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通常在上电后，一旦CPU电源稳定期结束，它则开始从某个固定的地址(通常为FLASH的0地址)开始执行程序，为何方便代码的引导，一些CPU支持多种方式/地址处的引导，比如设置跳线，可以选择NOR Flash，或者NAND FLASH等。S3C6410就是这样一款功能强大的CPU。 S3C6410 具备了一个内部SRAM缓冲器，大小为8K，叫做“STEPPINGSTONE”，如果跳线设置为从Nand Flash启动，则当系统启动时，Nand Flash存储器的前4KB 将被自动载入到STEPPINGSTONE中，然后系统自动执行这些载入的引导代码。而Nand Flash的开始就是放置的U-boot的镜像。 对于S3C6410来说，起始代码位于： cpu/s3c64xx/start.S .globl _start /* uboot启动入口*/ _start: b reset /* 复位向量*/ 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 */ ...... 第一跳指令就是复位： /* 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: /* * set the cpu to SVC32 mode */ mrs r0, cpsr /* *把CPSR内容存入r0.使用了mrs指令:专用寄存器到通过寄存器的存取. *CPSR当前程序状态寄存器格式如下: * * 31 30 29 28 27 26 25 24 ~ ~ ~ 8 7 6 5 4 3 2 1 0 *___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ ___ _ _ _ _ ___ ___ ___ ____ ____ ____ ____ ____ *| N | Z | C | V | * | * | * | * | * * * | I | F | T | M4 | M3 | M2 | M1 | M0 | * */ /* bic指令(bit clear): r0:= r0 and (not op2).上边的指令目的是把bit0~bit4清零.*/ bic r0,r0,#0x1f orr r0,r0,#0xd3 /* r0:= r0 or 0xd3 . 以上三条指令执行后r0值为:**** **** **** **** **** ***** 11*1 0011 */ msr cpsr,r0 msr把r0存于cpsr.注意:msr指令是专用的通用寄存器到特殊功能寄存器的指令与mrs对应说明:通过上边的指令可以看到,实现了两个功能.1,disable 外部中断(IRQ)与快速中断(FIR).2,把系统设为SVC32状态(超级保护)即M4~M1=10011。 接下来cpu初始化关键寄存器以及设置内存时钟。 cpu_init_crit:
/*
* flush v4 I/D caches
*/
mov r0, #0
/* 使I/D cache失效：将寄存器r0的数据传送到协处理器p15的c7中。C7寄存器位对应cp15中的cache控制寄存器 */
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* flush v3/v4 cache */
/* 使TLB操作寄存器失效：将r0数据送到cp15的c8、c7中。C8对应TLB操作寄存器 */
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* flush v4 TLB */
/*
* disable MMU stuff and caches
*/
/* 先把c1和c0寄存器的各位置0(r0 = 0) */
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
/* Peri port setup */
/* 通过CP15 c15 设置外设基地址为0x70000000，地址空间为256M
*
* Base Address UPN/SBZ SIZE
* |31----------12|11---5 | 4--0|
*
* 0x13 Means b10011 b10011 = 256MB
*
*/
ldr r0, =0x70000000
orr r0, r0, #0x13
mcr p15,0,r0,c15,c2,4 @ 256M(0x70000000-0x7fffffff)
接着执行位于board/samsung/smdk6410/lowlevel_init.S内的lowlevel_init子程序，设置时钟相关的PLL，MUX和内存。 bl lowlevel_init /* go setup pll,mux,memory */ /* 判断当前uboot是否在内存RAM中运行，如果是那么运行after_copy，否则顺序执行 */ ldr r0, =0xff000fff bic r1, pc, r0 /* r0 <- current base addr of code */ ldr r2, _TEXT_BASE /* r1 <- original base addr in ram */ bic r2, r2, r0 /* r0 <- current base addr of code */ cmp r1, r2 /* compare r0, r1 */ beq after_copy /* r0 == r1 then skip flash copy */ 一部分代码初始化堆栈，以及MMU，对于Nand Flash启动来说，一个重要的子程序是copy_from_nand，这将会把U-Boot镜像拷贝到内存中。 