“系統可讀寫memory始化完成之后“的任何時間點。根據u-boot當前的代碼邏輯，是在board_init_f執行完成之后，因為board_init_f中完成了很多relocation有關的准備動作，具體可參考第5章的描述。
u-boot relocation的代碼如下（以arm64為例）：
/* https://github.com/wowotechX/u-boot/blob/x_integration/arch/arm/lib/crt0_64.S */
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:
邏輯比較簡單：
1）從global data中取出relocation之后的堆棧基址，16-byte對齊后，保存到sp中。
2）將新的global data的指針，保存在x18寄存器中。
3）計算relocation之后的執行地址（relocation_return處），計算的方法就是當前的relocation_return位置加上gd->reloc_off。
4）以relocation的目的地址（gd->relocaddr）為參數，調用relocate_code執行實際的relocation動作，就是將u-boot的代碼段、data段、bss段等數據，拷貝到新的位置（gd->relocaddr）。
7. 后置的板級初始化操作
relocate完成之后，真正的C運行環境才算建立了起來，接下來會執行“后置的板級初始化操作”，即board_init_r函數。board_init_r和board_init_f的設計思路基本一樣，也有一個很長的初始化序列----init_sequence_r，該序列中包含如下的初始化函數（邏輯比較簡單，這里不再涉及細節，權當列出index吧）：
注5：老規矩，紅色字體標注的函數是比較重要的函數。
1）initr_trace，初始化並使能u-boot的tracing system，涉及的配置項有CONFIG_TRACE。
2）initr_reloc，設置relocation完成的標志。
3）initr_caches，使能dcache、icache等，涉及的配置項有CONFIG_ARM。
4）initr_malloc，malloc有關的初始化。
5）initr_dm，relocate之后，重新初始化DM，涉及的配置項有CONFIG_DM。
6）board_init，具體的板級初始化，需要由board代碼根據需要實現，涉及的配置項有CONFIG_ARM。
7）set_cpu_clk_info，Initialize clock framework，涉及的配置項有CONFIG_CLOCKS。
8）initr_serial，重新初始化串口（不太明白什么意思）。
9）initr_announce，宣布已經在RAM中執行，會打印relocate后的地址。
10）board_early_init_r，由板級代碼實現，涉及的配置項有CONFIG_BOARD_EARLY_INIT_R。
11）arch_early_init_r，由arch代碼實現，涉及的配置項有CONFIG_ARCH_EARLY_INIT_R。
12）power_init_board，板級的power init代碼，由板級代碼實現，例如hold住power。
13）initr_flash、initr_nand、initr_onenand、initr_mmc、initr_dataflash，各種flash設備的初始化。
14）initr_env，環境變量有關的初始化。
15）initr_secondary_cpu，初始化其它的CPU core。
16）stdio_add_devices，各種輸入輸出設備的初始化，如LCD driver等。
17）interrupt_init，中斷有關的初始化。
18）initr_enable_interrupts，使能系統的中斷，涉及的配置項有CONFIG_ARM（ARM平台u-boot實在開中斷的情況下運行的）。
19）initr_status_led，狀態指示LED的初始化，涉及的配置項有CONFIG_STATUS_LED、STATUS_LED_BOOT。
20）initr_ethaddr，Ethernet的初始化，涉及的配置項有CONFIG_CMD_NET。
21）board_late_init，由板級代碼實現，涉及的配置項有CONFIG_BOARD_LATE_INIT。
22）等等…
23）run_main_loop/main_loop，執行到main_loop，開始命令行操作。
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