前言

我們在前面的arm系列課程，已經(jīng)講解了arm的架構(gòu)、匯編指令、異常、常用外設(shè)的控制器驅(qū)動，那么我們已經(jīng)具備開發(fā)arm系列產(chǎn)品的基本技能。

本篇給大家介紹一款比較常用的bootloader：uboot，通過uboot的介紹以及源代碼的詳細(xì)分析，讓大家把之前所有ARM相關(guān)的知識點(diǎn)融會貫通起來。

一、uboot

1. 概念

U-Boot 是一個主要用于嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)加載程序，可以支持多種不同的計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括PPC、ARM、AVR32、MIPS、x86、68k、Nios與MicroBlaze。這也是一套在GNU通用公共許可證之下發(fā)布的自由軟件。

U-Boot不僅僅支持嵌入式Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)，它還支持NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS, android嵌入式操作系統(tǒng)。其目前要支持的目標(biāo)操作系統(tǒng)是OpenBSD, NetBSD, FreeBSD,4.4BSD, Linux, SVR4, Esix, Solaris, Irix, SCO, Dell, NCR, VxWorks, LynxOS, pSOS, QNX, RTEMS, ARTOS, android。

2. uboot基本功能

U-Boot可支持的主要功能列表：

• 系統(tǒng)引導(dǎo)支持NFS掛載、RAMDISK(壓縮或非壓縮)形式的根文件系統(tǒng)；支持NFS掛載、從FLASH中引導(dǎo)壓縮或非壓縮系統(tǒng)內(nèi)核；

• 基本輔助功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)接口功能；可靈活設(shè)置、傳遞多個關(guān)鍵參數(shù)給操作系統(tǒng)，適合系統(tǒng)在不同開發(fā)階段的調(diào)試要求與產(chǎn)品發(fā)布，尤以Linux支持最為強(qiáng)勁；支持目標(biāo)板環(huán)境參數(shù)多種存儲方式，如FLASH、NVRAM、EEPROM；

• CRC32校驗(yàn)可校驗(yàn)FLASH中內(nèi)核、RAMDISK鏡像文件是否完好；

• 設(shè)備驅(qū)動串口、SDRAM、FLASH、以太網(wǎng)、LCD、NVRAM、EEPROM、鍵盤、USB、PCMCIA、PCI、RTC等驅(qū)動支持；

• 上電自檢功能SDRAM、FLASH大小自動檢測；SDRAM故障檢測；CPU型號。

3. 常用命令

uboot命令比較多，下面只列舉網(wǎng)絡(luò)啟動要用到的命令：

4. 配置參數(shù)舉例

以下以網(wǎng)絡(luò)下載內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)掛載nfs為例。

1）ubuntu環(huán)境

ubuntu ip：192.168.6.186

nfs配置：

配置文件如下：

/etc/exports

配置信息如下：

2）開發(fā)板設(shè)置

開發(fā)板ip：192.168.6.187

配置命令：

setenv ipaddr 192.168.6.187      ;板子的ip

setenv serverip 192.168.6.186    ;虛擬機(jī)的ip

setenv gatewayip 192.168.1.1     ;網(wǎng)關(guān)

saveenv                          ;保存配置

• 加載內(nèi)核和設(shè)備樹

setenv bootcmd tftp 41000000 uImage;tftp 42000000 exynos4412-fs4412.dtb;bootm 41000000 - 42000000

bootcmd：uboot2啟動之后，首先先執(zhí)行找到這個參數(shù)，執(zhí)行后面的命令。
從tftp服務(wù)器下載內(nèi)核鏡像uImage到地址41000000，設(shè)備樹文件exynos4412-fs4412.dtb到42000000，并通過命令bootm加載啟動內(nèi)核。

• 掛載nfs

setenv bootargs root=/dev/nfs nfsroot=192.168.6.186:/rootfs rw console=ttySAC2,115200 init=/linuxrc ip=192.168.6.187

