U-Boot啓動過程徹底分析<轉>
轉載自：http://www.cnblogs.com/heaad/archive/2010/07/17/1779829.htmlhtml
1.1 U-Boot工做過程linux
U-Boot啓動內核的過程能夠分爲兩個階段，兩個階段的功能以下：數組
（1）第一階段的功能數據結構
- 硬件設備初始化
- 加載U-Boot第二階段代碼到RAM空間
- 設置好棧
- 跳轉到第二階段代碼入口
（2）第二階段的功能ide
- 初始化本階段使用的硬件設備
- 檢測系統內存映射
- 將內核從Flash讀取到RAM中
- 爲內核設置啓動參數
- 調用內核
1.1.1 U-Boot啓動第一階段代碼分析
第一階段對應的文件是cpu/arm920t/start.S和board/samsung/mini2440/lowlevel_init.S。函數
U-Boot啓動第一階段流程以下：oop
圖 2.1 U-Boot啓動第一階段流程fetch
根據cpu/arm920t/u-boot.lds中指定的鏈接方式：ui
ENTRY(_start) SECTIONS { . = 0x00000000; . = ALIGN(4); .text : { cpu/arm920t/start.o (.text) board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o (.text) board/samsung/mini2440/nand_read.o (.text) *(.text) } … … }
第一個連接的是cpu/arm920t/start.o，所以u-boot.bin的入口代碼在cpu/arm920t/start.o中，其源代碼在cpu/arm920t/start.S中。下面咱們來分析cpu/arm920t/start.S的執行。this
- 1. 硬件設備初始化
（1）設置異常向量
cpu/arm920t/start.S開頭有以下的代碼：
.globl _start _start: b start_code /* 復位 */ ldr pc, _undefined_instruction /* 未定義指令向量 */ ldr pc, _software_interrupt /* 軟件中斷向量 */ ldr pc, _prefetch_abort /* 預取指令異常向量 */ ldr pc, _data_abort /* 數據操做異常向量 */ ldr pc, _not_used /* 未使用 */ ldr pc, _irq /* irq中斷向量 */ ldr pc, _fiq /* fiq中斷向量 */ /* 中斷向量表入口地址 */ _undefined_instruction: .word undefined_instruction _software_interrupt: .word software_interrupt _prefetch_abort: .word prefetch_abort _data_abort: .word data_abort _not_used: .word not_used _irq: .word irq _fiq: .word fiq .balignl 16,0xdeadbeef
以上代碼設置了ARM異常向量表，各個異常向量介紹以下：
表 2.1 ARM異常向量表
| 地址 |
異常 |
進入模式 |
描述 |
| 0x00000000 |
復位 |
管理模式 |
復位電平有效時，產生復位異常，程序跳轉到復位處理程序處執行 |
| 0x00000004 |
未定義指令 |
未定義模式 |
遇到不能處理的指令時，產生未定義指令異常 |
| 0x00000008 |
軟件中斷 |
管理模式 |
執行SWI指令產生，用於用戶模式下的程序調用特權操做指令 |
| 0x0000000c |
預存指令 |
停止模式 |
處理器預取指令的地址不存在，或該地址不容許當前指令訪問，產生指令預取停止異常 |
| 0x00000010 |
數據操做 |
停止模式 |
處理器數據訪問指令的地址不存在，或該地址不容許當前指令訪問時，產生數據停止異常 |
| 0x00000014 |
未使用 |
未使用 |
未使用 |
| 0x00000018 |
IRQ |
IRQ |
外部中斷請求有效，且CPSR中的I位爲0時，產生IRQ異常 |
| 0x0000001c |
FIQ |
FIQ |
快速中斷請求引腳有效，且CPSR中的F位爲0時，產生FIQ異常 |
在cpu/arm920t/start.S中還有這些異常對應的異常處理程序。當一個異常產生時，CPU根據異常號在異常向量表中找到對應的異常向量，而後執行異常向量處的跳轉指令，CPU就跳轉到對應的異常處理程序執行。
其中復位異常向量的指令「b start_code」決定了U-Boot啓動後將自動跳轉到標號「start_code」處執行。
（2）CPU進入SVC模式
start_code: /* * set the cpu to SVC32 mode */ mrs r0, cpsr bic r0, r0, #0x1f /*工做模式位清零 */ orr r0, r0, #0xd3 /*工做模式位設置爲「10011」（管理模式），並將中斷禁止位和快中斷禁止位置1 */ msr cpsr, r0
以上代碼將CPU的工做模式位設置爲管理模式，並將中斷禁止位和快中斷禁止位置一，從而屏蔽了IRQ和FIQ中斷。
（3）設置控制寄存器地址
# if defined(CONFIG_S3C2400) # define pWTCON 0x15300000 # define INTMSK 0x14400008 # define CLKDIVN 0x14800014 #else /* s3c2410與s3c2440下面4個寄存器地址相同 */ # define pWTCON 0x53000000 /* WATCHDOG控制寄存器地址 */ # define INTMSK 0x4A000008 /* INTMSK寄存器地址 */ # define INTSUBMSK 0x4A00001C /* INTSUBMSK寄存器地址 */ # define CLKDIVN 0x4C000014 /* CLKDIVN寄存器地址 */ # endif
對與s3c2440開發板，以上代碼完成了WATCHDOG，INTMSK，INTSUBMSK，CLKDIVN四個寄存器的地址的設置。各個寄存器地址參見參考文獻[4] 。
（4）關閉看門狗
ldr r0, =pWTCON mov r1, #0x0 str r1, [r0] /* 看門狗控制器的最低位爲0時，看門狗不輸出復位信號 */
以上代碼向看門狗控制寄存器寫入0，關閉看門狗。不然在U-Boot啓動過程當中，CPU將不斷重啓。
（5）屏蔽中斷
/* * mask all IRQs by setting all bits in the INTMR - default */ mov r1, #0xffffffff /* 某位被置1則對應的中斷被屏蔽 */ ldr r0, =INTMSK str r1, [r0]
INTMSK是主中斷屏蔽寄存器，每一位對應SRCPND（中斷源引腳寄存器）中的一位，代表SRCPND相應位表明的中斷請求是否被CPU所處理。