copy_from_nand: /* 设置返回地址 */ mov r10, lr /* save return address */ /* 注意r0此时为4096 */ mov r9, r0 /* get ready to call C functions */ /* 使用伪指令，设置栈顶sp指针为_TEXT_PHY_BASE ，fp为栈第指针*/ ldr sp, _TEXT_PHY_BASE /* setup temp stack pointer */ sub sp, sp, #12 /* 分配12bytes */ mov fp, #0 /* no previous frame, so fp=0 */ mov r9, #0x1000 bl copy_uboot_to_ram // 位于 nand_cp.c it the first C functions // r0存储copy_uboot_to_ram的返回值，即从FLASH向内存0x57e00000拷贝的字节数 copy_uboot_to_ram位于nand_cp.c，这里需要注意NAND控制器支持每FLASH页读取的大小为512B/2K，所以当Flash页大小为4K的时候，它只能每块读取前2K，这里就需要在写Uboot的时候前面4页(实际上只要前两个2页面即可，因为STEPPINGSTONE只是用了4K，这里为4页)每个只能写入2K。而拷贝出的时候是反操作。 include/configs/smdk6410.h
#define MEMORY_BASE_ADDRESS 0x50000000
#define CFG_PHY_UBOOT_BASE MEMORY_BASE_ADDRESS + 0x7e00000
cpu/s3c64xx/nand_cp.c
int copy_uboot_to_ram (void)
{
......
/* read NAND Block.
* 128KB ->240KB because of U-Boot size increase. by scsuh
* So, read 0x3c000 bytes not 0x20000(128KB).
*/
return nandll_read_blocks(CFG_PHY_UBOOT_BASE, 0x3c000, large_block);
}
copy_uboot_to_ram调用nandll_read_blocks读取了0x3c000(240K)数据，显然这是因为U-boot的体积在不断变大，当前版本的镜像大约为208K。这里的前4页只读取了前半页(page_shift - 1)。 static int nandll_read_blocks (ulong dst_addr, ulong size, int large_block)
{
......
/* Read pages */
for (i = 0; i < 4; i++, buf+=(1<<(page_shift-1))) {
nandll_read_page(buf, i, large_block);
}
/* Read pages */
for (i = 4; i < (0x3c000>>page_shift); i++, buf+=(1<<page_shift)) {
nandll_read_page(buf, i, large_block);
}
......
}
值得注意的是CFG_PHY_UBOOT_BASE，也即Uboot被写入的地址。这里为RAM物理地址MEMORY_BASE_ADDRESS加上0x7e00000的偏移，显然这相当于物理地址的第126M偏移处。 3: tst r0, #0x0 bne copy_failed ldr r0, =0x0c000000 ldr r1, _TEXT_PHY_BASE // 即CFG_PHY_UBOOT_BASE，也即0x57e00000 1: ldr r3, [r0], #4 ldr r4, [r1], #4 teq r3, r4 bne compare_failed /* not matched */ subs r9, r9, #4 bne 1b 4: mov lr, r10 /* all is OK */ mov pc, lr 如果存放在r0中的copy_uboot_to_ram的返回值不为0，则跳转到copy_failed。否则校验第一个4KB的代码是否和当前代码相同，如果不同跳转到compare_failed执行。否则跳转回bl copy_from_nand后的下一条指令继续执行。接下来执行after_copy子程序。 