U-BOOT启动过程分析 经典文章汇集

U-Boot启动过程

尽管有了调试跟踪手段，甚至也可以通过串口打印信息了，但是不一定能够判断出错原因。如果能够充分理解代码的启动流程，那么对准确地解决和分析问题很有帮助。

开发板上电后，执行U-Boot的第一条指令，然后顺序执行U-Boot启动函数。函数调用顺序如图6.3所示。

看一下board/smsk2410/u-boot.lds这个链接脚本，可以知道目标程序的各部分链接顺序。第一个要链接的是cpu/arm920t/start.o，那么U-Boot的入口指令一定位于这个程序中。下面详细分析一下程序跳转和函数的调用关系以及函数实现。

1．cpu/arm920t/start.S

这个汇编程序是U-Boot的入口程序，开头就是复位向量的代码。



图6.3 U-Boot启动代码流程图



_start: b reset //复位向量

ldr pc, _undefined_instruction

ldr pc, _software_interrupt

ldr pc, _prefetch_abort

ldr pc, _data_abort

ldr pc, _not_used

ldr pc, _irq //中断向量

ldr pc, _fiq //中断向量

…

/* the actual reset code */

reset: //复位启动子程序

/* 设置CPU为SVC32模式 */

mrs r0,cpsr

bic r0,r0,#0x1f

orr r0,r0,#0xd3

msr cpsr,r0

/* 关闭看门狗 */



/* 这些初始化代码在系统重起的时候执行，运行时热复位从RAM中启动不执行 */

#ifdef CONFIG_INIT_CRITICAL

bl cpu_init_crit

#endif



relocate: /* 把U-Boot重新定位到RAM */

adr r0, _start /* r0是代码的当前位置 */

ldr r1, _TEXT_BASE /* 测试判断是从Flash启动，还是RAM */

cmp r0, r1 /* 比较r0和r1，调试的时候不要执行重定位 */

beq stack_setup /* 如果r0等于r1，跳过重定位代码 */

/* 准备重新定位代码 */

ldr r2, _armboot_start

ldr r3, _bss_start

sub r2, r3, r2 /* r2 得到armboot的大小 */

add r2, r0, r2 /* r2 得到要复制代码的末尾地址 */

copy_loop: /* 重新定位代码 */

ldmia r0!, {r3-r10} /*从源地址[r0]复制 */

stmia r1!, {r3-r10} /* 复制到目的地址[r1] */

cmp r0, r2 /* 复制数据块直到源数据末尾地址[r2] */

ble copy_loop



/* 初始化堆栈等 */

stack_setup:

ldr r0, _TEXT_BASE /* 上面是128 KiB重定位的u-boot */

sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* 向下是内存分配空间 */

sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* 然后是bdinfo结构体地址空间 */

#ifdef CONFIG_USE_IRQ

sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)

#endif

sub sp, r0, #12 /* 为abort-stack预留3个字 */

clear_bss:

ldr r0, _bss_start /* 找到bss段起始地址 */

ldr r1, _bss_end /* bss段末尾地址 */

mov r2, #0x00000000 /* 清零 */

clbss_l:str r2, [r0] /* bss段地址空间清零循环... */

add r0, r0, #4

cmp r0, r1

bne clbss_l

/* 跳转到start_armboot函数入口，_start_armboot字保存函数入口指针 */

ldr pc, _start_armboot

_start_armboot: .word start_armboot //start_armboot函数在lib_arm/board.c中实现

/* 关键的初始化子程序 */

cpu_init_crit:

…… //初始化CACHE，关闭MMU等操作指令

/* 初始化RAM时钟。

* 因为内存时钟是依赖开发板硬件的，所以在board的相应目录下可以找到memsetup.S文件。

*/

mov ip, lr

bl memsetup//memsetup子程序在board/smdk2410/memsetup.S中实现

mov lr, ip

mov pc, lr



2．lib_arm/board.c

start_armboot是U-Boot执行的第一个C语言函数，完成系统初始化工作，进入主循环，处理用户输入的命令。





void start_armboot (void)

{

DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;

ulong size;

init_fnc_t **init_fnc_ptr;

char *s;

/* Pointer is writable since we allocated a register for it */

gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));

/* compiler optimization barrier needed for GCC >= 3.4 */

__asm__ __volatile__("": : :"memory");

memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t));

gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));

memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));

monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;

/* 顺序执行init_sequence数组中的初始化函数 */

for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {

if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {

hang ();

}

}

/*配置可用的Flash */

size = flash_init ();

display_flash_config (size);