根據參考文獻4，INTMSK寄存器是一個32位的寄存器，每位對應一箇中斷，向其中寫入0xffffffff就將INTMSK寄存器所有位置一，從而屏蔽對應的中斷。
# if defined(CONFIG_S3C2440) ldr r1, =0x7fff ldr r0, =INTSUBMSK str r1, [r0] # endif
INTSUBMSK每一位對應SUBSRCPND中的一位，代表SUBSRCPND相應位表明的中斷請求是否被CPU所處理。
根據參考文獻4，INTSUBMSK寄存器是一個32位的寄存器，可是隻使用了低15位。向其中寫入0x7fff就是將INTSUBMSK寄存器所有有效位（低15位）置一，從而屏蔽對應的中斷。
（6）設置MPLLCON,UPLLCON, CLKDIVN
# if defined(CONFIG_S3C2440) #define MPLLCON 0x4C000004 #define UPLLCON 0x4C000008 ldr r0, =CLKDIVN mov r1, #5 str r1, [r0] ldr r0, =MPLLCON ldr r1, =0x7F021 str r1, [r0] ldr r0, =UPLLCON ldr r1, =0x38022 str r1, [r0] # else /* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 */ /* default FCLK is 120 MHz ! */ ldr r0, =CLKDIVN mov r1, #3 str r1, [r0] #endif
CPU上電幾毫秒後，晶振輸出穩定，FCLK=Fin（晶振頻率），CPU開始執行指令。但實際上，FCLK能夠高於Fin，爲了提升系統時鐘，須要用軟件來啓用PLL。這就須要設置CLKDIVN，MPLLCON，UPLLCON這3個寄存器。
CLKDIVN寄存器用於設置FCLK，HCLK，PCLK三者間的比例，能夠根據表2.2來設置。
表 2.2 S3C2440 的CLKDIVN寄存器格式
| CLKDIVN |
位 |
說明 |
初始值 |
| HDIVN |
[2:1] |
00 : HCLK = FCLK/1. 01 : HCLK = FCLK/2. 10 : HCLK = FCLK/4 （當 CAMDIVN[9] = 0 時） HCLK= FCLK/8 （當 CAMDIVN[9] = 1 時） 11 : HCLK = FCLK/3 （當 CAMDIVN[8] = 0 時） HCLK = FCLK/6 （當 CAMDIVN[8] = 1時） |
00 |
| PDIVN |
[0] |
0: PCLK = HCLK/1 1: PCLK = HCLK/2 |
0 |
設置CLKDIVN爲5，就將HDIVN設置爲二進制的10，因爲CAMDIVN[9]沒有被改變過，取默認值0，所以HCLK = FCLK/4。PDIVN被設置爲1，所以PCLK= HCLK/2。所以分頻比FCLK:HCLK:PCLK = 1:4:8 。
MPLLCON寄存器用於設置FCLK與Fin的倍數。MPLLCON的位[19:12]稱爲MDIV，位[9:4]稱爲PDIV，位[1:0]稱爲SDIV。
對於S3C2440，FCLK與Fin的關係以下面公式：
MPLL(FCLK) = (2×m×Fin)/(p×)
其中： m=MDIC+8，p=PDIV+2，s=SDIV
MPLLCON與UPLLCON的值能夠根據參考文獻4中「PLL VALUE SELECTION TABLE」設置。該表部分摘錄以下：
表 2.3 推薦PLL值
| 輸入頻率 |
輸出頻率 |
MDIV |
PDIV |
SDIV |
| 12.0000MHz |
48.00 MHz |
56(0x38) |
2 |
2 |
| 12.0000MHz |
405.00 MHz |
127(0x7f) |
2 |
1 |
當mini2440系統主頻設置爲405MHZ，USB時鐘頻率設置爲48MHZ時，系統能夠穩定運行，所以設置MPLLCON與UPLLCON爲：
MPLLCON=(0x7f<<12) | (0x02<<4) | (0x01) = 0x7f021
UPLLCON=(0x38<<12) | (0x02<<4) | (0x02) = 0x38022
（7）關閉MMU，cache
接着往下看：
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT bl cpu_init_crit #endif
cpu_init_crit這段代碼在U-Boot正常啓動時才須要執行，若將U-Boot從RAM中啓動則應該註釋掉這段代碼。
下面分析一下cpu_init_crit到底作了什麼：
320 #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT 321 cpu_init_crit: 322 /* 323 * 使數據cache與指令cache無效 */ 324 */ 325 mov r0, #0 326 mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* 向c7寫入0將使ICache與DCache無效*/ 327 mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* 向c8寫入0將使TLB失效 */ 328 329 /* 330 * disable MMU stuff and caches 331 */ 332 mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 /* 讀出控制寄存器到r0中 */ 333 bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS) 334 bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM) 335 orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 2 (A) Align 336 orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-Cache 337 mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 /* 保存r0到控制寄存器 */ 338 339 /* 340 * before relocating, we have to setup RAM timing 341 * because memory timing is board-dependend, you will 342 * find a lowlevel_init.S in your board directory. 343 */ 344 mov ip, lr 345 346 bl lowlevel_init 347 348 mov lr, ip 349 mov pc, lr 350 #endif /* CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT */
代碼中的c0，c1，c7，c8都是ARM920T的協處理器CP15的寄存器。其中c7是cache控制寄存器，c8是TLB控制寄存器。325~327行代碼將0寫入c七、c8，使Cache，TLB內容無效。