after_copy: #ifdef CONFIG_ENABLE_MMU enable_mmu: /* enable domain access */ ldr r5, =0x0000ffff mcr p15, 0, r5, c3, c0, 0 @ load domain access register /* Set the TTB register */ ldr r0, _mmu_table_base ldr r1, =CFG_PHY_UBOOT_BASE ldr r2, =0xfff00000 bic r0, r0, r2 orr r1, r0, r1 mcr p15, 0, r1, c2, c0, 0 /* Enable the MMU */ mmu_on: mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 orr r0, r0, #1 /* Set CR_M to enable MMU */ mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 nop nop nop nop #endif 根据CONFIG_ENABLE_MMU的配置情况，通过mmu_on使能MMU单元。接下来执行stack_setup初始化栈，调用clear_bss清除BSS段等，最终调用start_armboot，它位于lib_arm/board.c。此时执行的代码已经是复制到126M处的Uboot的代码，为什么？请看_mmu_table_base引用的mmu_table在board/samsung/smdk6410/lowlevel_init.S中的定义。 ldr pc, _start_armboot _start_armboot: .word start_armboot
bootm是Uboot启动内核的指令，它用来加载内核镜像，和go命令类似，但是支持r0，r1，r2和bootargs传递参数。一个通常的启动参数如下为： bootcmd=nand read 0xc0008000 0x100000 0x300000;bootm 0xc0008000 其中nand read 0xc0008000 0x100000 0x300000表示从FLASH中的0x100000地址处读取长度为0x300000的数据放到内存的0xc0008000地址中，而bootm 0xc0008000则是调用do_bootm函数来启动内核镜像。 bootm的实现位于common/cmd_bootm.c中： int do_bootm(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])
{
ulong iflag;
ulong addr;
ulong data, len, checksum;
ulong *len_ptr = NULL; /* not to make warning. by scsuh */
uint unc_len = CFG_BOOTM_LEN;
int i, verify;
char *name, *s;
int (*appl)(int, char *[]);
image_header_t *hdr = &header;
s = getenv ("verify");
verify = (s && (*s == 'n')) ? 0 : 1;
if (argc < 2) {
addr = load_addr;
} else {
addr = simple_strtoul(argv[1], NULL, 16);
}
do_bootm的函数第一部分很简单，它首先查看环境变量"verify"，如果不为"n"，那么将对镜像进行Checksum的校验。do_bootm可以接受一个可选参数，即镜像文件在内存中的地址。如果没有指明addr，那么将使用默认的load_addr，它在早些时候被赋值为CFG_LOAD_ADDR。定义在include/configs/smdk6410.h。0x50000000即是SDRAM对应的物理地址：存储器端口2DDR/SDRAM Bank0。注意到hdr = &Theader，一个代表系统镜像头的结构体image_header_t header在本文件中定义为全局变量，它将在其它函数中被引用。 #define MEMORY_BASE_ADDRESS 0x50000000 ...... #define CFG_LOAD_ADDR MEMORY_BASE_ADDRESS /* default load address */ #ifdef CONFIG_ZIMAGE_BOOT
#define LINUX_ZIMAGE_MAGIC 0x016f2818
if (*(ulong *)(addr + 9*4) == LINUX_ZIMAGE_MAGIC) {
printf("Boot with zImage\n");
addr = virt_to_phys(addr);
hdr->ih_os = IH_OS_LINUX;
hdr->ih_ep = ntohl(addr);
goto after_header_check;
}
#endif