掛載nfs文件系統(tǒng)，

• root=/dev/nfs

• nfsroot=192.168.6.186:/rootfs nfs服務(wù)器地址192.168.6.186，目錄為/rootfs，

• rw 文件系統(tǒng)操作權(quán)限為可續(xù)寫

• console=ttySAC2,115200 串口名稱和波特率

• init=/linuxrc 內(nèi)核啟動后運(yùn)行的進(jìn)程為linuxrc

• ip=192.168.6.187 開發(fā)板地址

二、exynos-4412 Soc 啟動順序

要想了解exynos-4412的啟動順序，我們首先需要了解該soc的內(nèi)存布局。

1. exynos-4412內(nèi)存布局

通常一款soc的內(nèi)存在廠家設(shè)計的時候就已經(jīng)規(guī)定死了，對于使用者來說，我們無法改變。

我們只關(guān)心和啟動相關(guān)的一個地址，

1. iROM 在soc內(nèi)部，出廠時廠家固化了特定的程序，iROM中程序?qū)?yīng)用戶來說不可改變

1. iRAM 在soc內(nèi)部，速度較快，但空間不大

1. DMC RAM控制器，位于SOC內(nèi)部，用于驅(qū)動RAM，大容量的RAM都需要連接到該控制器

2. Booting Sequence

不同的廠家的啟動順序是不太一樣的，本篇主要以三星的exynos-4412 soc為基礎(chǔ)，講解該基于該板子的uboot啟動順序。

根據(jù)上圖，系統(tǒng)啟動的大概順序：

• iROM在SOC內(nèi)部，是一個64KB的ROM，他樹池化一些系統(tǒng)啟動必須的功能。比如：時鐘、棧。

• iROM負(fù)責(zé)從特殊的啟動外設(shè)加載BL1的image到soc內(nèi)部的256KB的SRAM中。啟動的外設(shè)由操作按鈕來決定的。根據(jù)不同按鍵的值，iROM將會對bl1 的image做不同的校驗(yàn)。

• BL1初始化系統(tǒng)時鐘和DRAM控制器，然后從啟動外設(shè)加載OS image到DRAM中。根據(jù)啟動按鈕的值的不同，BL1會對OS做不同的校驗(yàn)。

• 啟動完成之后，BL1跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)（kernel）。

iROM會根據(jù)OM 引腳的不同選擇不同的啟動設(shè)備，對應(yīng)的OM寄存器需要提供對應(yīng)的啟動信息。

三、內(nèi)核啟動流程概述

1. 內(nèi)核啟動流程 概述

如上圖所示：

1. 設(shè)備上電之后，先執(zhí)行iROM中的出廠代碼，先進(jìn)行必要硬件的初始化
   去執(zhí)行uboot，

2. 通常把kernel、設(shè)備樹文件放到flash中

3. 程序啟動之后，往往先從flash啟動，運(yùn)行uboot

4. 第一步：先進(jìn)行硬件的初始化(svc模式棧、clock、內(nèi)存、串口)
   第二步：自搬移：把uboot從flash中拷貝到RAM中，跳轉(zhuǎn)到RAM中執(zhí)行剩下的uboot代碼
   第三步：把內(nèi)核拷貝到RAM中，執(zhí)行內(nèi)核，把控制權(quán)交給內(nèi)核。

2. 內(nèi)核啟動詳細(xì)流程

四、uboot啟動流程代碼詳解

在三星的SoC中, 啟動流程可以分為三個階段BL0, BL1, BL2, BL3, 三星自己的手冊對BL1的解釋也不盡相同, 一種是將在iRAM中運(yùn)行的程序都?xì)w結(jié)為BL1; 一種是將iRAM中三星加密的代碼bl1.bin作為BL1, iRAM中剩余的部分作為BL2, 本文采用后者, 他們的主要分工如下:

• BL0: ARM的起始地址都是0地址, 三星的芯片一般將0地址映射到iROM中, BL0就是指iROM中固化的啟動代碼, 主要負(fù)責(zé)加載BL1

• BL1: 三星對于bootloader的加密代碼bl1.bin, 要放在外設(shè)中uboot.bin的頭上, 和一部分uboot.bin一起加載到iRAM中運(yùn)行.