第332~337行代碼關閉了MMU。這是經過修改CP15的c1寄存器來實現的，先看CP15的c1寄存器的格式（僅列出代碼中用到的位）：
表 2.3 CP15的c1寄存器格式（部分）
| 15 |
14 |
13 |
12 |
11 |
10 |
9 |
8 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
| . |
. |
V |
I |
. |
. |
R |
S |
B |
. |
. |
. |
. |
C |
A |
M |
各個位的意義以下：
V : 表示異常向量表所在的位置，0：異常向量在0x00000000；1：異常向量在 0xFFFF0000
I : 0 ：關閉ICaches；1 ：開啓ICaches
R、S : 用來與頁表中的描述符一塊兒肯定內存的訪問權限
B : 0 ：CPU爲小字節序；1 ： CPU爲大字節序
C : 0：關閉DCaches；1：開啓DCaches
A : 0：數據訪問時不進行地址對齊檢查；1：數據訪問時進行地址對齊檢查
M : 0：關閉MMU；1：開啓MMU
332~337行代碼將c1的 M位置零，關閉了MMU。
（8）初始化RAM控制寄存器
其中的lowlevel_init就完成了內存初始化的工做，因爲內存初始化是依賴於開發板的，所以lowlevel_init的代碼通常放在board下面相應的目錄中。對於mini2440，lowlevel_init在board/samsung/mini2440/lowlevel_init.S中定義以下：
45 #define BWSCON 0x48000000 /* 13個存儲控制器的開始地址 */ … … 129 _TEXT_BASE: 130 .word TEXT_BASE 131 132 .globl lowlevel_init 133 lowlevel_init: 134 /* memory control configuration */ 135 /* make r0 relative the current location so that it */ 136 /* reads SMRDATA out of FLASH rather than memory ! */ 137 ldr r0, =SMRDATA 138 ldr r1, _TEXT_BASE 139 sub r0, r0, r1 /* SMRDATA減 _TEXT_BASE就是13個寄存器的偏移地址 */ 140 ldr r1, =BWSCON /* Bus Width Status Controller */ 141 add r2, r0, #13*4 142 0: 143 ldr r3, [r0], #4 /*將13個寄存器的值逐一賦值給對應的寄存器*/ 144 str r3, [r1], #4 145 cmp r2, r0 146 bne 0b 147 148 /* everything is fine now */ 149 mov pc, lr 150 151 .ltorg 152 /* the literal pools origin */ 153 154 SMRDATA: /* 下面是13個寄存器的值 */ 155 .word … … 156 .word … … … …
lowlevel_init初始化了13個寄存器來實現RAM時鐘的初始化。lowlevel_init函數對於U-Boot從NAND Flash或NOR Flash啓動的狀況都是有效的。
U-Boot.lds連接腳本有以下代碼：
.text : { cpu/arm920t/start.o (.text) board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o (.text) board/samsung/mini2440/nand_read.o (.text) … … }
board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o將被連接到cpu/arm920t/start.o後面，所以board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o也在U-Boot的前4KB的代碼中。
U-Boot在NAND Flash啓動時，lowlevel_init.o將自動被讀取到CPU內部4KB的內部RAM中。所以第137~146行的代碼將從CPU內部RAM中複製寄存器的值到相應的寄存器中。
對於U-Boot在NOR Flash啓動的狀況，因爲U-Boot鏈接時肯定的地址是U-Boot在內存中的地址，而此時U-Boot還在NOR Flash中，所以還須要在NOR Flash中讀取數據到RAM中。
因爲NOR Flash的開始地址是0，而U-Boot的加載到內存的起始地址是TEXT_BASE，SMRDATA標號在Flash的地址就是SMRDATA－TEXT_BASE。
綜上所述，lowlevel_init的做用就是將SMRDATA開始的13個值複製給開始地址[BWSCON]的13個寄存器，從而完成了存儲控制器的設置。
（9）複製U-Boot第二階段代碼到RAM
cpu/arm920t/start.S原來的代碼是隻支持從NOR Flash啓動的，通過修改如今U-Boot在NOR Flash和NAND Flash上都能啓動了，實現的思路是這樣的：
bl bBootFrmNORFlash /* 判斷U-Boot是在NAND Flash仍是NOR Flash啓動 */ cmp r0, #0 /* r0存放bBootFrmNORFlash函數返回值，若返回0表示NAND Flash啓動，不然表示在NOR Flash啓動 */ beq nand_boot /* 跳轉到NAND Flash啓動代碼 */ /* NOR Flash啓動的代碼 */ b stack_setup /* 跳過NAND Flash啓動的代碼 */ nand_boot: /* NAND Flash啓動的代碼 */ stack_setup: /* 其餘代碼 */
其中bBootFrmNORFlash函數做用是判斷U-Boot是在NAND Flash啓動仍是NOR Flash啓動，若在NOR Flash啓動則返回1，不然返回0。根據ATPCS規則，函數返回值會被存放在r0寄存器中，所以調用bBootFrmNORFlash函數後根據r0的值就能夠判斷U-Boot在NAND Flash啓動仍是NOR Flash啓動。bBootFrmNORFlash函數在board/samsung/mini2440/nand_read.c中定義以下：
int bBootFrmNORFlash(void) { volatile unsigned int *pdw = (volatile unsigned int *)0; unsigned int dwVal; dwVal = *pdw; /* 先記錄下原來的數據 */ *pdw = 0x12345678; if (*pdw != 0x12345678) /* 寫入失敗，說明是在NOR Flash啓動 */ { return 1; } else /* 寫入成功，說明是在NAND Flash啓動 */ { *pdw = dwVal; /* 恢復原來的數據 */ return 0; } }