使用MAGIC来验证内核的ZIMAGE镜像的正确性。addr + 9 * 4将定位到镜像中的MAGIC数，它的定义位于内核的arch/arm/boot/compressed/head.S的开始处，与此同时，这也很好的解释了.rept 8的真正意图。 start: .type start,#function .rept 8 mov r0, r0 .endr b 1f .word 0x016f2818 @ Magic numbers to help the loader .word start @ absolute load/run zImage address .word _edata @ zImage end address ...... 在看到Boot with zImage信息后，addr将从逻辑地址转换为物理地址。virt_to_phys函数根据不同的系统配置将不同并只在CONFIG_ENABLE_MMU开始起使能。它实际上是一个宏定义，位于include/configs/smdk6410.h。virt_to_phy_smdk6410定义在board/samsung/smdk6410/smdk6410.c。分析下列代码可以清晰的看到，逻辑地址向物理地址转换的过程，首先减去内核逻辑地址的偏移，通常为0xc0000000，然后加上物理地址的偏移，这里为0x50000000。 #define CONFIG_ENABLE_MMU #ifdef CONFIG_ENABLE_MMU #define virt_to_phys(x) virt_to_phy_smdk6410(x) #else #define virt_to_phys(x) (x) #endif #ifdef CONFIG_ENABLE_MMU
ulong virt_to_phy_smdk6410(ulong addr)
{
if ((0xc0000000 <= addr) && (addr < 0xc8000000))
return (addr - 0xc0000000 + 0x50000000);
else
printf("do not support this address : %08lx\n", addr);
return addr;
}
#endif
描述镜像头信息的image_header_t结构体中的ih_os记录系统的类型，为IH_OS_LINUX，而其中的ih_ep则表示系统镜像的入口点(Entry Point Address)，addr也即是入口点，但是需要转换为本机字节序。after_header_che ck将根据系统类型使用不同的函数对镜像进行加载。 switch (hdr->ih_os) {
default: /* handled by (original) Linux case */
case IH_OS_LINUX:
#ifdef CONFIG_SILENT_CONSOLE
fixup_silent_linux();
#endif
do_bootm_linux(cmdtp, flag, argc, argv, addr, len_ptr, verify);
break;
......
}
do_bootm_linux函数因不同的硬件架构而不同，对于arm来说，它位于lib_arm/armlinux.c，一个有些复杂的函数。这个函数的开始定义了一些变量：initrd_start和initrd_end顾名思义自然是一个虚拟的Ram Disk（initrd: boot loader initialized RAM disk ）；checksum用来校验之用，自然它由参数verify来决定；header从cmd_bootm.c extern而来，它在do_bootm函数中ih_os和ih_ep已被赋值。 void do_bootm_linux (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[],
ulong addr, ulong *len_ptr, int verify)
{
ulong len = 0, checksum;
ulong initrd_start, initrd_end;
ulong data;
void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);
image_header_t *hdr = &header;
bd_t *bd = gd->bd;
#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
char *commandline = getenv ("bootargs");
#endif
theKernel = (void (*)(int, int, uint))ntohl(hdr->ih_ep);
bd_t类型的bd变量是一个用来表示Uboot中串口，板卡ID，IP等板卡相关信息配置接口。commandline则是Uboot传递给Linux系统的参数，一个实际使用的bootargs环境变量如下： bootargs=root=/dev/mtdblock2 rootfstype=cramfs console=ttySAC0,115200 一个值得注意的参数是theKernel，它有三个参数，并且用它来指向系统镜像的入口地址。继续回顾arch/arm/boot/compressed/head.S中的start入口，它通过.type start,#function被定义为了函数。根据ATPCS参数传递规则，int arch, uint params参数将分别对应r1和r2寄存器，这与注释相符合。 start: .type start,#function .rept 8 mov r0, r0 .endr ...... 1:mov r7, r1 @ save architecture ID mov r8, r2 @ save atags pointer 接下来是一个三分支的判断，判断是否从initrd镜像，多系统文件镜像还是其他方式启动，这里将进入最后一个分支，它看起来相当简单： if (argc >= 3) {
......
