bootloader分析

bootloader分析

一、U-BOOT的目录结构

u-boot目录下有18个子目录，分别存放管理不通的源程序。这些目录中所要存放的文件有其规则，可以分成三类。
第一类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关；
第二类目录是一些通用的函数或者驱动程序；
第三类目录是u-boot的应用程序、工具或者文档。
Board：和一些已有开发板相关的文件，比如Makefile和u-boot.lds等都和具体开发板的硬件和地址分配有关。
Common：与体系结构无关的文件，实现各种命令的C文件。
CPU：CPU相关文件，其中的子目录都是以u-boot所支持的CPU为名，比如有子目录arm926ejs、mips、mpc8260和nios等，每个特定的子目录中都包括cpu.c和interrupt.c和start.S。其中cpu.c初始化cpu、设置指令cache和数据cache 等；interrupt.c设置系统的各种终端和异常，比如快速中断，开关中断、时钟中断、软件中断、预取中止和未定义指令等；start.S是u- boot启动时执行的第一个文件，他主要是设置系统堆栈和工作发式，为进入C程序奠定基础。
Disk：disk驱动的分区处理代码、
Doc：文档。
Drivers：通用设备驱动程序，比如各种网卡、支持CFI的flash、串口和USB总线等。
Dtt：数字温度测量器或者传感器的驱动
Examples：一些独立运行的应用程序的例子。
Fs：支持文件系统的文件，u-boot现在支持cramfs、fat、fdos、jffs2、yaffs和registerfs。
Include：头文件，还有对各种硬件平台支持的会变文件，系统的配置文件和对文件系统支持的文件。
Net：与网络有关的代码，BOOTP协议、TFTP协议RARP协议和NFS文件系统的实现。
Lib_ppc：存放对PowerPC体系结构通用的文件，主要用于实现PowerPC平台通用的函数，与PowerPC体系结构相关的代码。
Lib_i386：存放对X86体系结构通用的文件，主要用于实现X86平台通用的函数，与PowerPc体系结构相关的代码。
Lib_arm：存放对ARM体系结构通用的文件，主要用于实现ARM平台通用的函数，与ARM体系结构相关的代码。
Lib_generic：通用的多功能函数实现。
Post：上电自检。
Rtc：实时时钟驱动。
Tools：创建S-Record格式文件和U-BOOT images的工具。

二 bootloader 的启动过程分为两部分
stage1 stage2

stage1 代码存放在start.s中，用汇编来实现。

（1）定义入口。由于一个可执行的Image必须有一个入口点，并且只能有一个全局入口，通常这个入口放在ROM（Flash）的0x0地址，因此，必须通知编译器以使其知道这个入口，该工作可通过修改连接器脚本来完成。

（2）设置异常向量（Exception Vector）。
（3）设置CPU的速度、时钟频率及终端控制寄存器。
（4）初始化内存控制器。
（5）首先必须为加载Stage2准备好一段可用的RAM空间，将ROM中的程序复制到RAM中。需要明白两点：1 stage2的可执行映像在固态存储器设备的存放起始地址和终止地址。2RAM空间的起始地址；
（6）初始化堆栈。
（7）转到RAM中执行，该工作可使用指令ldr pc来完成。

stage2 C语言代码部分，放在boad.c中；用C来实现目的是实现更复杂的功能和取得更好的代码可读性和可移植性。但是在编译和链接bootloader时不能使用glibc中的任何支持函数

（1）调用一系列的初始化函数。
（2）初始化Flash设备。
（3）初始化系统内存分配函数。
（4）如果目标系统拥有NAND设备，则初始化NAND设备。
（5）如果目标系统有显示设备，则初始化该类设备。
（6）初始化相关网络设备，填写IP、MAC地址等。
（7）进去命令循环（即整个boot的工作循环），接受用户从串口输入的命令，然后进行相应的工作。

三U-Boot的启动顺序

主要顺序如下图所示

                         函数顺序               初始化顺序
图为 U-Boot顺序
下面就根据代码进行解释：
/*********************** 中断向量 ***********************/
.globl _start                         //u-boot启动入口
_start: b       reset               //复位向量并且跳转到reset
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
b sleep_setting             //跳转到sleep_setting
并通过下段代码拷贝到内存里
relocate:                             //把uboot重新定位到RAM
adr r0, _start                  // r0 是代码的当前位置
ldr r2, _armboot_start               //r2 是armboot的开始地址
ldr r3, _armboot_end                //r3 是armboot的结束地址
sub r2, r3, r2                      // r2得到armboot的大小
ldr r1, _TEXT_BASE            // r1 得到目标地址
add r2, r0, r2                       // r2 得到源结束地址
copy_loop:                             //重新定位代码
ldmia r0!, {r3-r10}                  //从源地址[r0]中复制
stmia r1!, {r3-r10}                  //复制到目标地址[r1]
cmp r0, r2                        //复制数据块直到源数据末尾地址[r2]
ble copy_loop
系统上电或reset后，cpu的PC一般都指向0x0地址，在0x0地址上的指令是
reset:                                 //复位启动子程序
/******** 设置CPU为SVC32模式***********/
mrs r0,cpsr                       //将CPSR状态寄存器读取，保存到R0中
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0xd3
msr cpsr,r0
//将R0写入状态寄存器中
/************** 关闭看门狗 ******************/
ldr      r0, =pWTCON
mov     r1, #0x0
str       r1, [r0]
/************** 关闭所有中断 *****************/
mov r1, #0xffffffff
ldr r0, =INTMSK
str r1, [r0]
ldr r2, =0x7ff
ldr r0, =INTSUBMSK
str r2, [r0]
/************** 初始化系统时钟 *****************/
ldr r0, =LOCKTIME
ldr     r1, =0xffffff
str     r1, [r0]
clear_bss:
ldr       r0, _bss_start           //找到bss的起始地址
add      r0, r0, #4              //从bss的第一个字开始
ldr       r1, _bss_end           // bss末尾地址
mov      r2, #0x00000000       //清零
clbss_l:str        r2, [r0]                // bss段空间地址清零循环
add     r0, r0, #4
cmp     r0, r1
bne      clbss_l
/***************** 关键的初始化子程序 ************************/
/ * cpu初始化关键寄存器
* 设置重要寄存器
* 设置内存时钟
* /
cpu_init_crit:
/** 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 */
/************* 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
/******* 在重新定位前，我们要设置RAM的时间，因为内存时钟依赖开发板硬件的，你将会找到board目录底下的memsetup.S。**************/
mov ip, lr
#ifndef CONFIG_S3C2440A_JTAG_BOOT
bl memsetup        //调用memsetup子程序（在board/smdk2442memsetup.S）
#endif
mov lr, ip
mov pc, lr                        //子程序返回