/* _armboot_start 在u-boot.lds链接脚本中定义 */

mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);

/* 配置环境变量，重新定位 */

env_relocate ();

/* 从环境变量中获取IP地址 */

gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");

/* 以太网接口MAC 地址 */

……

devices_init (); /* 获取列表中的设备 */

jumptable_init ();

console_init_r (); /* 完整地初始化控制台设备 */

enable_interrupts (); /* 使能例外处理 */

/* 通过环境变量初始化 */

if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {

load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);

}

/* main_loop()总是试图自动启动，循环不断执行 */

for (;;) {

main_loop (); /* 主循环函数处理执行用户命令 -- common/main.c */

}

/* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */

}



3．init_sequence[]

init_sequence[]数组保存着基本的初始化函数指针。这些函数名称和实现的程序文件在下列注释中。



init_fnc_t *init_sequence[] = {

cpu_init, /* 基本的处理器相关配置 -- cpu/arm920t/cpu.c */

board_init, /* 基本的板级相关配置 -- board/smdk2410/smdk2410.c */

interrupt_init, /* 初始化例外处理 -- cpu/arm920t/s3c24x0/interrupt.c */

env_init, /* 初始化环境变量 -- common/cmd_flash.c */

init_baudrate, /* 初始化波特率设置 -- lib_arm/board.c */

serial_init, /* 串口通讯设置 -- cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c */

console_init_f, /* 控制台初始化阶段1 -- common/console.c */

display_banner, /* 打印u-boot信息 -- lib_arm/board.c */

dram_init, /* 配置可用的RAM -- board/smdk2410/smdk2410.c */

display_dram_config, /* 显示RAM的配置大小 -- lib_arm/board.c */

NULL,

};



U-BOOT start_armboot浅析

start_armboot浅析 ARM920t架构的CPU在完成基本的初始化后（ARM汇编代码），就进入它的C语言代码，而C语言代码的入口就是start_armboot, start_armboot在lib_arm/board.c中。start_armboot将完成以下工作。 1.全局数据结构的初始化 比如gd_t结构的初始化: 251 gd = (gd_t*)(_armboot_start – CFG_MALLOC_LEN – sizeof(gd_t)); _armboot_start是u-boot在RAM中的开始地址（对于u-boot最终搬移到RAM中运行的情况）,CFG_MALLOC_LEN在include/configs/<board name>.h中定义。 bd_t结构的初始化: 272 gd->bd = (bd_t*)((char*)gd-sizeof(bd_t)); u-boot把bd_t结构紧接着gd_t结构存放。 内存分配的初始化 316 mem_malloc_init(_armboot_start-CFG_MALLOC_LEN); 经过以上的初始化后，u-boot在内存中的布局为（在底端为低地址） ----------------------------- BSS ----------------------------- U-BOOT TEXT/DATA ----------------------------- CFG_MALLOC_LEN ----------------------------- gd_t ----------------------------- bd_t ----------------------------- STACK ----------------------------- 2.调用通用初始化函数 for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) { if ((*init_fnc_ptr)() != 0) { hang (); } } init_sequence[]是init_fnc_t函数指针数组，这个数组包含了众多初始化函数，比如cpu_init，board_init等。 3.初始化具体设备 这一部分包括对Flash，LCD，网络的初始化等，例如 318 #if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_NAND) puts ("NAND: "); nand_init(); /* go init the NAND */ #endif 367 devices_init(); 386 #ifdef CONFIG_DRIVER_CS8900 cs8900_get_enetaddr (gd->bd->bi_enetaddr); #endif 4.初始化环境变量 环境变量在通用初始化函数里面，已经初始化一次（env_init），这里调用env_relocate对环境变量进行重新定位。在我的另一篇文章”U-BOOT ENV 实现”中有对环境变量实现的讨论。 5.进入主循环 当然start_armboot除了以上工作外，还完成其它的初始化工作，具体参考lib_arm/board.c，在一切准备就绪之后，就进入u-boot的主循环: 416 for (;;) { main_loop (); } main_loop的代码比较长，基本是就是执行用户的输入命令。

