嵌入式系统学习（六）-bootloader基础及分析

为启动ARM Linux系统，BootLoader需要初始化多种设备，最终调用Linux内核，并向内核传递硬件相关的信息。
    BootLoader最终需要提供以下功能：
a. 建立和初始化内存
b. 初始化一个串口
c. 检测设备类型
d. 设置内核tagged列表（描述硬件参数）
e. 加载initramfs
f. 调用内核镜像
    调用内核时，需要满足以下要求：
(1)CPU寄存器设置
r0 =0,
r1 = 机器类型，
r2 =tagged list在内存中的物理地址或设备树块（dtb）在内存中的物理地址。
(2)CPU模式
所有形式的中断必须被禁止；
对于不包含ARM虚拟化扩展的CPU，CPU必须处于SVC模式；
包含虚拟化扩展支持的CPU必须进入HYP模式。
(3) 缓存，MMU
MMU必须关闭；
指令缓存可以是打开或者关闭；
数据缓存必须关闭。
(4)BootLoader应该通过直接跳至内核镜像的第一条指令地址来调用内核。
Bootloader

代码运行流程如下：
 首先，可以看到Bootloader的源码目录如下：



U-boot 的启动流程包括两个阶段，第一阶段进行一些基本的初始化动作，为启动第二阶段的主体做准备，此阶段代码由汇编代码写成。第二阶段是进行系统的初始化工作，并准备引导操作系统。下面对这两个阶段进行详细的分析。
从链接脚本文件u-boot.lds（\uboot_nanopi2-nanopi2-lollipop-mr1\arch\arm\cpu\slsiap\u-boot.lds）中可以找到代码的起始：



从中知道程序的入口点是_start，定位于arch/arm/cpu/slsiap/s5p4418/start.o
（即u-boot启动的第一阶段）,我们通过分析start.S来看第一阶段进行了怎样的设置.
在start.S中，有：



在上面代码中，设置了u-boot的主入口，跳入了后面的reset。还有对PC赋值，即是实现代码跳转，设置发生“未定义指令”， “软件中断”，“预取指错误”，“数据错误”，“未定义”，“（普通）中断”，“快速中断”的时候，系统所要去执行的代码地址。



Uboot代码从这里开始执行，让系统进入SVC管理模式。首先mrs    r0, cpsr 初始化cpsr，而bic   r0,
r0, #0x1f 使用r0[0:5] = 0, bic=位清零。在orr   r0, r0, #0xd3
中，11010011为cpsr的最终值,其中中断关闭,
模式设置为SVC模式 。最后一句代码将CPSR的值赋给R0寄存器。



上述代码是对cp15协处理器进行初始化设置，进行了TLBs、icache、BP数组的无效处理，并禁止MMU代理和caches。



在这段代码中，跳入了主板确切的初始化位置来进行各种参数的设置。在这里调用board/lowlevel_init.S中的lowlevel_init函数，对系统总线的初始化，初始化了连接存储器的位宽、速度、刷新率等重要参数。经过这个函数的正确初始化，Nor
Flash、SDRAM才可以被系统使用。



在上述代码中，比较r0和r1，如果不相等，就把代码从flash中复制到ram中。然后进行BSS数据段清理。如果MMU被设置为可使用的话，则可以跳到mmu_turn_on中进行打开处理。