}
else if ((hdr->ih_type == IH_TYPE_MULTI) && (len_ptr[1])) {
......}
else{
/* no initrd image */
SHOW_BOOT_PROGRESS (14);
len = data = 0;
}
SHOW_BOOT_PROGRESS是一个宏，它通常定义在每个.c文件的开始，它通常使用LED灯的动作来指示Uboot的启动阶段。它由CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS开关来控制。打开它将有助于对Uboot启动的分析。并不是所有板卡都定义了该函数，如果没有定义将出现编译错误。一个简单的实现方法是直接printf当前的arg值，尽管这会丢失一些串口初始化前的信息。另一个用来追踪信息的选项是DEBUG宏，它用来开关common.h中的debug函数。 #ifdef CONFIG_SHOW_BOOT_PROGRESS # include <status_led.h> # define SHOW_BOOT_PROGRESS(arg) show_boot_progress(arg) #else # define SHOW_BOOT_PROGRESS(arg) #endif 如果定义了DEBUG宏，那儿一个阶段信息将打印出来：## Transferring control to Linux (at address 50008000) ...，参考上面的地址转换函数很容易得到50008000的由来。 SHOW_BOOT_PROGRESS (15);
debug ("## Transferring control to Linux (at address %08lx) ...\n",
(ulong) theKernel);
#if defined (CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || defined (CONFIG_CMDLINE_TAG) || ...... setup_start_tag (bd); ...... #ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS setup_memory_tags (bd); #endif #ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG setup_commandline_tag (bd, commandline); #endif ...... setup_end_tag (bd); #endif 一些Uboot使用的环境变量将在这里得到解析，这些宏定义在include/configs/smdk6410.h中。当前的系统定义了CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS ，CONFIG_CMDLINE_TAG和CONFIG_INITRD_TAG。这些函数协作处理Uboot传递给内核的bi_boot_params参数。下一小节将对它们进行详细的分析。 printf ("\nStarting kernel ...\n\n");
......
cleanup_before_linux ();
theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params);
如果定义了CONFIG_USE_IRQ，那么cleanup_before_linux用来关中断，另外它关闭并清除使用的I/D Cache。当看到"Starting kernel ..."信息的时候。Uboot的工作业已结束，Linux多彩缤纷的新纪元已经来临。
注意到tag处理函数的主要数据结构params，它被定义为static struct tag *params。struct tag定义在include/asm-arm/setup.h，注意到成员u是联合体，core，mem等相关的参数将共用。
struct tag_header {
u32 size;
u32 tag;
};
struct tag {
struct tag_header hdr;
union {
struct tag_core core;
struct tag_mem32 mem;
struct tag_videotext videotext;
struct tag_ramdisk ramdisk;
struct tag_initrd initrd;
struct tag_serialnr serialnr;
struct tag_revision revision;
struct tag_videolfb videolfb;
struct tag_cmdline cmdline;
......
} u;
};
另外一个引人注目的参数是bd，它是Uboot配置信息的集合，bd_t类型定义在include/asm-arm/u-boot.h，bd指向被封装在一个全局的名为gd的struct global_data结构中，所有的操作均是对该gd->bd的操作。 typedef struct bd_info {
int bi_baudrate; /* serial console baudrate */
unsigned long bi_ip_addr; /* IP Address */
unsigned char bi_enetaddr[6]; /* Ethernet adress */
struct environment_s *bi_env;
ulong bi_arch_number; /* unique id for this board */
ulong bi_boot_params; /* where this board expects params */
struct /* RAM configuration */
{
ulong start;
ulong size;
} bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS];
#ifdef CONFIG_HAS_ETH1
/* second onboard ethernet port */
unsigned char bi_enet1addr[6];
#endif
} bd_t;
setup_start_tag是一个静态函数，它对bd中的bi_boot_params进行操作，bi_boot_params被定义为一个ulong类型，这里被作为一个指针进行处理，它存储了一个包含多个tag的动态数组。这个数组的第一个元素中的hdr.tag必需是ATAG_CORE。tag_next的作用是使params指向下一个RAM区，以备后来的TAG元素使用。
/* The list must start with an ATAG_CORE node */
#define ATAG_CORE 0x54410001