• BL2: 從(nand/sd/usb)中拷貝的uboot.bin頭最大14K到iRAM中代碼中除去bl1.bin后剩余的部分, 負(fù)責(zé)設(shè)置CPU為SVC模式, 關(guān)閉MMU, 關(guān)閉中斷, 關(guān)閉iCache, 關(guān)閉看門狗, 初始化DRAM,初始化時鐘, 初始化串口, 設(shè)置棧, 校驗(yàn)BL2并將其搬移到DRAM高位地址, 重定位到DRAM中執(zhí)行BL3

• BL3：是指在代碼重定向后在內(nèi)存中執(zhí)行的uboot的完整代碼, 負(fù)責(zé)初始化外設(shè)，更新向量表, 清BSS, 準(zhǔn)備內(nèi)核啟動參數(shù), 加載并運(yùn)行OS內(nèi)核

可以借助下圖理解這個流程

我們常說的uboot是一個兩階段bootloader，就是指上述的BL2和BL3. BL2主要做硬件直接相關(guān)的初始化，使用匯編編寫;BL3主要為操作系統(tǒng)的運(yùn)行準(zhǔn)備環(huán)境，主要用C編寫，這里以ARM平臺為例分析其啟動流程。下面是啟動過程中主要涉及的文件

arch/arm/cpu/armv7/start.S

board/samsung/myboard/lowlevel_init.S

arch/arm/lib/crt0.S

arch/arm/lib/board.c

arch/samsung/myboard/myboard.c

1. BL2

BL2的主要文件和任務(wù)流程如下

arch/arm/cpu/armv7/start.S

1. 設(shè)置CPU為SVC模式

2. 關(guān)閉MMU

3. 關(guān)閉Cache

4. 跳轉(zhuǎn)到lowlevel_init.S low_level_init

board/samsung/origen/lowlevel_init.S

5. 初始化時鐘

6. 初始化內(nèi)存

7. 初始化串口

8. 關(guān)閉看門狗

9. 跳轉(zhuǎn)到crt0.S _main

arch/arm/lib/crt0.S

10. 設(shè)置棧

11. 初始化C運(yùn)行環(huán)境

12. 調(diào)用board_init_f()

arch/arm/lib/board.c

13. board_init_f對全局信息GD結(jié)構(gòu)體進(jìn)行填充

arch/arm/lib/crt0.S

14. 代碼重定位------------BL2的最后的工作, 執(zhí)行完就進(jìn)入DRAM執(zhí)行BL2

2. lds文件

要想了解uboot整個項(xiàng)目的代碼流程，必須首先了解鏈接腳本【鏈接腳本參考《7. 從0開始學(xué)ARM-GNU偽指令，lds使用》】。

該文件決定了uboot最終生成的鏡像文件，各個段的布局。

uboot鏈接腳本如下：

u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/u-boot.lds

文件內(nèi)容：

26 OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")

 27 OUTPUT_ARCH(arm)

 28 ENTRY(_start)

 29 SECTIONS 30 {

 31     . = 0x00000000;

 32 

 33     . = ALIGN(4);

 34     .text :

 35     {

 36         __image_copy_start = .;

 37         CPUDIR/start.o (.text*)

 38         *(.text*)

 39     }

 40 

 41     . = ALIGN(4);

 42     .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }

 43 

 44     . = ALIGN(4);

 45     .data : {

 46         *(.data*)

 47     }

 48 

 49     . = ALIGN(4);

 50 

 51     . = .;

 52 

 53     . = ALIGN(4);

 54     .u_boot_list : {

 55     #include

 56     }

 57 

 58     . = ALIGN(4);

 59 

 60     __image_copy_end = .;

 61 

 62     .rel.dyn : {

 63         __rel_dyn_start = .;

 64         *(.rel*)

 65         __rel_dyn_end = .;

 66     }

 67 

 68     .dynsym : {

 69         __dynsym_start = .;

 70         *(.dynsym)

 71     }

 72 

 73     _end = .;

 74 

 75     /*

 76      * Deprecated: this MMU section is used by pxa at present but

 77      * should not be used by new boards/CPUs.

