Uboot啟動分析之Start.S

1.start.S引入

1.1.u-boot.lds中找到start.S入口

1）C語言中代碼的分析第一步就是找到main.c，找到函數的入口

2）uboot中因為有彙編語言參與是以就不能像C一樣。Uboot整個程式的入口取決于連結腳本中ENTRY聲明的地方。ENTRY(_start) 是以_start符号所在的檔案就是整個程式的起始檔案，_start所在處的代碼就是整個程式的起始代碼。

1.2.SourceInsight中如何找到檔案

(1)目前狀況：我們知道在uboot中的1000多個檔案中有一個符号叫_start，但是我們不知道這個符号在哪個檔案中。這種情況下要查找一個符号在所有項目中檔案中的引用，要使用SourceInsight的搜尋功能。

(2)利用SI工具搜尋到一共7個_start，然後分析搜尋出來的7處，發現有2個是api_example，2個是onenand相關的，都不是我們要找的。剩下3個都在uboot/cpu/s5pc11x/start.S檔案中。

(3)然後進入start.S檔案中，發現57行中就是_start标号的定義處，于是乎我們就找到了整個uboot的入口代碼，就是第57行。

1.3.SI中找檔案技巧

(1)以上，找到了start.S檔案，下面我們就從start.S檔案開始分析uboot第一階段。

(2)在SI中，如果我們知道我們要找的檔案的名字，但是我們又不知道他在哪個目錄下，我們要怎樣找到并打開這個檔案？方法是在SI中先打開右邊的工程項目管理欄目，然後點選最左邊那個（這個是以檔案為機關來浏覽的），然後在上面輸入欄中輸入要找的檔案的名字。我們在輸入的時候，SI在不斷幫我們進行比對，即使你不記得檔案的全名隻是大概記得名字，也能幫助你找到你要找的檔案。

2.start.S解析1

2.5.2.1、不簡單的頭檔案包含

(1)#include <config.h>。config.h是在include目錄下的，這個檔案不是源碼中本身存在的檔案，而是配置過程中自動生成的檔案。（詳見mkconfig腳本）。這個檔案的内容其實是包含了一個頭檔案：#include <configs/x210_sd.h>".

(2)經過分析後，發現start.S中包含的第一個頭檔案就是：include/configs/x210_sd.h，這個檔案是整個uboot移植時的配置檔案。這裡面是好多宏。是以這個頭檔案包含将include/configs/x210_sd.h檔案和start.S檔案關聯了起來。是以之後在分析start.S檔案時，主要要考慮的就是x210_sd.h檔案。

(3)#include<version.h>。include/version.h中包含了include/version_autogenerated.h，這個頭檔案就是配置過程中自動生成的。裡面就一行内容：#define U_BOOT_VERSION "U-Boot1.3.4"。這裡面定義的宏U_BOOT_VERSION的值是一個字元串，字元串中的版本号資訊來自于Makefile中的配置值。這個宏在程式中會被調用，在uboot啟動過程中會序列槽列印出uboot的版本号，那個版本号資訊就是從這來的。

(4)#include <asm/proc/domain.h>。asm目錄不是uboot中的原生目錄，uboot中本來是沒有這個目錄的。asm目錄是配置時建立的一個符号連結，實際指向的是就是asm-arm（詳解上一章節分析mkconfig腳本時）.

(5)經過分析後發現，實際檔案是：include/asm-arm/proc-armv/domain.h

(6)從這裡可以看出之前配置時建立的符号連結的作用，如果沒有這些符号連結則編譯時根本通不過，因為找不到頭檔案。（是以uboot不能在windows的共享檔案夾下配置編譯，因為windows中沒有符号連結）

思考：為什麼start.S不直接包含asm-arm/proc-armv/domain.h，而要用asm/proc/domain.h。這樣的設計主要是為了可移植性。

因為如果直接包含，則start.S檔案和CPU架構（和硬體）有關了，可移植性就差了。譬如我要把uboot移植到mips架構下，則start.S源代碼中所有的頭檔案包含全部要修改。我們用了符号連結之後，則start.S中源代碼不用改，隻需要在具體的硬體移植時配置不同，建立的符号連結指向的不同，則可以具有可移植性。

3.start.S解析2

1、啟動代碼的16位元組頭部

(1)裸機中講過，在SD卡啟動/Nand啟動等整個鏡像開頭需要16位元組的校驗頭。（mkv210image.c中就是為了計算這個校驗頭）。我們以前做裸機程式時根本沒考慮這16位元組校驗頭，因為：1、如果我們是usb啟動直接下載下傳的方式啟動的則不需要16位元組校驗頭（irom application note）；2、如果是SD卡啟動mkv210image.c中會給原鏡像前加16位元組的校驗頭。

(2)uboot這裡start.S中在開頭位置放了16位元組的填充占位，這個占位的16位元組隻是保證正式的image的頭部确實有16位元組，但是這16位元組的内容是不對的，還是需要後面去計算校驗和然後重新填充的。

2、異常向量表的建構

(1)異常向量表是硬體決定的，軟體隻是參照硬體的設計來實作它。

(2)異常向量表中每種異常都應該被處理，否則真遇到了這種異常就跑飛了。但是我們在uboot中并未非常細緻的處理各種異常。

(3)複位異常處的代碼是：b reset，是以在CPU複位後真正去執行的有效代碼是reset處的代碼，是以reset符号處才是真正的有意義的代碼開始的地方。

3、有點意思的deadbeef

(1).balignl 16,0xdeadbeef.     這一句指令是讓目前位址對齊排布，如果目前位址不對齊則自動向後走位址直到對齊，并且向後走的那些記憶體要用0xdeadbeef來填充。