下内容来自笔者在中国Linux论坛Linux嵌入技术讨论区的张贴：x`"m ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　Uw/%#* --------------------------------------------------------------------------------" aaronwong: u-boot中代码的疑问(_armboot_start与_start)?12Gm ---------------------------=j 我使用的是u-boot-1.3.0-rc2。在cpu/pxa/start.S中，有如下的标号定义： w' _TEXT_BASE: 7B .word TEXT_BASE /*uboot映像在SDRAM中的重定位地址，我设置为0xa170 0000 */ k&BnQf ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　A% .globl _armboot_start /'b&% _armboot_start: 50m B8 .word _start /*_start是程序入口，链接完毕它的值应该是0xa170 0000=TEXT_BASE*/ 2inlX /* 这句话的意思应该是在_armboot_start标号处，保存了_start的值，也就是说，_armboot_start是存放_start的地址，该地址对应的存储单元内容是0xa170 0000*/ ~1 /* ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　[-S( * These are defined in the board-specific linker script. 下面的定义与上面应该是一个意思。 y1sDB */ ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　?Ud=F} .globl _bss_start W8 _bss_start: 4V1kfj .word __bss_start 5` ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ XM 按照上面的理解，__bss_start是uboot 的bss段起始地址，那么uboot映像的大小就是__bss_start - _start；在relocate代码段中计算uboot的大小时，也体现了这一点。 fHK'f0 实际上，_armboot_start并没有实际意义，它只是在"ldr r2, _armboot_start"中用來寻址_start的值而已，_bss_start也是一样的道理，真正有意义的应该是_start和 __bss_start本身。 ;{I 但是，令我不解的是，在C入口函数start_armboot()中(对应文件为lib_arm/board.c)，有如下代码： =-yz! void start_armboot (void) 6#F[C { ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　dCb ......... *= gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t)); //第一句话 7 .......... xfw,, monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start; //第二句话 =r1m, ............... =cN^x+ mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN); //第三句话 W .......... ? } ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　u ============================================== v#HG/ 按 照上面的理解，_armboot_start与_bss_start都是没有实际意义的，它们只是一个地址，有实际意义的是地址中的内容_start和 __bss_start（虽然也还是地址）。象第一句话，其“意图”很明显，是把gd作为全局数据结构体的指针，并初始化为“SDRAM中的uboot起 始地址(即TEXT_BASE)－CFG_MALLOC_LEN－全局数据结构体大小”。 <BgA 要 实现这个“意图”，应该是写成:gd = (gd_t*)(_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));或者gd = (gd_t*)(TEXT_BASE- CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));才对阿？用_armboot_start来作运算应该是没有任何意义才对！？ #0gYd? 第二句话也是一样的道理，它的意图是要计算u-boot映像的大小，应该写成__bss_start - _start才对阿？ @`PVq 我使用readelf工具查看编译所得到的uboot映像文件得到信息如下： NK7,G [aaronwong@localhost build]$ readelf -s u-boot|grep _start G 1018: a1700048 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _bss_start !Qgo} 1083: a1700044 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _armboot_start W 1142: a1700000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _start b9> 1197: a171b070 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __bss_start m[<B2Q 上面我删除了与该讨论无关的包含“_start""t的标号信息。 &:gP 显 然，我前面的理解应该是正确的(_start=TEXT_BASE=0xa170 0000)。那么u-boot源代码中的monitor_flash_len=_bss_start - _armboot_start=0xa1700048 - 0xa1700044 = 4，有什么意义？？ p 迷茫中，期盼大虾指点迷津，谢谢～！！！ < ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　M6fJvX --------------------------------------------------------------------------------%:#- eltshan: [Re: aaronwong]9o22#P -----------------Zi 1018: a1700048 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _bss_start D3dY( 1083: a1700044 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _armboot_start _mAq> 1142: a1700000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _start QNr+Pc 1197: a171b070 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __bss_start += ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　E-Y> 我想: FCNh{M _start所在的地址是a1700000, eHEsMt _armboot_start 所在的地址是a1700044, ? 