uboot启动流程详细分析（基于i.m6ull）

news/2023/6/9 19:37:20

uboot介绍

uboot就是一段引导程序，在加载系统内核之前，完成硬件初始化，内存映射，为后续内核的引导提供一个良好的环境。uboot是bootloader的一种，全称为universal boot loader。

一、uboot的makefile

1.1 makefile整体解析过程

为了生成u-boot.bin这个文件，首先要生成构成u-boot.bin的各个库文件、目标文件。为了各个库文件、目标文件就必须进入各个子目录执行其中的Makefile。由此，确定了整个编译的命令和顺序。

1.2 makefile整体编译过程

  • 首先，根据各个库文件、目标文件出现的先后顺序，依次进入各个子目录编译从而生成这些目标
  • 然后，回到顶层目录，继续执行顶层Makefile的总目标，最后生成u-boot.bin。

uboot的编译分为两步：配置、编译。

（1）第一步：配置，执行make pangu_basic_defconfig进行配置，生成.config文件
在这里插入图片描述

（2）第二步：编译，执行make进行编译，生成u-boot.bin。
在这里插入图片描述

二、uboot启动流程

在这里插入图片描述

  • uboot分为 uboot-spl 和 uboot 两个组成部分。

uboot启动分三个阶段

  1. BL0
    ROM上的固化程序(Boot Rom)

  2. BL1（u-boot-spl）

  • 初始化部分时钟（和SDRAM相关）
  • 初始化DDR（外部SDRAM）
  • 从存储介质上（比如SD\eMMC\nand flash）将BL2镜像加载到SDRAM上
  • 验证BL2镜像的合法性
  • 跳转到BL2镜像所在的地址上
  1. BL2 （uboot）
  • 初始化部分硬件，包括时钟、内存等等
  • 加载内核到内存上
  • 加载文件系统、atags或者dtb到内存上
  • 根据操作系统启动要求正确配置好一些硬件

启动操作系统

2.1 uboot的链接文件（u-boot.lds）

链接文件的作用

  1. 指定代码段和数据段、只读数据段在内存中的存放地址；（地址具体为i.m6ull ， 其他芯片可能不是 0X87800000）

    • u-boot.map 是 uboot 的映射文件，看到某个文件或者函数链接到了哪个地址，

    • __image_copy_start 为 0X87800000，而.text 的起始地址也是0X87800000。

    • vectors 段保存中断向量表，vectors 段的起始地址也是 0X87800000，说明整个 uboot 的起始地址就是 0X87800000，

    • 这也是为什么我们裸机例程的链接起始地址选择 0X87800000 了，目的就是为了和 uboot 一致。
      在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述

  2. 指定代码的入口地址；

    • 连接文件中找到程序的入口点：_start， 其中_start 在文件 arch/arm/lib/vectors.S 。

2.2 uboot启动流程

第一阶段

  • SPL是Secondary Program Loader的简称，第二阶段程序加载器，这里所谓的第二阶段是相对于SOC中的Boot ROM来说的

  • Boot ROM会通过检测启动方式来加载第二阶段bootloader。uboot已经是一个bootloader了，那么为什么还多一个uboot spl呢？

  • 这个主要原因是对于一些SOC来说，它的内部SRAM可能会比较小，小到无法装载下一个完整的uboot镜像，那么就需要spl，它主要负责初始化外部RAM和环境，并加载真正的uboot镜像到外部RAM（DDR）中来执行。

  • 所以由此来看，SPL应该是一个非常小的loader程序，可以运行于SOC的内部SRAM中，它的主要功能就是加载真正的uboot并运行之。

通过uboot-spl编译脚本：u-boot/arch/arm/cpu/u-boot-spl.lds
所以uboot-spl的代码入口函数是_start
对应于路径u-boot/arch/arm/lib/vector.S的_start，后续就是从这个函数开始分析。

2.2.1. 由u-boot.lds中知道入口点是 _start , 进入_start函数:

有一条跳转指令b reset跳转到reset函数处去执行

2.2.2. reset函数处的代码如下：(spl的流程在reset中结束，reset中进入uboot)

reset 函数跳转到了 save_boot_params 函数

2.2.3. save_boot_params 函数

100 ENTRY(save_boot_params)
101 b save_boot_params_ret @ back to my caller

save_boot_params 函数也是只有一句跳转语句，跳转到 save_boot_params_ret 函数，save_boot_params_ret 函数代码如下：

38 save_boot_params_ret:
39 /*
40 * disable interrupts (FIQ and IRQ), also set the cpu to SVC32
41 * mode, except if in HYP mode already
42 */
43 mrs r0, cpsr
44 and r1, r0,  #0x1f @ mask mode bits
45 teq r1, #0x1a @ test for HYP mode
46 bicne r0, r0, #0x1f @ clear all mode bits
47 orrne r0, r0, #0x13 @ set SVC mode
48 orr r0, r0, #0xc0 @ disable FIQ and IRQ
49 msr cpsr,r0