#define tag_next(t) ((struct tag *)((u32 *)(t) + (t)->hdr.size))
#define tag_size(type) ((sizeof(struct tag_header) + sizeof(struct type)) >> 2)
struct tag_core {
u32 flags; /* bit 0 = read-only */
u32 pagesize;
u32 rootdev;
};
static void setup_start_tag (bd_t *bd)
{
params = (struct tag *) bd->bi_boot_params;
params->hdr.tag = ATAG_CORE;
params->hdr.size = tag_size (tag_core);
params->u.core.flags = 0;
params->u.core.pagesize = 0;
params->u.core.rootdev = 0;
params = tag_next(params);
}
一个疑问是Uboot中并没有malloc类似的内存管理函数，而bi_boot_params也仅仅是一个指针而已，那么这里直接对它指向的地址进行操作会不会出现问题呢？位于board/samsung/smdk6410/smdk6410.c的board_init对其进行了初始化，MEMORY_BASE_ADDRESS即RAM的物理起始地址0x50000000。这里把参数起始地址定义到0x100的偏移处，也即256Byte处，这段地址是需要保证未被使用的。 #define PHYS_SDRAM_1 MEMORY_BASE_ADDRESS /* SDRAM Bank #1 */
#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR register volatile gd_t *gd asm ("r8")
#define MACH_TYPE 1626
int board_init(void)
{
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
cs8900_pre_init();
gd->bd->bi_arch_number = MACH_TYPE;
gd->bd->bi_boot_params = (PHYS_SDRAM_1 + 0x100);
return 0;
}
另外值得注意的参数是bi_arch_number，它记录当前板卡的ID号，并作为内核启动时的第二个参数。 #define CONFIG_NR_DRAM_BANKS 1 /* we used 1 bank of DRAM */
/* it is allowed to have multiple ATAG_MEM nodes */
#define ATAG_MEM 0x54410002
struct tag_mem32 {
u32 size;
u32 start; /* physical start address */
};
#ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS
static void setup_memory_tags (bd_t *bd)
{
int i;
for (i = 0; i < CONFIG_NR_DRAM_BANKS; i++) {
params->hdr.tag = ATAG_MEM;
params->hdr.size = tag_size(tag_mem32);
params->u.mem.start = bd->bi_dram[i].start;
params->u.mem.size = bd->bi_dram[i].size;
params = tag_next (params);
}
}
#endif /* CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS */
u.mem.start和u.mem.size均是从bd->bi_dram获取，它们在dram_init中赋值。显然这里的开始地址依然是0x50000000，而大小是256Mb。 #define PHYS_SDRAM_1 MEMORY_BASE_ADDRESS /* SDRAM Bank #1 */
#define PHYS_SDRAM_1_SIZE 0x10000000 /* 256M */
int dram_init(void)
{
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
gd->bd->bi_dram[0].start = PHYS_SDRAM_1;
gd->bd->bi_dram[0].size = PHYS_SDRAM_1_SIZE;
return 0;
}
setup_start_tag是一个非常简单明了的函数，它将传入的commandline参数复制到struct tag_cmdline中cmdline中，并以'\0'结束。这里的cmdline实际就是bootargs环境变量的值。
/* command line: \0 terminated string */
#define ATAG_CMDLINE 0x54410009
struct tag_cmdline {
char cmdline[1]; /* this is the minimum size */
};
static void setup_commandline_tag (bd_t *bd, char *commandline)
{
char *p;
if (!commandline)
return;
/* eat leading white space */
for (p = commandline; *p == ' '; p++);
if (*p == '\0')return;
params->hdr.tag = ATAG_CMDLINE;
params->hdr.size =
(sizeof (struct tag_header) + strlen (p) + 1 + 4) >> 2;
strcpy (params->u.cmdline.cmdline, p);
params = tag_next (params);
}
tag数组的组后一个元素必须是ATAG_NONE类型，它表示当前数组的结束。
/* The list ends with an ATAG_NONE node. */
#define ATAG_NONE 0x00000000
static void setup_end_tag (bd_t *bd)
{
params->hdr.tag = ATAG_NONE;
params->hdr.size = 0;
}
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