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U-BOOT启动过程分析.doc
1.1.1 U-Boot启动第一阶段代码分析
1.1.2 U-Boot启动第二阶段代码分析
1.1.3 U-Boot启动Linux过程
1.1.4 U-Boot添加命令的方法及U-Boot命令执行过程
U-Boot 的启动过程源码分析
首先强调，本书使用的 U-Boot 从 NOR Flash 启动，下面以开发板 smdk2410 的 U-Boot 为例。
U-Boot 属 于 两 阶 段 的 Bootloader ， 第 一 阶 段 的 文 件 为 cpu/arm920t/start.S 和
board/smdk2410/lowlevel_init.S，前者是平台相关，后者是开发板相关。
[编辑] U-Boot 第一阶段代码分析
它与 15.1.2 节中描述的 Bootloader 第一阶段所完成的功能可以一一对应：
（1）硬件设备初始化。
依次完成如下设置：将 CPU 的工作模式设为管理模式(svc)，关闭 WATCHDOG，设置 FCLK、
HCLK、PCLK 的比例(即设置 CLKDIVN 寄存器)，关闭 MMU、CACHE。
代码都在 cpu/arm920t/start.S 中，注释也比较完善，读者有不明白的地方可以参考前面硬件
实验的相关章节。
（2）为加载 Bootloader 的第二阶段代码准备 RAM 空间。
所谓准备 RAM 空间，就是初始化内存芯片，使它可用。对于 S3C2410/S3C2440，通过在 start.S
中 调 用 lowlevel_init 函 数 来 设 置 存 储 控 制 器 ， 使 得 外 接 的 SDRAM 可 用 。 代 码 在
board/smdk2410/lowlevel_init.S 中。
注意：lowlevel_init.S 文件是开发板相关的，这表示如果外接的设备不一样，可以修改
lowlevel_init.S 文件中的相关宏。
lowlevel_init 函数并不复杂，只是要注意这时的代码、数据都只保存在 NOR Flash 上，内存
中还没有，所以读取数据时要变换地址。代码如下：
129 _TEXT_BASE:
130 .wordTEXT_BASE
131
132 .globl lowlevel_init
133 lowlevel_init:
134 /* memory control configuration */
135 /* make r0 relative the current location so that it */
136 /* reads SMRDATA out of FLASH rather than memory ! */
137 ldr r0, =SMRDATA
138 ldrr1, _TEXT_BASE
139 subr0, r0, r1
140 ldrr1, =BWSCON/* Bus Width Status Controller */
141 add r2, r0, #13*4
142 0:
143 ldr r3, [r0], #4
144 str r3, [r1], #4
145 cmp r2, r0
146 bne 0b
147
148 /* everything is fine now */
149 movpc, lr
150
151 .ltorg
152 /* the literal pools origin */
153
154 SMRDATA:/* 13 个寄存器的值 */
155 .word ……
156 .word ……
第 137～139 行进行地址变换，因为这时候内存中还没有数据，不能使用连接程序时确定的
地址来读取数据：
第 137 行 中 SMRDATA 表 示 这 13 个 寄 存 器 的 值 存 放 的 开 始 地 址 ( 连 接 地 址 ) ， 值 为
0x33F8xxxx，处于内存中。
第 138 行 获 得 代 码 段 的 起 始 地 址 ， 它 就 是 第 130 行 中 的 “ TEXT_BASE ”， 其 值 在
board/smdk2410/config.mk 中定义：“TEXT_BASE = 0x33F80000”。
第 139 行将 0x33F8xxxx 与 0x33F80000 相减，这就是 13 个寄存器值在 NOR Flash 上存放的
开始地址。
（3）拷贝 Bootloader 的第二阶段代码到 RAM 空间中。
这 里 将 整 个 U-Boot 的 代 码 ( 包 括 第 一 、 第 二 阶 段 ) 都 复 制 到 SDRAM 中 ， 这 在
cpu/arm920t/start.S 中实现：
164 relocate:/* 将 U-Boot 复制到 RAM 中 */
165 adrr0, _start/* r0 = 当前代码的开始地址 */
166 ldrr1, _TEXT_BASE/* r1 = 代码段的连接地址 */
167 cmp r0, r1 /* 测试现在是在 Flash 中还是在 RAM 中 */
168 beq stack_setup/* 如果已经在 RAM 中(这通常是调试时，直接下载到 RAM 中)，
* 则不需要复制
*/
169
170 ldrr2, _armboot_start/* _armboot_start 在前面定义，是第一条指令的运行地址 */
171 ldrr3, _bss_start/* 在连接脚本 u-boot.lds 中定义，是代码段的结束地址 */