完成设置 CPU 处于 SVC32 模式（超级管理权限 / 保护模式），并且关闭FIQ 和 IRQ 这两个中断。（其他芯片还会关闭看门狗，但是im6ulll没有看门狗）

2.2.4. 然后返回_start函数接着执行

51 /*
52 * Setup vector:
53 * (OMAP4 spl TEXT_BASE is not 32 byte aligned.
54 * Continue to use ROM code vector only in OMAP4 spl)
55 */
56 #if !(defined(CONFIG_OMAP44XX) && defined(CONFIG_SPL_BUILD))
57 /* Set V=0 in CP15 SCTLR register - for VBAR to point to vector */
58 mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ Read CP15 SCTLR Register
59 bic r0, #CR_V @ V = 0
60 mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ Write CP15 SCTLR Register
61
62 /* Set vector address in CP15 VBAR register */
63 ldr r0, =_start
64 mcr p15, 0, r0, c12, c0, 0 @Set VBAR
65 #endif

第63行设置r0寄存器的值为_start，_start就是整个uboot的入口地址，其值为0X87800000，相当于 uboot 的起始地址，因此 0x87800000 也是向量表的起始地址。
第 64 行将 r0 寄存器的值(向量表值)写入到 CP15 的 c12 寄存器中，也就是 VBAR 寄存器。

因此第 58~64 行就是 设置中断向量表重定位的。 中断向量表的内容就是我们前面在reset下面看到的那些ldr xxxx指令

67 /* the mask ROM code should have PLL and others stable */
68 #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
69 bl cpu_init_cp15
70 bl cpu_init_crit
71 #endif
72
73 bl _main

完成上面操作后，会跳转到cpu_init_cp15和cpu_init_crit标号执行，最后转到_main函数去执行。

  • cpu_init_cp15 用来设置 CP15 相关的内容，完成启动ICACHE，关闭DCACHE，关闭MMU和TLB 。
    （ICACHE为指令缓存，可以不关闭，指令直接操作的硬件，实际的物理地址。但是DCACHE就必须要关闭，此时MMU没有使能，虚拟地址映射不成功，sdram无法访问，DCACHE无数据，这就可能导致读取到错误的数据）
  • cpu_init_crit 处的代码很简单，就是调用lowlevel_init进行初始化。

2.2.5. lowlevel_init 函数（初始化内存空间，为第二阶段准备ram）

lowlevel_init主要完成平台级和板级的初始化 ，如：时钟、内存、网卡、串口的初始化。

此时初始化SP指向 内存空间为IRAM（内部ram ，OCRAM 128K ，0x00900000）
在这里插入图片描述

2.2.6. _main函数

在这里插入图片描述

  • 因为后面是C语言环境，首先是设置堆栈

  • 初始化gd（下图中global date，内部ram） ， 进行清零（同上内部ram）
    在这里插入图片描述

  • 调用 board_init_f 函数（将SP指针从内部IRAM，转移到外部DDR），主要用来初始化 DDR，定时器，完成代码拷贝等等

  • 调用函数 relocate_code，也就是代码重定位函数，此函数负责将 uboot 拷贝到新的地方去

  • 调用函数 relocate_vectors，对中断向量表做重定位

  • 调用函数c_runtime_cpu_setup , 清除 BSS 段 , 。
    bss段不占用空间，都是未初始化的全局变量或者已经初始化为零的变量，本来就是零，直接清零就好。不清零的话未初始化的变量可能会存在未知的数值。

  • 设置函数 board_init_r 的两个参数 ， 调用 board_init_r 函数 ，

  • board_init_r 函数打印一些列的信息到串口，然后会进入main_loop() 。main_loop会进行倒计时，如果此时按下回车就会进入uboot的shell交互界面，否则就会自动引导启动OS系统。

2.2.7. board_init_f 函数

  • 重新设置环境(sp 和 gd) , 新的 sp 和 gd 将会存放到 DDR 中（外部），而不是内部的 RAM 了

  • uboot 会将自己重定位到 DRAM（DDR） 最后面的地址区域，也就是将自己拷贝到 DRAM 最后面的内存区域中。这么做的目的是给 Linux 腾出空间，防止 Linuxkernel 覆盖掉 uboot，将 DRAM 前面的区域完整的空出来。

  • 在拷贝之前肯定要给 uboot 各部分分配好内存位置和大小，比这些信息都保存在 gd 的成员变量中（从板子配置文件里读取），因此要对 gd 的这些成员变量做初始化。最终形成一个完整的内存“分配图”，在后面重定位 uboot 的时候就会用到这个内存“分配图”（外部）。

  • 注：上电后芯片内部Boot ROM把uboot搬移到DRAM头部（0x87800000），重定位则再搬移到DDR后部
    在这里插入图片描述

2.2.8. relocate_code 函数

  • relocate_code 函数是用于代码拷贝

重定位就是 uboot 将自身拷贝到 DRAM 的另一个地放去继续运行(DRAM 的高地址处)。我们知道，一个可执行的 bin 文件，其链接地址和运行地址要相等，也就是链接到哪个地址，在运行之前就要拷贝到哪个地址去。现在我们重定位以后，运行地址就和链接地址不同了，这样寻址的时候不会出问题吗？

