uboot1.1.6 之 第一阶段
2017-07-04 10:44
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最近打算移植一个比较新的 uboot 到开发板，回想起来上一次移植 uboot1.1.6 已经差不多是一年前了，手头保留了一些当时移植分析时的笔记，但是没有归纳梳理，在移植新版 uboot 之前，再来回味一下经典。本文重点在于分析 uboot 启动流程以及 uboot 自身的细节，比如栈空间的划分、如何设置 tag 、如何添加一个自定义命令等。但是不涉及基本的硬件驱动的分析，比如内存初始化、时钟初始化、mmu
、nandflash 等等这些细节不是我们的重点。
一、链接脚本
uboot1.1.6 的链接脚本 u-boot.lds 位于 u-boot-1.1.6\board\smdk2410 目录下：
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
. = 0x00000000;
. = ALIGN(4);
.text :
{
cpu/arm920t/start.o (.text)
*(.text)
}
. = ALIGN(4);
.rodata : { *(.rodata) }
. = ALIGN(4);
.data : { *(.data) }
. = ALIGN(4);
.got : { *(.got) }
. = .;
__u_boot_cmd_start = .;
.u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
__u_boot_cmd_end = .;
. = ALIGN(4);
__bss_start = .;
.bss : { *(.bss) }
_end = .;
}
链接地址为 0 ？显然不应该，实际编译的时候执行的大概是这样一条语句：
arm-linux-ld -Bstatic -T u-boot.lds -Ttext 0x33F80000 start.o ...
0x33F80000 在 board/smdk2410/config.mk 中定义，为 TEXT_BASE = 0x33F80000 （链接地址）
整个 uboot 的入口 _start 包含在 cpu/arm920t/start.S 中
二、第一阶段
uboot 的第一阶段主要工作是作基本的初始化工作，例如关看门狗、初始化时钟、初始化 sdram 以及代码重定位，为第二阶段做准备。这里的代码都是没有经过移植的源代码~！
1、设置异常向量
.globl _start
_start: b reset
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq
ldr pc, _fiq
_undefined_instruction: .word undefined_instruction
_software_interrupt: .word software_interrupt
_prefetch_abort: .word prefetch_abort
_data_abort: .word data_abort
_not_used: .word not_used
_irq: .word irq
_fiq: .word fiq
.balignl 16,0xdeadbeef
第一条 b reset ，因为刚开始运行时代码都是在片内 sram 里，我们在 sram 里调来跳去的话就需要用位置无关码，那么 b 就是最佳选择，因为它是相对跳转。
ldr pc, _undefined_instruction
_undefined_instruction:.word undefined_instruction
感觉真是在卖弄，两条指令连起来的结果就是，CPU 会跳转到 undefined_instruction 链接地址处去执行（sdram里）。
那么其实，一条 ldr pc,=undefined_instruction 就够了，它是位置有关码，绝对跳转。
或许，uboot 的作者别有用意我没看透，不知道这是不是个伏笔。在u-boot2015里，就只有一个 reset 一个异常入口了。
2、进入管理模式
reset:
/*
* set the cpu to SVC32 mode
*/
mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0xd3
msr cpsr,r0
ARM每种工作模式除R0~R15共16个寄存器外，还有第17个寄存器CPSR,叫做 当前程序状态寄存器，CPSR中一些位被用于标识各种状态，一些位被用于标识当前出于什么工作模式。
有时候我们会碰到 CPSR_C ，它其实就是 CPSR 的低 8 位而已。
I：1-禁止irq中断 0-允许irq中断
F：1-禁止fiq中断 1-允许fiq中断
T：1-Thumb 0-arm 指令集
M0-M4 : 工作模式
说了这么多，前边两条指令，先将 cpsr 低 5位 清零，然后或上 1101 0011B
禁止了 irq 和 fiq 中断，工作在 arm 指令集，管理模式。
3、关看门狗
#if defined(CONFIG_S3C2400) || defined(CONFIG_S3C2410)
ldr r0, =pWTCON
mov r1, #0x0
str r1, [r0]
4、屏蔽中断
/*
* mask all IRQs by setting all bits in the INTMR - default
*/
mov r1, #0xffffffff
ldr r0, =INTMSK
str r1, [r0]
# if defined(CONFIG_S3C2410)
ldr r1, =0x3ff
ldr r0, =INTSUBMSK
str r1, [r0]
# endif
前边通过 cpsr 禁止 irq 和 fiq 使 cpu 不接受来自中断控制器的中断请求，而这里通过中断屏蔽使中断发生时，中断控制寄存器自身就不会上报给 cpu 双保险。
5、设置时钟
/* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 */
/* default FCLK is 120 MHz ! */
ldr r0, =CLKDIVN
mov r1, #3
str r1, [r0]
6、关 I/D cache 关 TLB
/*
* flush v4 I/D caches
*/
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* flush v3/v4 cache */
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* flush v4 TLB */
协处理器 p15 在2410的数据手册附录有介绍
或者参考：http://blog.sina.com.cn/s/blog_858820890102v1gc.html
7、关 mmu
/*
* disable MMU stuff and caches
*/
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS)
bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM)
orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 2 (A) Align
orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-Cache
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
这里主要涉及 P15 的 C1寄存器，用到的各位：
8、初始化 sdram 控制器
.globl lowlevel_init
lowlevel_init:
/* memory control configuration */
/* make r0 relative the current location so that it */
/* reads SMRDATA out of FLASH rather than memory ! */
ldr r0, =SMRDATA
ldr r1, _TEXT_BASE
sub r0, r0, r1
ldr r1, =BWSCON /* Bus Width Status Controller */
add r2, r0, #13*4
0:
ldr r3, [r0], #4
str r3, [r1], #4
cmp r2, r0
bne 0b
/* everything is fine now */
mov pc, lr
.ltorg
/* the literal pools origin */
SMRDATA:
.word (0+(B1_BWSCON<<4)+(B2_BWSCON<<8)+(B3_BWSCON<<12)+(B4_BWSCON<<16)+(B5_BWSCON<<20)+(B6_BWSCON<<24)+(B7_BWSCON<<28))
.word ((B0_Tacs<<13)+(B0_Tcos<<11)+(B0_Tacc<<8)+(B0_Tcoh<<6)+(B0_Tah<<4)+(B0_Tacp<<2)+(B0_PMC))
.word ((B1_Tacs<<13)+(B1_Tcos<<11)+(B1_Tacc<<8)+(B1_Tcoh<<6)+(B1_Tah<<4)+(B1_Tacp<<2)+(B1_PMC))
.word ((B2_Tacs<<13)+(B2_Tcos<<11)+(B2_Tacc<<8)+(B2_Tcoh<<6)+(B2_Tah<<4)+(B2_Tacp<<2)+(B2_PMC))
.word ((B3_Tacs<<13)+(B3_Tcos<<11)+(B3_Tacc<<8)+(B3_Tcoh<<6)+(B3_Tah<<4)+(B3_Tacp<<2)+(B3_PMC))
.word ((B4_Tacs<<13)+(B4_Tcos<<11)+(B4_Tacc<<8)+(B4_Tcoh<<6)+(B4_Tah<<4)+(B4_Tacp<<2)+(B4_PMC))
.word ((B5_Tacs<<13)+(B5_Tcos<<11)+(B5_Tacc<<8)+(B5_Tcoh<<6)+(B5_Tah<<4)+(B5_Tacp<<2)+(B5_PMC))
.word ((B6_MT<<15)+(B6_Trcd<<2)+(B6_SCAN))
.word ((B7_MT<<15)+(B7_Trcd<<2)+(B7_SCAN))
.word ((REFEN<<23)+(TREFMD<<22)+(Trp<<20)+(Trc<<18)+(Tchr<<16)+REFCNT)
.word 0x32
.word 0x30
.word 0x30
写裸机代码的入门操作，初始化 sdram 寄存器。
9、代码重定位
relocate: /* relocate U-Boot to RAM */
adr r0, _start /* r0 <- current position of code */
ldr r1, _TEXT_BASE /* test if we run from flash or RAM */
cmp r0, r1 /* don't reloc during debug */
beq stack_setup
ldr r2, _armboot_start
ldr r3, _bss_start
sub r2, r3, r2 /* r2 <- size of armboot */
add r2, r0, r2 /* r2 <- source end address */
copy_loop:
ldmia r0!, {r3-r10} /* copy from source address [r0] */
stmia r1!, {r3-r10} /* copy to target address [r1] */
cmp r0, r2 /* until source end addreee [r2] */
ble copy_loop