172 subr2, r3, r2/* r2 = 代码段长度 */
173 addr2, r0, r2/* r2 = NOR Flash 上代码段的结束地址 */
174
175 copy_loop:
176 ldmiar0!, {r3-r10}/* 从地址[r0]处获得数据 */
177 stmiar1!, {r3-r10}/* 复制到地址[r1]处 */
178 cmpr0, r2/* 判断是否复制完毕 */
179 blecopy_loop/* 没复制完，则继续 */
（4）设置好栈。
栈的设置灵活性很大，只要让 sp 寄存器指向一段没有使用的内存即可。
182 /* Set up the stack */
183 stack_setup:
184 ldr r0, _TEXT_BASE /* _TEXT_BASE 为代码段的开始地址，值为 0x33F80000 */
185 sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* 代码段下面，留出一段内存以实现 malloc */
186 sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* 再留出一段内存，存一些全局参数 */
187 #ifdef CONFIG_USE_IRQ
188 sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ) /* IRQ、FIQ 模式的
栈 */
189 #endif
190 sub sp, r0, #12 /* 最后，留出 12 字节的内存给 abort 异常，
* 往下的内存就都是栈了
*/
191
到了这一步，读者可以知道内存的使用情况了，如下图所示(图中与上面的划分稍有不同，
这是因为在 cpu/arm920t/cpu.c 中的 cpu_init 函数中才真正为 IRQ、FIQ 模式划分了栈)：
[[Image:]]
图 15.3 U-Boot 内存使用情况
（5）跳转到第二阶段代码的 C 入口点。
在跳转之前，还要清除 BSS 段(初始值为 0、无初始值的全局变量、静态变量放在 BSS 段)，
代码如下：
192 clear_bss:
193 ldrr0, _bss_start/* BSS 段的开始地址，它的值在连接脚本 u-boot.lds 中确定 */
194 ldrr1, _bss_end/* BSS 段的结束地址，它的值在连接脚本 u-boot.lds 中确定 */
195 mov r2, #0x00000000
196
197 clbss_l:strr2, [r0]/* 往 BSS 段中写入 0 值 */
198 addr0, r0, #4
199 cmpr0, r1
200 bleclbss_l
201
现在，C 函数的运行环境已经完全准备好，通过如下命令直接跳转(这之后，程序才在内存
中执行)，它将调用 lib_arm/board.c 中的 start_armboot 函数，这是第二阶段的入口点：
223 ldrpc, _start_armboot
224
225 _start_armboot:.word start_armboot
226
U-Boot 第二阶段代码分析
它与 15.1.2 节中描述的 Bootloader 第二阶段所完成的功能基本上一致，不过顺序有点小差别。
另外，U-Boot 在启动内核之前可以让用户决定是否进入下载模式，即进入 U-Boot 的控制界
面。
第二阶段从 lib_arm/board.c 中的 start_armboot 函数开始，先看从这个函数开始的程序流程图，
图 15.3 所示。
[[Image:]]
图 15.3 U-Boot 第二阶段流程图
移植 U-Boot 的主要工作在于对硬件的初始化、驱动，所以下面讲解时将重点放在硬件的操
作上。
（1）初始化本阶段要使用到的硬件设备。：最主要的是设置系统时钟、初始化串口，只要这
两个设置好了，就可以从串口看到打印信息。
board_init 函 数 设 置 MPLL 、 改 变 系 统 时 钟 ， 它 是 开 发 板 相 关 的 函 数 ， 在
board/smdk2410/smdk2410.c 中实现。值得注意的是，board_init 函数中还保存了机器类型 ID，
这将在调用内核时传给内核，代码如下：
/* arch number of SMDK2410-Board */
gd->bd->bi_arch_number = MACH_TYPE_SMDK2410; /* 值为 193 */
串 口的 初 始化 函数 主 要是 serial_init ， 它设 置 UART 控 制器 ， 是 CPU 相 关的 函 数， 在
cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c 中实现。
（2）检测系统内存映射(memory map)。对于特定的开发板，其内存的分布是明确的，所以
可以直接设置。board/smdk2410/smdk2410.c 中的 dram_init 函数指定了本开发板的内存起始
地址为 0x30000000，大小为 0x4000000。代码如下：
int dram_init (void)
{
gd->bd->bi_dram[0].start = PHYS_SDRAM_1;/* 即 0x300000000 */
gd->bd->bi_dram[0].size = PHYS_SDRAM_1_SIZE;/* 即 0x4000000 */