代码动态重定位原理

  1. 分析问题产生原因

    r0 = gd->relocaddr = 0x9ff47000 , uboot重定位后的首地址
    r1 = 0x87800000 源地址的首地址
    r2 = 0x8785dc6c 源地址的结束地址
    r4 = 0x9ff46000 - 0x87800000 = 0x18747000 偏移量
    拷贝是从r1复制往r0粘贴 ， 一次两个32位
    当r1等于r2，拷贝完成

    当简单粗暴的将uboot从0x87800000拷贝到0x9ff47000 ，程序运行时地址和连接地址不同，发生错误。uboot解决方法是使用位置无关码，借用 .rel.dyn 段

  2. 使用位置无关码解重定位后和连接地址不同问题的原理

    举例： board_init 函数会调用 rel_test，rel_test 会调用全局变量 rel_a
    源代码

     static int rel_a = 0;void rel_test(void){rel_a = 100;printf("rel_test\r\n");}
int board_init(void)
{...rel_test();...
}

    反汇编代码

    8785dcf8 <rel_a>:
8785dcf8:	00000000 	andeq	r0, r0, r0878042b4 <rel_test>:
878042b4:	e59f300c 	ldr	r3, [pc, #12]	; 878042c8 <rel_test+0x14>
878042b8:	e3a02064 	mov	r2, #100	; 0x64
878042bc:	e59f0008 	ldr	r0, [pc, #8]	; 878042cc <rel_test+0x18>
878042c0:	e5832000 	str	r2, [r3]
878042c4:	ea00d64c 	b	87839bfc <printf>
878042c8:	8785dcf8 			; <UNDEFINED> instruction: 0x8785dcf8
878042cc:	87842aaf 	strhi	r2, [r4, pc, lsr #21]

    从反汇编代码中分析：

    • 想要找到 rel_a 的地址，首先 r3 = pc + 12 = 0x878042b4 + 8 + 12 = 0x878042c8 。（由ARM 流水线决定 pc = 当前地址 + 8)
    • 之后 r3 在0x878042c8 中存储数据为0x8785dcf8，即为rel_a地址
    • 这里没直接读取rel_a , 而是借助0x878042c8 。 0x878042c8 就是Label

    重定位后，地址变化

    9ffa4cf8 <rel_a>:
9ffa4cf8:	00000000 	andeq	r0, r0, r09ff4b2b4<rel_test>:
9ff4b2b4:	e59f300c 	ldr	r3, [pc, #12]	; 878042c8 <rel_test+0x14>
9ff4b2b8:	e3a02064 	mov	r2, #100	; 0x64
9ff4b2bc: 	e59f0008 	ldr	r0, [pc, #8]	; 878042cc <rel_test+0x18>
9ff4b2c0: 	e5832000 	str	r2, [r3]
9ff4b2c4: 	ea00d64c 	b	87839bfc <printf>
9ff4b2c8:	8785dcf8 			; <UNDEFINED> instruction: 0x8785dcf8
9ff4b2cc:  	87842aaf 	strhi	r2, [r4, pc, lsr #21]
    • 这时 Label中的值还是重定位之前的，必须要将8785dcf8换为重定位后的rel_a地址
    • 重定位后的Label中的数据 = 0x878042c8（老的Label） + 0x18747000（uboot整体的偏移量） = 0x9ffa4cf8；
    • 读取 rel_a 地址为 ，r3 = 0x9ff4b2b4 + 8 + 12 = 0x9ff4b2c8 ，即为Label地址，然后从Label中读取到 0x9ffa4cf8，为rel_a重定义后真是地址

  3. uboot 中使用 .rel.dyn 段具体实现位置无关码的原理

    完成这个功能在连接的时候需要加上”-pie”

    .rel.dyn 段代码段

    8785dcec:	87800020 	strhi	r0, [r0, r0, lsr #32]
8785dcf0:	00000017 	andeq	r0, r0, r7, lsl r0
……
8785e2fc:	878042c8	strhi	r4, [r0, r8, asr #5]
8785e300:	00000017 	andeq	r0, r0, r7, lsl r0
    • .rel.dyn 段的格式，也就是两个 4 字节数据为一组。
      高 4 字节是 Label 地址标识 0X17，低 4 字节就是 Label 的地址，
    • 第三行是878042c8，第四行是00000017 。说明878042c8是一个Label。正是上述分析中 存放 rel_a 地址的Label
    • 在重定位后，rel_a 真是地址 = Label内数据 + offset(0x18747000)

2.2.9 relocate_vectors函数

  • 中断向量表重定位后的地址，就是重定位后uboot的首地址

2.2.7. board_init_r 函数

  • 初始化一系列外设，比如串口、定时器，对uboot重定位后分配内存，或者打印一些消息等。

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