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19. Cortex-A9 uboot启动代码详解

一口Linux2021-01-25 14:48发文

前言

我们在前面的arm系列课程,已经讲解了arm的架构、汇编指令、异常、常用外设的控制器驱动,那么我们已经具备开发arm系列产品的基本技能。

本篇给大家介绍一款比较常用的bootloader:uboot,通过uboot的介绍以及源代码的详细分析,让大家把之前所有ARM相关的知识点融会贯通起来。

一、uboot

1. 概念

U-Boot 是一个主要用于嵌入式系统的引导加载程序,可以支持多种不同的计算机系统结构,包括PPC、ARM、AVR32、MIPS、x86、68k、Nios与MicroBlaze。这也是一套在GNU通用公共许可证之下发布的自由软件。

U-Boot不仅仅支持嵌入式Linux系统的引导,它还支持NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS, android嵌入式操作系统。其目前要支持的目标操作系统是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:

系统引导支持NFS挂载、RAMDISK(压缩或非压缩)形式的根文件系统;支持NFS挂载、从FLASH中引导压缩或非压缩系统内核;基本辅助功能强大的操作系统接口功能;可灵活设置、传递多个关键参数给操作系统,适合系统在不同开发阶段的调试要求与产品发布,尤以Linux支持最为强劲;支持目标板环境参数多种存储方式,如FLASH、NVRAM、EEPROM;CRC32校验可校验FLASH中内核、RAMDISK镜像文件是否完好;设备驱动串口、SDRAM、FLASH、以太网、LCD、NVRAM、EEPROM、键盘、USB、PCMCIA、PCI、RTC等驱动支持;上电自检功能SDRAM、FLASH大小自动检测;SDRAM故障检测;CPU型号。3. 常用命令

uboot命令比较多,下面只列举网络启动要用到的命令:

命令含义printenv打印Uboot环境变量setenv设置Uboot环境变量ipaddr本地的IP地址serveripTFTP服务器端的IP地址ethaddr以太网的MAC地址netmask以太网的网络掩码gateway以太网的网关bootcmd自动启动时执行命令bootargs传递给Linux内核的启动参数bootm引导启动存储在内存中的程序映像。这些内存包括RAM和可以永久保存的Flash。bootdelay执行自动启动(bootcmd中的命令)的等候秒数baudrate串口控制台的波特率4. 配置参数举例

以下以网络下载内核、网络挂载nfs为例。

1)ubuntu环境

ubuntu ip:192.168.6.186

nfs配置:

配置文件如下:

/etc/exports

配置信息如下:

nfs2)开发板设置

开发板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    ;虚拟机的ip
setenv gatewayip 192.168.1.1     ;网关
saveenv                          ;保存配置
加载内核和设备树setenv bootcmd tftp 41000000 uImage;tftp 42000000 exynos4412-fs4412.dtb;bootm 41000000 - 42000000

bootcmd:uboot2启动之后,首先先执行找到这个参数,执行后面的命令。

从tftp服务器下载内核镜像uImage到地址41000000,设备树文件exynos4412-fs4412.dtb到42000000,并通过命令bootm加载启动内核。

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

挂载nfs文件系统

root=/dev/nfsnfsroot=192.168.6.186:/rootfs    nfs服务器地址192.168.6.186,目录为/rootfs,rw  文件系统操作权限为可续写console=ttySAC2,115200   串口名称和波特率init=/linuxrc 内核启动后运行的进程为linuxrcip=192.168.6.187  开发板地址

二、exynos-4412 Soc 启动顺序

要想了解exynos-4412的启动顺序,我们首先需要了解该soc的内存布局。

1. exynos-4412内存布局

通常一款soc的内存在厂家设计的时候就已经规定死了,对于使用者来说,我们无法改变。

我们只关心和启动相关的一个地址,


iROM  在soc内部,出厂时厂家固化了特定的程序,iROM中程序对应用户来说不可改变
iRAM   在soc内部,速度较快,但空间不大
DMC    RAM控制器,位于SOC内部,用于驱动RAM,大容量的RAM都需要连接到该控制器2. Booting Sequence

不同的厂家的启动顺序是不太一样的,本篇主要以三星的exynos-4412 soc为基础,讲解该基于该板子的uboot启动顺序。

根据上图,系统启动的大概顺序:

iROM在SOC内部,是一个64KB的ROM,他树池化一些系统启动必须的功能。比如:时钟、栈。iROM负责从特殊的启动外设加载BL1的image到soc内部的256KB的SRAM中。启动的外设由操作按钮来决定的。根据不同按键的值,iROM将会对bl1 的image做不同的校验。BL1初始化系统时钟和DRAM控制器,然后从启动外设加载OS image到DRAM中。根据启动按钮的值的不同,BL1会对OS做不同的校验。启动完成之后,BL1跳转到操作系统(kernel)。

iROM会根据OM 引脚的不同选择不同的启动设备,对应的OM寄存器需要提供对应的启动信息。

三、内核启动流程概述

1. 内核启动流程 概述

uboot启动流程

如上图所示:

设备上电之后,先执行iROM中的出厂代码,先进行必要硬件的初始化去执行uboot,通常把kernel、设备树文件放到flash中程序启动之后,往往先从flash启动,运行uboot第一步:先进行硬件的初始化(svc模式栈、clock、内存、串口)第二步:自搬移:把uboot从flash中拷贝到RAM中,跳转到RAM中执行剩下的uboot代码
第三步:把内核拷贝到RAM中,执行内核,把控制权交给内核。2. 内核启动详细流程

开发板从上电到启动内核的过程

四、uboot启动流程代码详解

1. lds文件

要想了解uboot整个项目的代码流程,必须首先了解链接脚本【链接脚本参考《7. 从0开始学ARM-GNU伪指令,lds使用》】。

该文件决定了uboot最终生成的镜像文件,各个段的布局。

uboot链接脚本如下:

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

文件内容:

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 <u-boot.lst>
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

核心内容解释:

27 OUTPUT_ARCH(arm)       :    该镜像运行在arm架构的硬件上
28 ENTRY(_start)          :    程序的入口是 _start
29 SECTIONS
30 {
31  . = 0x00000000;      :   程序的链接地址,不是运行地址【uboot一定是位置无关码】
34     .text :
35     {
36         __image_copy_start = .;    : 宏对应整个程序编译好后首地址,自搬移代码的初始位置
37         CPUDIR/start.o (.text*)    : 第一个目标文件CPUDIR/start.o中的代码段
38         *(.text*)                  : 剩下的目标文件的代码段
39     }
60     __image_copy_end = .;          : 自搬移代码的结束为止

BSS全局未初始化变量、全局初始化为0的变量所在的段:

84     .bss __rel_dyn_start (OVERLAY) : {
85         __bss_start = .;
88         __bss_end__ = .;
89     }
2. uboot启动代码流程概要

代码只分析到uboot命令行,函数main_loop()位置。

3. 启动代码详细分析

_start入口位于以下文件:

u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/armv7/start.S
第一阶段:

第二阶段

第二阶段代码从_main开始:

以上代码详细解释,请结合B站视频同步学习。

五、uboot启动的几个关键知识点

如何判断第一条机器指令的位置?

链接脚本决定了内存的布局。

uboot链接脚本如下:

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

文件内容:

28 ENTRY(_start)
29 SECTIONS
30 {
31     . = 0x00000000;
32

uboot的入口是_start

链接地址是0x00000000

uboot如何搬运代码?

代码位于:

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

搬移代码如下:

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

详情参考第四章,第3节。

uboot中,如何判断此次开机是从断电状态开机还是从休眠状态启动的?board/samsung/fs4412/lowlevel_init.S

代码如下:

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
119     ldr r0, =(EXYNOS4_POWER_BASE + INFORM0_OFFSET)
120
121      r1 = physical address of exynos4210_cpu_resume function
122     ldr r1, [r0]
123
124      Jump to kernel
125     mov pc, r1

由上可知,当手机因为各种原因进入休眠时,会将当前程序执行的上下文保护起来,并向一些pmic的寄存器中写入指定的数据,以表明此次是因为何种原因进入休眠。

而手机并没有完全断电,而是处于一个低功耗模式下,此时启动RAM仍然有数据,所以在此启动后,只需要从特殊的寄存器中读取相应的值,就可以知道之前是因为什么原因休眠,进而回复休眠之前的上下文即可。

uboot代码搬到ram之后,代码的运行地址发生了变化,如何保证程序跳转不会出错?

除了要保证uboot代码是基于地址无关的,此外.rel.dyn帮我们解决了,其实主要还是编译器帮我们做了很多工作。

位置无关码参考《15. 从0学ARM-什么是位置无关码?》

设备启动的时候,有可能直接从ram启动, 如何知道当前是从flah启动还是ram启动的?

文件:

board/samsung/fs4412/lowlevel_init.S

代码:

lowlevel_init:

85    
86      * If U-boot is already running in ram, no need to relocate U-Boot.
87      * Memory controller must be configured before relocating U-Boot
88      * in ram.
89      
90     ldr r0, =0x0ffffff       r0 <- Mask Bits
91     bic r1, pc, r0       pc <- current addr of code
92                      r1 <- unmasked bits of pc
93     ldr r2, _TEXT_BASE       r2 <- original base addr in ram
94     bic r2, r2, r0       r2 <- unmasked bits of r2
95     cmp r1, r2           compare r1, r2
96     beq 1f           r0 == r1 then skip sdram init

原理:RAM地址空间是:0x40000000-0xA0000000   0xA0000000-0x00000000而iROM/iRAM地址的bit:28-31均是0,所以只需要读取出执行到lowlevel_init时pc的值,判断其bit:28-31是否是0即可知道现在代码是否运行在RAM中。


声明:本文为OFweek维科号作者发布,不代表OFweek维科号立场。如有侵权或其他问题,请及时联系我们举报。
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