不管是從NOR Flash仍是從NAND Flash啓動，地址0處爲U-Boot的第一條指令「 b start_code」。
對於從NAND Flash啓動的狀況，其開始4KB的代碼會被自動複製到CPU內部4K內存中，所以能夠經過直接賦值的方法來修改。
對於從NOR Flash啓動的狀況，NOR Flash的開始地址即爲0，必須經過必定的命令序列才能向NOR Flash中寫數據，因此能夠根據這點差異來分辨是從NAND Flash仍是NOR Flash啓動：向地址0寫入一個數據，而後讀出來，若是發現寫入失敗的就是NOR Flash，不然就是NAND Flash。
下面來分析NOR Flash啓動部分代碼：
208 adr r0, _start /* r0 <- current position of code */ 209 ldr r1, _TEXT_BASE /* test if we run from flash or RAM */ /* 判斷U-Boot是不是下載到RAM中運行，如果，則不用 再複製到RAM中了，這種狀況一般在調試U-Boot時才發生 */ 210 cmp r0, r1 /*_start等於_TEXT_BASE說明是下載到RAM中運行 */ 211 beq stack_setup 212 /* 如下直到nand_boot標號前都是NOR Flash啓動的代碼 */ 213 ldr r2, _armboot_start 214 ldr r3, _bss_start 215 sub r2, r3, r2 /* r2 <- size of armboot */ 216 add r2, r0, r2 /* r2 <- source end address */ 217 /* 搬運U-Boot自身到RAM中*/ 218 copy_loop: 219 ldmia r0!, {r3-r10} /* 從地址爲[r0]的NOR Flash中讀入8個字的數據 */ 220 stmia r1!, {r3-r10} /* 將r3至r10寄存器的數據複製給地址爲[r1]的內存 */ 221 cmp r0, r2 /* until source end addreee [r2] */ 222 ble copy_loop 223 b stack_setup /* 跳過NAND Flash啓動的代碼 */
下面再來分析NAND Flash啓動部分代碼：
nand_boot: mov r1, #NAND_CTL_BASE ldr r2, =( (7<<12)|(7<<8)|(7<<4)|(0<<0) ) str r2, [r1, #oNFCONF] /* 設置NFCONF寄存器 */ /* 設置NFCONT，初始化ECC編/解碼器，禁止NAND Flash片選 */ ldr r2, =( (1<<4)|(0<<1)|(1<<0) ) str r2, [r1, #oNFCONT] ldr r2, =(0x6) /* 設置NFSTAT */ str r2, [r1, #oNFSTAT] /* 復位命令，第一次使用NAND Flash前復位 */ mov r2, #0xff strb r2, [r1, #oNFCMD] mov r3, #0 /* 爲調用C函數nand_read_ll準備堆棧 */ ldr sp, DW_STACK_START mov fp, #0 /* 下面先設置r0至r2，而後調用nand_read_ll函數將U-Boot讀入RAM */ ldr r0, =TEXT_BASE /* 目的地址：U-Boot在RAM的開始地址 */ mov r1, #0x0 /* 源地址：U-Boot在NAND Flash中的開始地址 */ mov r2, #0x30000 /* 複製的大小，必須比u-boot.bin文件大，而且必須是NAND Flash塊大小的整數倍，這裏設置爲0x30000（192KB） */ bl nand_read_ll /* 跳轉到nand_read_ll函數，開始複製U-Boot到RAM */ tst r0, #0x0 /* 檢查返回值是否正確 */ beq stack_setup bad_nand_read: loop2: b loop2 //infinite loop .align 2 DW_STACK_START: .word STACK_BASE+STACK_SIZE-4
其中NAND_CTL_BASE，oNFCONF等在include/configs/mini2440.h中定義以下：
#define NAND_CTL_BASE 0x4E000000 // NAND Flash控制寄存器基址 #define STACK_BASE 0x33F00000 //base address of stack #define STACK_SIZE 0x8000 //size of stack #define oNFCONF 0x00 /* NFCONF相對於NAND_CTL_BASE偏移地址 */ #define oNFCONT 0x04 /* NFCONT相對於NAND_CTL_BASE偏移地址*/ #define oNFADDR 0x0c /* NFADDR相對於NAND_CTL_BASE偏移地址*/ #define oNFDATA 0x10 /* NFDATA相對於NAND_CTL_BASE偏移地址*/ #define oNFCMD 0x08 /* NFCMD相對於NAND_CTL_BASE偏移地址*/ #define oNFSTAT 0x20 /* NFSTAT相對於NAND_CTL_BASE偏移地址*/ #define oNFECC 0x2c /* NFECC相對於NAND_CTL_BASE偏移地址*/
NAND Flash各個控制寄存器的設置在S3C2440的數據手冊有詳細說明，這裏就不介紹了。
代碼中nand_read_ll函數的做用是在NAND Flash中搬運U-Boot到RAM，該函數在board/samsung/mini2440/nand_read.c中定義。
NAND Flash根據page大小可分爲2種： 512B/page和2048B/page的。這兩種NAND Flash的讀操做是不一樣的。所以就須要U-Boot識別到NAND Flash的類型，而後採用相應的讀操做，也就是說nand_read_ll函數要能自動適應兩種NAND Flash。
參考S3C2440的數據手冊能夠知道：根據NFCONF寄存器的Bit3（AdvFlash (Read only)）和Bit2 （PageSize (Read only)）能夠判斷NAND Flash的類型。Bit二、Bit3與NAND Flash的block類型的關係以下表所示：
表 2.4 NFCONF的Bit三、Bit2與NAND Flash的關係
| Bit2 Bit3 |
0 |
1 |
| 0 |
256 B/page |
512 B/page |
| 1 |
1024 B/page |
2048 B/page |
因爲的NAND Flash只有512B/page和2048 B/page這兩種，所以根據NFCONF寄存器的Bit3便可區分這兩種NAND Flash了。
完整代碼見board/samsung/mini2440/nand_read.c中的nand_read_ll函數，這裏給出僞代碼：