memsetup:
/**************** 初始化内存 **************/
mov     r1, #MEM_CTL_BASE
adrl    r2, mem_cfg_val
add     r3, r1, #52
1:       ldr     r4, [r2], #4
str     r4, [r1], #4
cmp     r1, r3
bne     1b
/*********** 跳转到原来进来的下一个指令（start.S文件里） ***************/
mov     pc, lr                 //子程序返回
/****************** 建立堆栈 *******************/
ldr r0, _armboot_end               //armboot_end重定位
add r0, r0, #CONFIG_STACKSIZE    //向下配置堆栈空间
sub sp, r0, #12                  //为abort-stack预留个3字
/**************** 跳转到C代码去 **************/
ldr pc, _start_armboot           //跳转到start_armboot函数入口，start_armboot
字保存函数入口指针
_start_armboot: .word start_armboot    //start_armboot函数在lib_arm/board.c中实现
从此进入第二阶段C语言代码部分
/**************** 异常处理程序 *******************/
.align 5
undefined_instruction:               //未定义指令
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_undefined_instruction
.align 5
software_interrupt:                   //软件中断
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_software_interrupt
.align 5
prefetch_abort:                      //预取异常中止
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_prefetch_abort
.align 5
data_abort:                          //数据异常中止
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_data_abort
.align 5
not_used:                            //未利用
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_not_used
.align 5
irq:                                   //中断请求
get_irq_stack
irq_save_user_regs
bl do_irq
irq_restore_user_regs
.align 5
fiq:                                   //快速中断请求
get_fiq_stack
/* someone ought to write a more effiction fiq_save_user_regs */
irq_save_user_regs
bl do_fiq
irq_restore_user_regs
sleep_setting:                           //休眠设置
@ prepare the SDRAM self-refresh mode
ldr r0, =0x48000024 @ REFRESH Register
ldr r1, [r0]
orr r1, r1,#(1bd = &bd_data;
memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));
monitor_flash_len = _armboot_end_data - _armboot_start;
/*** 调用执行init_sequence数组按顺序执行初始化 ***/
for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
hang ();
}
}
#if 0
/**************** 配置可用的flash单元 *************/
size = flash_init ();             //初始化flash
display_flash_config (size);      //显示flash的大小
/******** _arm_boot在armboot.lds链接脚本中定义 ********/
#endif
#ifdef CONFIG_VFD
# ifndef PAGE_SIZE
# define PAGE_SIZE 4096
# endif
/*********** 为VFD显示预留内存(整个页面) **********/
/******** armboot_real_end在board-specific链接脚本中定义********/
addr = (_armboot_real_end + (PAGE_SIZE - 1)) & ~(PAGE_SIZE - 1);
size = vfd_setmem (addr);
gd->fb_base = addr;
/******* 进入下一个界面 ********/
addr += size;
addr = (addr + (PAGE_SIZE - 1)) & ~(PAGE_SIZE - 1);
mem_malloc_init (addr);
#else
/******** armboot_real_end 在board-specific链接脚本中定义 *******/
mem_malloc_init (_armboot_real_end);
#endif    /* CONFIG_VFD */
#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_NAND)
puts ("NAND:");
nand_init(); /* NAND初始化 */
#endif
#ifdef CONFIG_HAS_DATAFLASH
AT91F_DataflashInit();
dataflash_print_info();
#endif
/********* 初始化环境 **********/
env_relocate ();
/*********** 配置环境变量，重新定位 **********/
#ifdef CONFIG_VFD
/* must do this after the framebuffer is allocated */
drv_vfd_init();
#endif
/* 从环境中得到IP地址 */
bd_data.bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");
/*以太网接口MAC地址*/
{
int i;
ulong reg;
char *s, *e;
uchar tmp[64];
i = getenv_r ("ethaddr", tmp, sizeof (tmp));
s = (i > 0) ? tmp : NULL;
for (reg = 0; reg bd->bi_enetaddr);
#endif
#ifdef CONFIG_DRIVER_LAN91C96
if (getenv ("ethaddr")) {
smc_set_mac_addr(gd->bd->bi_enetaddr);
}
/* eth_hw_init(); */
#endif /* CONFIG_DRIVER_LAN91C96 */
/* 通过环境变量初始化*/
if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
}
#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_NET)
if ((s = getenv ("bootfile")) != NULL) {
copy_filename (BootFile, s, sizeof (BootFile));
}
#endif /* CFG_CMD_NET */
#ifdef BOARD_POST_INIT
board_post_init ();
#endif
/* 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 */
}