adr 位置无关码，获取_start实际当前位于的地方，_TEXT_BASE 为 0x33f80000 ，这里判断的是代码是否直接运行在 sdram 里了，如果是就不需要重定位了。
拷贝范围：_start 至 _bss_start 前，拷贝到 0x33f80000 处。
33f80048 <_bss_start>:
33f80048: 33fb064c
0x33fb064c - 0x33f80000 > 192K ,什么意思呢？整个 uboot 除了 bss 段 > 4k，如果是 nandflash 启动的话需要从 nandflash 里读取 uboot 到内核，而这里是直接从 0 地址开始读，并读取 > 193k 的东西，显然 uboot 运行在 Norflash 才可以。默认
uboot 不支持 nandflash 启动。
10、设置栈
stack_setup:
ldr r0, _TEXT_BASE /* upper 128 KiB: relocated uboot */
sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* malloc area */
sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* bdinfo */
#ifdef CONFIG_USE_IRQ
sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif
sub sp, r0, #12 /* leave 3 words for abort-stack */
clear_bss:
ldr r0, _bss_start /* find start of bss segment */
ldr r1, _bss_end /* stop here */
mov r2, #0x00000000 /* clear */
clbss_l:str r2, [r0] /* clear loop... */
add r0, r0, #4
cmp r0, r1
ble clbss_l
TEXT_BASE = 0x33F80000 其它的宏在 Smdk2410.h (include\configs):
#define CFG_MALLOC_LEN (CFG_ENV_SIZE + 128*1024)
#define CFG_ENV_SIZE 0x10000 /* Total Size of Environment Sector */
#define CFG_GBL_DATA_SIZE 128
#define CONFIG_STACKSIZE_IRQ (4*1024) /* IRQ stack */
#define CONFIG_STACKSIZE_FIQ (4*1024) /* FIQ stack */
0x34000000:
(512K) 存放 uboot
0x33F80000： <span style="white-space:pre"> </span>TEXT_BASE
(64K+128K == 192K) <span style="white-space:pre"> </span>mallo区
0x33F50000:
(128bytes) global data区，后边会提到主要放的gd、bd全局结构体
0x33F4FF80:
(4*1024*2) IRQ+FIQ的栈
0x33F4DF80:
(12byte) abort-stack,栈溢出
0x33F4DF74: sp
11、清 BSS 段
clear_bss:
ldr r0, _bss_start /* find start of bss segment */
ldr r1, _bss_end /* stop here */
mov r2, #0x00000000 /* clear */
clbss_l:str r2, [r0] /* clear loop... */
add r0, r0, #4
cmp r0, r1
ble clbss_l
三、第二阶段
ldr pc, _start_armboot
start_armboot: .word start_armboot
跳转到 sdram 里的 start_armboot 函数执行。
最近打算移植一个比较新的 uboot 到开发板，回想起来上一次移植 uboot1.1.6 已经差不多是一年前了，手头保留了一些当时移植分析时的笔记，但是没有归纳梳理，在移植新版 uboot 之前，再来回味一下经典。本文重点在于分析 uboot 启动流程以及 uboot 自身的细节，比如栈空间的划分、如何设置 tag 、如何添加一个自定义命令等。但是不涉及基本的硬件驱动的分析，比如内存初始化、时钟初始化、mmu
、nandflash 等等这些细节不是我们的重点。
一、链接脚本
uboot1.1.6 的链接脚本 u-boot.lds 位于 u-boot-1.1.6\board\smdk2410 目录下：
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
. = 0x00000000;
. = ALIGN(4);
.text :
{
cpu/arm920t/start.o (.text)
*(.text)
}
. = ALIGN(4);
.rodata : { *(.rodata) }
. = ALIGN(4);
.data : { *(.data) }
. = ALIGN(4);
.got : { *(.got) }
. = .;
__u_boot_cmd_start = .;
.u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
__u_boot_cmd_end = .;
. = ALIGN(4);
__bss_start = .;
.bss : { *(.bss) }
_end = .;
}
链接地址为 0 ？显然不应该，实际编译的时候执行的大概是这样一条语句：
arm-linux-ld -Bstatic -T u-boot.lds -Ttext 0x33F80000 start.o ...