int nand_read_ll(unsigned char *buf, unsigned long start_addr, int size) { //根據NFCONF寄存器的Bit3來區分2種NAND Flash if( NFCONF & 0x8 ) /* Bit是1，表示是2KB/page的NAND Flash */ { //////////////////////////////////// 讀取2K block 的NAND Flash //////////////////////////////////// } else /* Bit是0，表示是512B/page的NAND Flash */ { ///////////////////////////////////// 讀取512B block 的NAND Flash ///////////////////////////////////// } return 0; }
（10）設置堆棧
/* 設置堆棧 */ stack_setup: ldr r0, _TEXT_BASE /* upper 128 KiB: relocated uboot */ sub r0, r0, #CONFIG_SYS_MALLOC_LEN /* malloc area */ sub r0, r0, #CONFIG_SYS_GBL_DATA_SIZE /* 跳過全局數據區 */ #ifdef CONFIG_USE_IRQ sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ) #endif sub sp, r0, #12 /* leave 3 words for abort-stack */
只要將sp指針指向一段沒有被使用的內存就完成棧的設置了。根據上面的代碼能夠知道U-Boot內存使用狀況了，以下圖所示：
圖2.2 U-Boot內存使用狀況
（11）清除BSS段
clear_bss: ldr r0, _bss_start /* BSS段開始地址，在u-boot.lds中指定*/ ldr r1, _bss_end /* BSS段結束地址，在u-boot.lds中指定*/ mov r2, #0x00000000 clbss_l:str r2, [r0] /* 將bss段清零*/ add r0, r0, #4 cmp r0, r1 ble clbss_l
初始值爲0，無初始值的全局變量，靜態變量將自動被放在BSS段。應該將這些變量的初始值賦爲0，不然這些變量的初始值將是一個隨機的值，如有些程序直接使用這些沒有初始化的變量將引發未知的後果。
（12）跳轉到第二階段代碼入口
ldr pc, _start_armboot
_start_armboot: .word start_armboot
跳轉到第二階段代碼入口start_armboot處。
1.1.2 U-Boot啓動第二階段代碼分析
start_armboot函數在lib_arm/board.c中定義，是U-Boot第二階段代碼的入口。U-Boot啓動第二階段流程以下：
圖 2.3 U-Boot第二階段執行流程
在分析start_armboot函數前先來看看一些重要的數據結構：
（1）gd_t結構體
U-Boot使用了一個結構體gd_t來存儲全局數據區的數據，這個結構體在include/asm-arm/global_data.h中定義以下：
typedef struct global_data { bd_t *bd; unsigned long flags; unsigned long baudrate; unsigned long have_console; /* serial_init() was called */ unsigned long env_addr; /* Address of Environment struct */ unsigned long env_valid; /* Checksum of Environment valid? */ unsigned long fb_base; /* base address of frame buffer */ void **jt; /* jump table */ } gd_t;
U-Boot使用了一個存儲在寄存器中的指針gd來記錄全局數據區的地址：
#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR register volatile gd_t *gd asm ("r8")
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR定義一個gd_t全局數據結構的指針，這個指針存放在指定的寄存器r8中。這個聲明也避免編譯器把r8分配給其它的變量。任何想要訪問全局數據區的代碼，只要代碼開頭加入「DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR」一行代碼，而後就可使用gd指針來訪問全局數據區了。
根據U-Boot內存使用圖中能夠計算gd的值：
gd = TEXT_BASE －CONFIG_SYS_MALLOC_LEN － sizeof(gd_t)
（2）bd_t結構體
bd_t在include/asm-arm.u/u-boot.h中定義以下：
typedef struct bd_info { int bi_baudrate; /* 串口通信波特率 */ unsigned long bi_ip_addr; /* IP 地址*/ struct environment_s *bi_env; /* 環境變量開始地址 */ ulong bi_arch_number; /* 開發板的機器碼 */ ulong bi_boot_params; /* 內核參數的開始地址 */ struct /* RAM配置信息 */ { ulong start; ulong size; }bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS]; } bd_t;
U-Boot啓動內核時要給內核傳遞參數，這時就要使用gd_t，bd_t結構體中的信息來設置標記列表。
（3）init_sequence數組
U-Boot使用一個數組init_sequence來存儲對於大多數開發板都要執行的初始化函數的函數指針。init_sequence數組中有較多的編譯選項，去掉編譯選項後init_sequence數組以下所示：
typedef int (init_fnc_t) (void); init_fnc_t *init_sequence[] = { board_init, /*開發板相關的配置--board/samsung/mini2440/mini2440.c */ timer_init, /* 時鐘初始化-- cpu/arm920t/s3c24x0/timer.c */ env_init, /*初始化環境變量--common/env_flash.c 或common/env_nand.c*/ init_baudrate, /*初始化波特率-- lib_arm/board.c */ serial_init, /* 串口初始化-- drivers/serial/serial_s3c24x0.c */ console_init_f, /* 控制通信臺初始化階段1-- common/console.c */ display_banner, /*打印U-Boot版本、編譯的時間-- gedit lib_arm/board.c */ dram_init, /*配置可用的RAM-- board/samsung/mini2440/mini2440.c */ display_dram_config, /* 顯示RAM大小-- lib_arm/board.c */ NULL, };