在上面代码中，设置了第二阶段的入口位置，即第二阶段入口函数board_init_r，下面我们进入board.c文件中分析：
在这个源代码文件中，完成的主要工作包括：
（1）  为U-boot内部私有数据分配存储空间，并清零；
（2）  依次调用函数指针数组init_sequence
中定义的函数进行一系列的初始化；
（3）  如果系统支持 NOR Flash,调用flash_init ()和display_flash_config()初始化并显示检测到的器件信息(AT91SAM9260EK 不需要)；
（4）  如果系统支持 LCD
或VFD,调用lcd_setmem()或vfd_setmem()计算帧缓冲(Framebuffer)大小,然后在BSS 数据段之后为Framebuffer 分配空间,初始化gd->fb_base为Framebuffer的起始地址(AT91SAM9260EK 不需要)；
（5）  调用mem_malloc_init()进行存储分配系统(类似于C 语言中的堆)的初始化和空间分配；
（6）  如果系统支持 NAND Flash,调用nand_init ()进行初始化；
（7）  如果系统支持 DataFlash,调用AT91F_DataflashInit()和dataflash_print_info()进行初始化并显示检测到的器件信息；
（8）  调用 env_relocate()进行环境变量的重定位,即从Flash 中搬移到RAM 中；
（9）  如果系统支持 VFD,调用drv_vfd_init()进行VFD 设备初始化(AT91SAM9260EK不需要)；
（10）调用 jumptable_init()进行跳转表初始化,跳转表在global_data中；
（11）调用 console_init_r()进行控制台初始化；
（12）如果需要,调用 misc_init_r ()进行杂项初始化；
（13）调用 enable_interrupts()打开中断；
（14）如果需要,调用board_late_init()进行单板后期初始化；
（15）进入主循环:根据用户的选择启动 linux,或者进入命令循环执行用户输入的命令；
进行源代码流程分析,首先进行一些基本设置：



在上面，第一个方法进行波特率的初始化；第二个方法显示_STACK_START等的地址，比如_start, _bss_start,_bss_end 这些值。



上面的函数用来显示内存的配置，打印出DRAM的大小。



在上面，定义一个初始化的整型指针数组，将在后面被调用。在调用过程中，会依次进行一系列的初始化，分别是初始化环境变量、初始化波特率设置、串口通讯设置、控制台初始化阶段1、打印u-boot信息、显示CPU的配置大小、根据需要显示板的信息、配置可用的RAM。
以下函数内容:



该函数是启动阶段1结束后开始执行的函数，进行主板的初始化配置。我们从上面可以获悉该函数给全局数据变量gd分配内存，对FDT进行地址和空间分配，并且顺序执行init_sequence数组中的初始化函数。该数组在上面分析过，它将依次触发init_sequence定义的函数来进行一系列的初始化操作。
接着有这样一个函数should_load_env：



该函数用来判断是否进行完了uboot的环境加载设置，如果是的话返回1，否则返回0。当进行完环境配置后，会被调用来进行判断。如果是成功的话，进行下一部分的初始化，即进入board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr)函数。



从上面可以看出来，主要有以下几个作用：
a)    itor_flash_len =(ulong)&__rel_dyn_end - (ulong)_start： 设置了flash的长度；
b)    enable_caches()：使缓存可以使用；
c)    set_cpu_clk_info()：根据需要启动计时器；
d)    serial_initialize()：串口初始化；
e)    mem_malloc_init(malloc_start, TOTAL_MALLOC_LEN)：初始化堆空间；



f)    flash_size =flash_init()：根据需要配置可用的flash；
g)    nand_init()：根据命令初始化nandflash；
h)  mmc_initialize(gd->bd)：根据需要MMC初始化；



i)    env_relocate()：重新定位环境变量；
j)    stdio_init()：调用相应驱动函数对硬件设备进行初始化；
k)    jumptable_init()：初始化跳转表；
l)    api_init()：如果配置了接口，初始化各个接口；
m)    console_init_r()：完整地初始化控制台设备；
n)    interrupt_init()：中断初始化；enable_interrupts()：能使中断处理；
o)    board_late_init()：进行单板后期初始化；
p)    eth_initialize(gd->bd)：以太网初始化；


在board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr)函数的最后，调用一个for循环，跳入main.c中的main_loop()中去进行uboot启动后的操作，如下：



main_loop()在uboot初始化后，等待进程命令来执行。在该函数里面，进行了Modem功能的设置，打开该功能可以接受其他用户通过电话网络的拨号请求。同时设置U-Boot的版本号，启动延迟功能（s= bootdelay_process()）。如果用户按下任意键打断，启动流程，会向终端打印出一个启动菜单。最后自动运行引导内核的命令（autoboot_command(s)）。