0x33F80000 在 board/smdk2410/config.mk 中定义，为 TEXT_BASE = 0x33F80000 （链接地址）
整个 uboot 的入口 _start 包含在 cpu/arm920t/start.S 中
二、第一阶段
uboot 的第一阶段主要工作是作基本的初始化工作，例如关看门狗、初始化时钟、初始化 sdram 以及代码重定位，为第二阶段做准备。这里的代码都是没有经过移植的源代码~！
1、设置异常向量
.globl _start
_start: b reset
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq
ldr pc, _fiq
_undefined_instruction: .word undefined_instruction
_software_interrupt: .word software_interrupt
_prefetch_abort: .word prefetch_abort
_data_abort: .word data_abort
_not_used: .word not_used
_irq: .word irq
_fiq: .word fiq
.balignl 16,0xdeadbeef
第一条 b reset ，因为刚开始运行时代码都是在片内 sram 里，我们在 sram 里调来跳去的话就需要用位置无关码，那么 b 就是最佳选择，因为它是相对跳转。
ldr pc, _undefined_instruction
_undefined_instruction:.word undefined_instruction
感觉真是在卖弄，两条指令连起来的结果就是，CPU 会跳转到 undefined_instruction 链接地址处去执行（sdram里）。
那么其实，一条 ldr pc,=undefined_instruction 就够了，它是位置有关码，绝对跳转。
或许，uboot 的作者别有用意我没看透，不知道这是不是个伏笔。在u-boot2015里，就只有一个 reset 一个异常入口了。
2、进入管理模式
reset:
/*
* set the cpu to SVC32 mode
*/
mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0xd3
msr cpsr,r0
ARM每种工作模式除R0~R15共16个寄存器外，还有第17个寄存器CPSR,叫做 当前程序状态寄存器，CPSR中一些位被用于标识各种状态，一些位被用于标识当前出于什么工作模式。
有时候我们会碰到 CPSR_C ，它其实就是 CPSR 的低 8 位而已。
I：1-禁止irq中断 0-允许irq中断
F：1-禁止fiq中断 1-允许fiq中断
T：1-Thumb 0-arm 指令集
M0-M4 : 工作模式
说了这么多，前边两条指令，先将 cpsr 低 5位 清零，然后或上 1101 0011B
禁止了 irq 和 fiq 中断，工作在 arm 指令集，管理模式。
3、关看门狗
#if defined(CONFIG_S3C2400) || defined(CONFIG_S3C2410)
ldr r0, =pWTCON
mov r1, #0x0
str r1, [r0]
4、屏蔽中断
/*
* mask all IRQs by setting all bits in the INTMR - default
*/
mov r1, #0xffffffff
ldr r0, =INTMSK
str r1, [r0]
# if defined(CONFIG_S3C2410)
ldr r1, =0x3ff
ldr r0, =INTSUBMSK
str r1, [r0]
# endif
前边通过 cpsr 禁止 irq 和 fiq 使 cpu 不接受来自中断控制器的中断请求，而这里通过中断屏蔽使中断发生时，中断控制寄存器自身就不会上报给 cpu 双保险。
5、设置时钟
/* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 */
/* default FCLK is 120 MHz ! */
ldr r0, =CLKDIVN
mov r1, #3
str r1, [r0]
6、关 I/D cache 关 TLB
/*
* flush v4 I/D caches
*/
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* flush v3/v4 cache */
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* flush v4 TLB */
协处理器 p15 在2410的数据手册附录有介绍
或者参考：http://blog.sina.com.cn/s/blog_858820890102v1gc.html
7、关 mmu
/*
* disable MMU stuff and caches
*/
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS)
bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM)
orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 2 (A) Align
orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-Cache
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
这里主要涉及 P15 的 C1寄存器，用到的各位：
8、初始化 sdram 控制器
.globl lowlevel_init
lowlevel_init:
/* memory control configuration */
/* make r0 relative the current location so that it */
/* reads SMRDATA out of FLASH rather than memory ! */
ldr r0, =SMRDATA
ldr r1, _TEXT_BASE
sub r0, r0, r1
ldr r1, =BWSCON /* Bus Width Status Controller */
add r2, r0, #13*4
0:
ldr r3, [r0], #4
str r3, [r1], #4
cmp r2, r0
bne 0b
/* everything is fine now */
mov pc, lr
.ltorg
/* the literal pools origin */
SMRDATA:
.word (0+(B1_BWSCON<<4)+(B2_BWSCON<<8)+(B3_BWSCON<<12)+(B4_BWSCON<<16)+(B5_BWSCON<<20)+(B6_BWSCON<<24)+(B7_BWSCON<<28))
.word ((B0_Tacs<<13)+(B0_Tcos<<11)+(B0_Tacc<<8)+(B0_Tcoh<<6)+(B0_Tah<<4)+(B0_Tacp<<2)+(B0_PMC))