其中的board_init函數在board/samsung/mini2440/mini2440.c中定義，該函數設置了MPLLCOM，UPLLCON，以及一些GPIO寄存器的值，還設置了U-Boot機器碼和內核啓動參數地址 ：
/* MINI2440開發板的機器碼 */ gd->bd->bi_arch_number = MACH_TYPE_MINI2440; /* 內核啓動參數地址 */ gd->bd->bi_boot_params = 0x30000100;
其中的dram_init函數在board/samsung/mini2440/mini2440.c中定義以下：
int dram_init (void) { /* 因爲mini2440只有 */ gd->bd->bi_dram[0].start = PHYS_SDRAM_1; gd->bd->bi_dram[0].size = PHYS_SDRAM_1_SIZE; return 0; }
mini2440使用2片32MB的SDRAM組成了64MB的內存，接在存儲控制器的BANK6，地址空間是0x30000000~0x34000000。
在include/configs/mini2440.h中PHYS_SDRAM_1和PHYS_SDRAM_1_SIZE 分別被定義爲0x30000000和0x04000000（64M）。
分析完上述的數據結構，下面來分析start_armboot函數：
void start_armboot (void) { init_fnc_t **init_fnc_ptr; char *s; … … /* 計算全局數據結構的地址gd */ gd = (gd_t*)(_armboot_start - CONFIG_SYS_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t)); … … memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t)); gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t)); memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t)); gd->flags |= GD_FLG_RELOC; monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start; /* 逐個調用init_sequence數組中的初始化函數 */ for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) { if ((*init_fnc_ptr)() != 0) { hang (); } } /* armboot_start 在cpu/arm920t/start.S 中被初始化爲u-boot.lds鏈接腳本中的_start */ mem_malloc_init (_armboot_start - CONFIG_SYS_MALLOC_LEN, CONFIG_SYS_MALLOC_LEN); /* NOR Flash初始化 */ #ifndef CONFIG_SYS_NO_FLASH /* configure available FLASH banks */ display_flash_config (flash_init ()); #endif /* CONFIG_SYS_NO_FLASH */ … … /* NAND Flash 初始化*/ #if defined(CONFIG_CMD_NAND) puts ("NAND: "); nand_init(); /* go init the NAND */ #endif … … /*配置環境變量，從新定位 */ env_relocate (); … … /* 從環境變量中獲取IP地址 */ gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr"); stdio_init (); /* get the devices list going. */ jumptable_init (); … … console_init_r (); /* fully init console as a device */ … … /* enable exceptions */ enable_interrupts (); #ifdef CONFIG_USB_DEVICE usb_init_slave(); #endif /* Initialize from environment */ if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) { load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16); } #if defined(CONFIG_CMD_NET) if ((s = getenv ("bootfile")) != NULL) { copy_filename (BootFile, s, sizeof (BootFile)); } #endif … … /* 網卡初始化 */ #if defined(CONFIG_CMD_NET) #if defined(CONFIG_NET_MULTI) puts ("Net: "); #endif eth_initialize(gd->bd); … … #endif /* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again. */ for (;;) { main_loop (); } /* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */ }
main_loop函數在common/main.c中定義。通常狀況下，進入main_loop函數若干秒內沒有
1.1.3 U-Boot啓動Linux過程
U-Boot使用標記列表（tagged list）的方式向Linux傳遞參數。標記的數據結構式是tag，在U-Boot源代碼目錄include/asm-arm/setup.h中定義以下：
struct tag_header { u32 size; /* 表示tag數據結構的聯合u實質存放的數據的大小*/ u32 tag; /* 表示標記的類型 */ }; 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; /* * Acorn specific */ struct tag_acorn acorn; /* * DC21285 specific */ struct tag_memclk memclk; } u; };