return 0;
}
这些设置的参数，将在后面向内核传递参数时用到。
（3）U-Boot 命令的格式。
从图 15.3 可以知道，即使是内核的启动，也是通过 U-Boot 命令来实现的。U-Boot 中每个命
令都通过 U_BOOT_CMD 宏来定义，格式如下：
U_BOOT_CMD(name,maxargs,repeatable,command,"usage","help")
各项参数的意义为：
① name：命令的名字，注意，它不是一个字符串(不要用双引号括起来)。
② maxargs：最大的参数个数
③ repeatable：命令是否可重复，可重复是指运行一个命令后，下次敲回车即可再次运行。
④ command：对应的函数指针，类型为(*cmd)(struct cmd_tbl_s *, int, int, char *[])。
⑤ usage：简短的使用说明，这是个字符串。
⑥ help：较详细的使用说明，这是个字符串。
宏 U_BOOT_CMD 在 include/command.h 中定义：
#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) \
cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage, help}
Struct_Section 也是在 include/command.h 中定义：
#define Struct_Section __attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd")))
比如对于 bootm 命令，它如此定义：
U_BOOT_CMD(
bootm,CFG_MAXARGS,1,do_bootm,
“string1”,
“string2”
);
宏 U_BOOT_CMD 扩展开后就是：
cmd_tbl_t __u_boot_cmd_bootm __attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd"))) = {“bootm”,
CFG_MAXARGS, 1, do_bootm, “string1”, “string2”};
对于每个使用 U_BOOT_CMD 宏来定义的命令，其实都是在".u_boot_cmd"段中定义一个
cmd_tbl_t 结构。连接脚本 u-boot.lds 中有这么一段：
__u_boot_cmd_start = .;
.u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
__u_boot_cmd_end = .;
程 序 中 就 是 根 据 命 令 的 名 字 在 内 存 段__u_boot_cmd_start ～__u_boot_cmd_end 找 到 它 的
cmd_tbl_t 结构，然后调用它的函数(请参考 common/command.c 中的 find_cmd 函数)。
内核的复制和启动，可以通过如下命令来完成：bootm 从内存、ROM、NOR Flash 中启动内
核，bootp 则通过网络来启动，而 nboot 从 NAND Flash 启动内核。它们都是先将内核映像
从各种媒介中读出，存放在指定的位置；然后设置标记列表以给内核传递参数；最后跳到内
核的入口点去执行。具体实现的细节不再描述，有兴趣的读者可以阅读 common/cmd_boot.c、
common/cmd_net.c、common/cmd_nand.c 来了解它们的实现。
（4）为内核设置启动参数。
与 15.1.2 小节中《Bootloader 与内核的交互》所描述的一样，U-Boot 也是通过标记列表向内
核传递参数。并且，15.1.2 小节中内存标记、命令行标记的示例代码就是取自 U-Boot 中的
setup_memory_tags、setup_commandline_tag 函数，它们都是在 lib_arm/armlinux.c 中定义。
一般而言，设置这两个标记就可以了，在配置文件 include/configs/smdk2410.h 中增加如下两
个配置项即可：
#define CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS 1
#define CONFIG_CMDLINE_TAG 1
对于 ARM 架构的 CPU，都是通过 lib_arm/armlinux.c 中的 do_bootm_linux 函数来启动内核。
这 个 函 数 中 ， 设 置 标 记 列 表 ， 最 后 通 过 “ theKernel (0, bd->bi_arch_number,
bd->bi_boot_params)”调用内核。其中，theKernel 指向内核存放的地址(对于 ARM 架构的
CPU，通常是 0x30008000)，bd->bi_arch_number 就是前面 board_init 函数设置的机器类型 ID，
而 bd->bi_boot_params 就是标记列表的开始地址。
[编辑] 15.2.5 U-Boot 的移植
开发板 smdk2410 的配置适用于大多数 S3C2410 单板，或是只需要极少的修改即可使用。但
是目前 U-Boot 中没有对 S3C2440 的支持，需要我们自己移植。
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