 78      */

 79     . = ALIGN(4096);

 80     .mmutable : {

 81         *(.mmutable)

 82     }

 83 

 84     .bss __rel_dyn_start (OVERLAY) : {

 85         __bss_start = .;

 86         *(.bss*)

 87          . = ALIGN(4);

 88         __bss_end__ = .;

 89     }

 90 

 91     /DISCARD/ : { *(.dynstr*) }

 92     /DISCARD/ : { *(.dynamic*) }

 93     /DISCARD/ : { *(.plt*) }

 94     /DISCARD/ : { *(.interp*) }

 95     /DISCARD/ : { *(.gnu*) }

 96 }

 97

核心內(nèi)容解釋：

 27 OUTPUT_ARCH(arm)       :    該鏡像運(yùn)行在arm架構(gòu)的硬件上 28 ENTRY(_start)          :    程序的入口是 _start 29 SECTIONS 30 {

 31  . = 0x00000000;      :   程序的鏈接地址，不是運(yùn)行地址【uboot一定是位置無關(guān)碼】 34     .text :

 35     {

 36         __image_copy_start = .;    : 宏對應(yīng)整個程序編譯好后首地址，自搬移代碼的初始位置 37         CPUDIR/start.o (.text*)    : 第一個目標(biāo)文件CPUDIR/start.o中的代碼段 38         *(.text*)                  : 剩下的目標(biāo)文件的代碼段 39     }

 60     __image_copy_end = .;          : 自搬移代碼的結(jié)束為止

BSS全局未初始化變量、全局初始化為0的變量所在的段：

 84     .bss __rel_dyn_start (OVERLAY) : {

 85         __bss_start = .;

 88         __bss_end__ = .;

 89     }

3. uboot啟動代碼流程概要

代碼只分析到uboot命令行，函數(shù)main_loop()位置。

4. 啟動代碼詳細(xì)分析

_start入口位于以下文件：

u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/armv7/start.S

第一階段：

第二階段

第二階段代碼從_main開始:

以上代碼詳細(xì)解釋，請結(jié)合B站視頻同步學(xué)習(xí)。

五、uboot啟動的幾個關(guān)鍵知識點(diǎn)

如何判斷第一條機(jī)器指令的位置?

鏈接腳本決定了內(nèi)存的布局。

uboot鏈接腳本如下：

u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/u-boot.lds

文件內(nèi)容：

 28 ENTRY(_start)

 29 SECTIONS 30 {

 31     . = 0x00000000;

 32

uboot的入口是

鏈接地址是

uboot如何搬運(yùn)代碼？

代碼位于：

u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/armv7/start.S

搬移代碼如下：

ENTRY(relocate_code)

mov r4, r0 /* save addr_sp */

mov r5, r1 /* save addr of gd */

mov r6, r2 /* save addr of destination */

adr r0, _start

cmp r0, r6

moveq r9, #0/* no relocation. relocation offset(r9) = 0 */

beq relocate_done /* skip relocation */

mov r1, r6 /* r1 <- scratch for copy_loop */

ldr r3, _image_copy_end_ofs

add r2, r0, r3 /* r2 <- source end address     */copy_loop:

ldmia r0!, {r9-r10}/* copy from source address [r0]    */

stmia r1!, {r9-r10}/* copy to   target address [r1]    */

cmp r0, r2 /* until source end address [r2]    */

blo copy_loop

詳情參考第四章，第3節(jié)。

uboot中，如何判斷此次開機(jī)是從斷電狀態(tài)開機(jī)還是從休眠狀態(tài)啟動的？

board/samsung/fs4412/lowlevel_init.S

代碼如下：

 41   lowlevel_init:

 54     /* AFTR wakeup reset */

 55     ldr r2, =S5P_CHECK_DIDLE 56     cmp r1, r2 57     beq exit_wakeup 58 

 59     /* LPA wakeup reset */

 60     ldr r2, =S5P_CHECK_LPA 61     cmp r1, r2 62     beq exit_wakeup 63 

 64     /* Sleep wakeup reset */

 65     ldr r2, =S5P_CHECK_SLEEP 66     cmp r1, r2 67     beq wakeup_reset 112 wakeup_reset:

 113     bl system_clock_init 114     bl mem_ctrl_asm_init 115     bl tzpc_init 116 

 117 exit_wakeup:

 118     /* Load return address and jump to kernel */