U-Boot使用命令bootm來啓動已經加載到內存中的內核。而bootm命令實際上調用的是do_bootm函數。對於Linux內核，do_bootm函數會調用do_bootm_linux函數來設置標記列表和啓動內核。do_bootm_linux函數在lib_arm/bootm.c 中定義以下：
59 int do_bootm_linux(int flag, int argc, char *argv[], bootm_headers_t *images) 60 { 61 bd_t *bd = gd->bd; 62 char *s; 63 int machid = bd->bi_arch_number; 64 void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params); 65 66 #ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG 67 char *commandline = getenv ("bootargs"); /* U-Boot環境變量bootargs */ 68 #endif … … 73 theKernel = (void (*)(int, int, uint))images->ep; /* 獲取內核入口地址 */ … … 86 #if defined (CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || \ 87 defined (CONFIG_CMDLINE_TAG) || \ 88 defined (CONFIG_INITRD_TAG) || \ 89 defined (CONFIG_SERIAL_TAG) || \ 90 defined (CONFIG_REVISION_TAG) || \ 91 defined (CONFIG_LCD) || \ 92 defined (CONFIG_VFD) 93 setup_start_tag (bd); /* 設置ATAG_CORE標誌 */ … … 100 #ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS 101 setup_memory_tags (bd); /* 設置內存標記 */ 102 #endif 103 #ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG 104 setup_commandline_tag (bd, commandline); /* 設置命令行標記 */ 105 #endif … … 113 setup_end_tag (bd); /* 設置ATAG_NONE標誌 */ 114 #endif 115 116 /* we assume that the kernel is in place */ 117 printf ("\nStarting kernel ...\n\n"); … … 126 cleanup_before_linux (); /* 啓動內核前對CPU做最後的設置 */ 127 128 theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params); /* 調用內核 */ 129 /* does not return */ 130 131 return 1; 132 }
其中的setup_start_tag，setup_memory_tags，setup_end_tag函數在lib_arm/bootm.c中定義以下：
（1）setup_start_tag函數
static void setup_start_tag (bd_t *bd) { params = (struct tag *) bd->bi_boot_params; /* 內核的參數的開始地址 */ 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); }
標記列表必須以ATAG_CORE開始，setup_start_tag函數在內核的參數的開始地址設置了一個ATAG_CORE標記。
（2）setup_memory_tags函數
static void setup_memory_tags (bd_t *bd) { int i; /*設置一個內存標記 */ 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); } }
setup_memory_tags函數設置了一個ATAG_MEM標記，該標記包含內存起始地址，內存大小這兩個參數。
（3）setup_end_tag函數
static void setup_end_tag (bd_t *bd) { params->hdr.tag = ATAG_NONE; params->hdr.size = 0; }
標記列表必須以標記ATAG_NONE結束，setup_end_tag函數設置了一個ATAG_NONE標記，表示標記列表的結束。
U-Boot設置好標記列表後就要調用內核了。但調用內核前，CPU必須知足下面的條件：
（1） CPU寄存器的設置
- r0=0
- r1=機器碼
- r2=內核參數標記列表在RAM中的起始地址
（2） CPU工做模式
- 禁止IRQ與FIQ中斷
- CPU爲SVC模式
（3） 使數據Cache與指令Cache失效
do_bootm_linux中調用的cleanup_before_linux函數完成了禁止中斷和使Cache失效的功能。cleanup_before_linux函數在cpu/arm920t/cpu.中定義：
int cleanup_before_linux (void) { /* * this function is called just before we call linux * it prepares the processor for linux * * we turn off caches etc ... */ disable_interrupts (); /* 禁止FIQ/IRQ中斷 */ /* turn off I/D-cache */ icache_disable(); /* 使指令Cache失效 */ dcache_disable(); /* 使數據Cache失效 */ /* flush I/D-cache */ cache_flush(); /* 刷新Cache */ return 0; }
因爲U-Boot啓動以來就一直工做在SVC模式，所以CPU的工做模式就無需設置了。
do_bootm_linux中：
64 void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params); … … 73 theKernel = (void (*)(int, int, uint))images->ep; … … 128 theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params);
第73行代碼將內核的入口地址「images->ep」強制類型轉換爲函數指針。根據ATPCS規則，函數的參數個數不超過4個時，使用r0~r3這4個寄存器來傳遞參數。所以第128行的函數調用則會將0放入r0，機器碼machid放入r1，內核參數地址bd->bi_boot_params放入r2，從而完成了寄存器的設置，最後轉到內核的入口地址。