.word ((B1_Tacs<<13)+(B1_Tcos<<11)+(B1_Tacc<<8)+(B1_Tcoh<<6)+(B1_Tah<<4)+(B1_Tacp<<2)+(B1_PMC))
.word ((B2_Tacs<<13)+(B2_Tcos<<11)+(B2_Tacc<<8)+(B2_Tcoh<<6)+(B2_Tah<<4)+(B2_Tacp<<2)+(B2_PMC))
.word ((B3_Tacs<<13)+(B3_Tcos<<11)+(B3_Tacc<<8)+(B3_Tcoh<<6)+(B3_Tah<<4)+(B3_Tacp<<2)+(B3_PMC))
.word ((B4_Tacs<<13)+(B4_Tcos<<11)+(B4_Tacc<<8)+(B4_Tcoh<<6)+(B4_Tah<<4)+(B4_Tacp<<2)+(B4_PMC))
.word ((B5_Tacs<<13)+(B5_Tcos<<11)+(B5_Tacc<<8)+(B5_Tcoh<<6)+(B5_Tah<<4)+(B5_Tacp<<2)+(B5_PMC))
.word ((B6_MT<<15)+(B6_Trcd<<2)+(B6_SCAN))
.word ((B7_MT<<15)+(B7_Trcd<<2)+(B7_SCAN))
.word ((REFEN<<23)+(TREFMD<<22)+(Trp<<20)+(Trc<<18)+(Tchr<<16)+REFCNT)
.word 0x32
.word 0x30
.word 0x30
写裸机代码的入门操作，初始化 sdram 寄存器。
9、代码重定位
relocate: /* relocate U-Boot to RAM */
adr r0, _start /* r0 <- current position of code */
ldr r1, _TEXT_BASE /* test if we run from flash or RAM */
cmp r0, r1 /* don't reloc during debug */
beq stack_setup
ldr r2, _armboot_start
ldr r3, _bss_start
sub r2, r3, r2 /* r2 <- size of armboot */
add r2, r0, r2 /* r2 <- source end address */
copy_loop:
ldmia r0!, {r3-r10} /* copy from source address [r0] */
stmia r1!, {r3-r10} /* copy to target address [r1] */
cmp r0, r2 /* until source end addreee [r2] */
ble copy_loop
adr 位置无关码，获取_start实际当前位于的地方，_TEXT_BASE 为 0x33f80000 ，这里判断的是代码是否直接运行在 sdram 里了，如果是就不需要重定位了。
拷贝范围：_start 至 _bss_start 前，拷贝到 0x33f80000 处。
33f80048 <_bss_start>:
33f80048: 33fb064c
0x33fb064c - 0x33f80000 > 192K ,什么意思呢？整个 uboot 除了 bss 段 > 4k，如果是 nandflash 启动的话需要从 nandflash 里读取 uboot 到内核，而这里是直接从 0 地址开始读，并读取 > 193k 的东西，显然 uboot 运行在 Norflash 才可以。默认
uboot 不支持 nandflash 启动。
10、设置栈
stack_setup:
ldr r0, _TEXT_BASE /* upper 128 KiB: relocated uboot */
sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* malloc area */
sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* bdinfo */
#ifdef CONFIG_USE_IRQ
sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif
sub sp, r0, #12 /* leave 3 words for abort-stack */
clear_bss:
ldr r0, _bss_start /* find start of bss segment */
ldr r1, _bss_end /* stop here */
mov r2, #0x00000000 /* clear */
clbss_l:str r2, [r0] /* clear loop... */
add r0, r0, #4
cmp r0, r1
ble clbss_l
TEXT_BASE = 0x33F80000 其它的宏在 Smdk2410.h (include\configs):
#define CFG_MALLOC_LEN (CFG_ENV_SIZE + 128*1024)
#define CFG_ENV_SIZE 0x10000 /* Total Size of Environment Sector */
#define CFG_GBL_DATA_SIZE 128
#define CONFIG_STACKSIZE_IRQ (4*1024) /* IRQ stack */
#define CONFIG_STACKSIZE_FIQ (4*1024) /* FIQ stack */
0x34000000:
(512K) 存放 uboot
0x33F80000： <span style="white-space:pre"> </span>TEXT_BASE
(64K+128K == 192K) <span style="white-space:pre"> </span>mallo区
0x33F50000:
(128bytes) global data区，后边会提到主要放的gd、bd全局结构体
0x33F4FF80:
(4*1024*2) IRQ+FIQ的栈
0x33F4DF80:
(12byte) abort-stack,栈溢出
0x33F4DF74: sp
11、清 BSS 段
clear_bss:
ldr r0, _bss_start /* find start of bss segment */
ldr r1, _bss_end /* stop here */
mov r2, #0x00000000 /* clear */
clbss_l:str r2, [r0] /* clear loop... */
add r0, r0, #4
cmp r0, r1
ble clbss_l
三、第二阶段
ldr pc, _start_armboot
start_armboot: .word start_armboot
跳转到 sdram 里的 start_armboot 函数执行。
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