那么 根据这句: 7.Iy _armboot_start: .word _start }<U 所以_armboot_start的值应该是a1700000 w34ok: ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　gh/ 所以 ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　ka monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start = a171b070 - a1700000 = 1b070 ~=w 而不是你说的 = 4 FYxAA@ ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　*E*4z 以上个人意见.Q~St ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　^p`Sc --------------------------------------------------------------------------------Nkh aaronwong: [Re: eltshan];DQlk5 -------------------p4 谢 谢，eltshan！你的理解是正确的，不过我看了之后还是没能想得很明白，因为我在想，按你所说，那么_start的值应该是多少呢？难道是“b reset”这条指令的机器码？所以我对ELF格式的u-boot映像文件作了反汇编，分析之后终于找到了症结所在。以下是部分分析过程，首先是反汇编： 24 arm-iwmmxt-linux-gnueabi-objectdump -D u-boot > u-boot.s *{|(q# 并提取了monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;这条语句相关的反汇编代码如下： / ============================== ^o#c7 a1700044 <_armboot_start>: b? a1700044: a1700000 .word 0xa1700000 e{Zn ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　> a1700048 <_bss_start>: l#"{w a1700048: a171b070 .word 0xa171b070 U3sK ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　!. a171b070 <monitor_flash_len>: R a171b070: 00000000 .word 0x00000000 Q^$ ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　MeE9 ..... m4 a1700f40: e59f41d0 ldr r4, [pc, #464] ; a1701118 <start_armboot+0x1dc> lF-4 //r4=[a1701118]=a1700044 2/NL_; ..... EW0Th a1700f7c: e59f3198 ldr r3, [pc, #408] ; a170111c <start_armboot+0x1e0> [T4Uwy //r3=[a1700044]=a1700048 D a1700f80: e5942000 ldr r2, [r4] 2/0N0 //r2=[a1700044]=a1700000 mV a1700f84: e59f4194 ldr r4, [pc, #404] ; a1701120 <start_armboot+0x1e4> bWFU //r4=[a1701120]=a1719d24 #Bnq a1700f88: e5933000 ldr r3, [r3] * //r3=[a1700048]=a171b070 <? a1700f8c: e0623003 rsb r3, r2, r3 $e8I: //r3= r3-r2 = a171b070-a1700000 = 1b070; q| a1700f90: e59f218c ldr r2, [pc, #396] ; a1701124 <start_armboot+0x1e8> f1XV //r2=[a1701124]=a171b070 } a1700f94: e5823000 str r3, [r2] h`lC] //monitor_flash_len=[r2]=r3=1b070 mJT:HJ ...... =op4 ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　9 a1701118: a1700044 .word 0xa1700044 Z0 a170111c: a1700048 .word 0xa1700048 fr3g( a1701120: a1719d24 .word 0xa1719d24 EpcDe a1701124: a171b070 .word 0xa171b070 XT& ======================================== : 上面//是我自己的注释。这表明，你的理解的确是正确的。 :}6 经过这个过程之后，我终于认识到自己的误解在哪里了。原来，我是把"汇编语言中LDR伪指令对符号的引用"与"C语言中对汇编程序中符号/常量/变量的引用"搞混淆了。我想说明以下几点：`[I ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　WY (1) readelf以及u-boot.map和System.map所给出的符号表中符号的值，实际上是表示符号所在的地址，而不是指符号本身的值。E?F'R ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　u (2) 汇编语言中没有指针的概念，因此对符号的引用是"赤裸裸"的。例如： M" ========== wM .globl _armboot_start J% _armboot_start: .word _start d_ ldr r2, _armboot_start Kf ========== , 实际上反汇编以后是： 466 ============ ;/g-oE a1700044 <_armboot_start>: }b a1700044: a1700000 .word 0xa1700000 R a1700074: e51f2038 ldr r2, [pc, #-56] ; a1700044 <_armboot_start> b b}/4 ============ [7A 也就是说，_armboot_start是一个地址0xa1700044，其中的内容是0xa1700000，上面对_armboot_start的引用是直接将其替换为其表示的地址0xa1700044，而非其中的内容0xa1700000。这就是"赤裸裸"的引用。 m ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　)bR; (3) C语言则不同，对变量/符号/常量的引用必须要通过地址来寻址，不管是全局变量还是局部变量，不同的是局部变量在生命期结束后，所占的地址空间会被释放而 已。即使是函数调用时的参数传递，虽然是将实参的值"拷贝"给形参，但"拷贝"的过程也是通过实参和形参的地址来对两者进行访问的。 p 所 以，在C语言中的 "monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start" 这句话中对_armboot_star的引用，实际上是把它用作了指针，把它作为访问对象的地址来使用，通过这个地址即a1700044 来访问对应存储空间所存放的内容亦即0xa1700000，_bss_start也是同样的道理。所以这句话实际上是monitor_flash_len =[a1700048]-[0xa1700044]=a171b070-a1700000 = 1b070，这样就得到了正确的结果。 eNe#ij ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地　　MnK-47 现 在，我们再回答最前面的问题：_start的值是什么？_start表示地址0xa1700000 ，在汇编语言中，对_start的"绝对引用"(这里是与用相对寻址进行跳转进行区别)就是将其替换为0xa1700000，但其中存放的内容的的确确就 是"b reset"这条指令的机器码，所以如果在C语言中引用_start，得到的结果反而就是这个指令的机器码了。其实这个问题很简单，只是和C语言的引用搅 在一起，一些概念被偷换了而已。 *