到這裏，U-Boot的工做就結束了，系統跳轉到Linux內核代碼執行。
1.1.4 U-Boot添加命令的方法及U-Boot命令執行過程
下面以添加menu命令（啓動菜單）爲例講解U-Boot添加命令的方法。
（1） 創建common/cmd_menu.c
習慣上通用命令源代碼放在common目錄下，與開發板專有命令源代碼則放在board/<board_dir>目錄下，而且習慣以「cmd_<命令名>.c」爲文件名。
（2） 定義「menu」命令
在cmd_menu.c中使用以下的代碼定義「menu」命令：
_BOOT_CMD( menu, 3, 0, do_menu, "menu - display a menu, to select the items to do something\n", " - display a menu, to select the items to do something" );
其中U_BOOT_CMD命令格式以下：
U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help)
各個參數的意義以下：
name：命令名，非字符串，但在U_BOOT_CMD中用「#」符號轉化爲字符串
maxargs：命令的最大參數個數
rep：是否自動重複（按Enter鍵是否會重複執行）
cmd：該命令對應的響應函數
usage：簡短的使用說明（字符串）
help：較詳細的使用說明（字符串）
在內存中保存命令的help字段會佔用必定的內存，經過配置U-Boot能夠選擇是否保存help字段。若在include/configs/mini2440.h中定義了CONFIG_SYS_LONGHELP宏，則在U-Boot中使用help命令查看某個命令的幫助信息時將顯示usage和help字段的內容，不然就只顯示usage字段的內容。
U_BOOT_CMD宏在include/command.h中定義：
#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) \ cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage, help}
「##」與「#」都是預編譯操做符，「##」有字符串鏈接的功能，「#」表示後面緊接着的是一個字符串。
其中的cmd_tbl_t在include/command.h中定義以下：
struct cmd_tbl_s { char *name; /* 命令名 */ int maxargs; /* 最大參數個數 */ int repeatable; /* 是否自動重複 */ int (*cmd)(struct cmd_tbl_s *, int, int, char *[]); /* 響應函數 */ char *usage; /* 簡短的幫助信息 */ #ifdef CONFIG_SYS_LONGHELP char *help; /* 較詳細的幫助信息 */ #endif #ifdef CONFIG_AUTO_COMPLETE /* 自動補全參數 */ int (*complete)(int argc, char *argv[], char last_char, int maxv, char *cmdv[]); #endif }; typedef struct cmd_tbl_s cmd_tbl_t;
一個cmd_tbl_t結構體變量包含了調用一條命令的所須要的信息。
其中Struct_Section在include/command.h中定義以下：
#define Struct_Section __attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd")))
凡是帶有__attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd"))屬性聲明的變量都將被存放在".u_boot_cmd"段中，而且即便該變量沒有在代碼中顯式的使用編譯器也不產生警告信息。
在U-Boot鏈接腳本u-boot.lds中定義了".u_boot_cmd"段：
. = .; __u_boot_cmd_start = .; /*將 __u_boot_cmd_start指定爲當前地址 */ .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) } __u_boot_cmd_end = .; /* 將__u_boot_cmd_end指定爲當前地址 */
這代表帶有「.u_boot_cmd」聲明的函數或變量將存儲在「u_boot_cmd」段。這樣只要將U-Boot全部命令對應的cmd_tbl_t變量加上「.u_boot_cmd」聲明，編譯器就會自動將其放在「u_boot_cmd」段，查找cmd_tbl_t變量時只要在__u_boot_cmd_start與__u_boot_cmd_end之間查找就能夠了。
所以「menu」命令的定義通過宏展開後以下：
cmd_tbl_t __u_boot_cmd_menu __attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd"))) = {menu, 3, 0, do_menu, "menu - display a menu, to select the items to do something\n", " - display a menu, to select the items to do something"}
實質上就是用U_BOOT_CMD宏定義的信息構造了一個cmd_tbl_t類型的結構體。編譯器將該結構體放在「u_boot_cmd」段，執行命令時就能夠在「u_boot_cmd」段查找到對應的cmd_tbl_t類型結構體。
（3） 實現命令的函數
在cmd_menu.c中添加「menu」命令的響應函數的實現。具體的實現代碼略：
int do_menu (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[]) { /* 實現代碼略 */ }
（4） 將common/cmd_menu.c編譯進u-boot.bin
在common/Makefile中加入以下代碼：
COBJS-$(CONFIG_BOOT_MENU) += cmd_menu.o
在include/configs/mini2440.h加入如代碼：
#define CONFIG_BOOT_MENU 1
從新編譯下載U-Boot就可使用menu命令了
（5）menu命令執行的過程
在U-Boot中輸入「menu」命令執行時，U-Boot接收輸入的字符串「menu」，傳遞給run_command函數。run_command函數調用common/command.c中實現的find_cmd函數在__u_boot_cmd_start與__u_boot_cmd_end間查找命令，並返回menu命令的cmd_tbl_t結構。而後run_command函數使用返回的cmd_tbl_t結構中的函數指針調用menu命令的響應函數do_menu，從而完成了命令的執行。
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