(2)0xdeadbeef這是一個十六進制的數字，這個數字很有意思，組成這個數字的十六進制數全是abcdef之中的字母，而且這8個字母剛好組成了英文的dead beef這兩個單詞，字面意思是壞牛肉。

(3)為什麼要對齊通路？有時候是效率的要求，有時候是硬體的特殊要求。

4、TEXT_BASE等

(1)第100行這個TEXT_BASE就是上個課程中分析Makefile時講到的那個配置階段的TEXT_BASE，其實就是我們連結時指定的uboot的連結位址。（值就是c3e00000）

(2)源代碼中和配置Makefile中很多變量是可以互相運送的。簡單來說有些符号的值可以從Makefile中傳遞到源代碼中。

4.start.S解析3

(1)CFG_PHY_UBOOT_BASE    33e00000         uboot在DDR中的實體位址

1、設定CPU為SVC模式

(1)msr      cpsr_c, #0xd3  将CPU設定為禁止FIQ IRQ，ARM狀态，SVC模式。

(2)其實ARM CPU在複位時預設就會進入SVC模式，但是這裡還是使用軟體将其置為SVC模式。整個uboot工作時CPU一直處于SVC模式。

2、設定L2、L1cache和MMU

(1)bl disable_l2cache                 // 禁止L2 cache

(2)bl set_l2cache_auxctrl_cycle      // l2 cache相關初始化

(3)bl enable_l2cache                 // 使能l2 cache

(4)重新整理L1 cache的icache和dcache。 指令cache和資料cache

(5)關閉MMU

總結：上面這5步都是和CPU的cache和mmu有關的，不用去細看，大概知道即可。

3、識别并暫存啟動媒體選擇

(1)從哪裡啟動是由SoC的OM5:OM0這6個引腳的高低電平決定的。

(2)實際上在210内部有一個寄存器（位址是0xE0000004），這個寄存器中的值是硬體根據OM引腳的設定而自動設定值的。這個值反映的就是OM引腳的接法（電平高低），也就是真正的啟動媒體是誰。

(3)我們代碼中可以通過讀取這個寄存器的值然後判斷其值來确定目前選中的啟動媒體是Nand還是SD還是其他的。

(4)start.S的225-227行執行完後，在r2寄存器中存儲了一個數字，這個數字等于某個特定值時就表示SD啟動，等于另一個特定值時表示從Nand啟動····

(5)260行中給r3中指派#BOOT_MMCSD(0x03)，這個在SD啟動時實際會被執行，是以執行完這一段代碼後r3中存儲了0x03，以後備用。

4、設定棧（SRAM中的棧）并調用lowlevel_init

(1)284-286行第一次設定棧。這次設定棧是在SRAM中設定的，因為目前整個代碼還在SRAM中運作，此時DDR還未被初始化還不能用。棧位址0xd0036000是自己指定的，指定的原則就是這塊空間隻給棧用，不會被别人占用。

(2)在調用函數前初始化棧，主要原因是在被調用的函數内還有再次調用函數，而BL隻會将傳回位址存儲到LR中，但是我們隻有一個LR，是以在第二層調用函數前要先将LR入棧，否則函數傳回時第一層的傳回位址就丢了。

5.start.S解析4

(1)使用SourceInsight的Reference功能，找到lowlevel_init函數真正的地方，是在uboot/board/samsumg/x210/lowlevel_init.S中。

1、檢查複位狀态

(1)複雜CPU允許多種複位情況。譬如直接冷上電、熱啟動、睡眠(低功耗)狀态下的喚醒等，這些情況都屬于複位。是以我們在複位代碼中要去檢測複位狀态，來判斷到底是哪種情況。

(2)判斷哪種複位的意義在于：冷上電時DDR是需要初始化才能用的；而熱啟動或者低功耗狀态下的複位則不需要再次初始化DDR。

2、IO狀态恢複

(1)這個和上一個和主線啟動代碼都無關，是以不用去管他。

3、關看門狗

(1)參考裸機中看門狗章節

4、一些SRAM SROM相關GPIO設定

(1)與主線啟動代碼無關，不用管

5、供電鎖存

(1)lowlevel_init.S的第100-104行，開發闆供電鎖存。

總結：在前100行，lowlevel_init.S中并沒有做太多有意義的事情（除了關看門狗、供電鎖存外），然後下面從110行才開始進行有意義的操作。

6.start.S解析5

1、判斷目前代碼執行位置

(1)lowlevel_init.S的110-115行。

(2)這幾行代碼的作用就是判定目前代碼執行的位置在SRAM中還是在DDR中。為什麼要做這個判定？原因1：BL1（uboot的前一部分）在SRAM中有一份，在DDR中也有一份，是以如果是冷啟動那麼目前代碼應該是在SRAM中運作的BL1，如果是低功耗狀态的複位這時候應該就是在DDR中運作的。原因2：我們判定目前運作代碼的位址是有用的，可以指導後面代碼的運作。譬如在lowlevel_init.S中判定目前代碼的運作位址，就是為了确定要不要執行時鐘初始化和初始化DDR的代碼。如果目前代碼是在SRAM中，說明冷啟動，那麼時鐘和DDR都需要初始化；如果目前代碼是在DDR中，那麼說明是熱啟動則時鐘和DDR都不用再次初始化。

(2)bic        r1, pc, r0  這句代碼的意義是：将pc的值中的某些bit位清0，剩下一些特殊的bit位指派給r1（r0中為1的那些位清零）相等于：r1 = pc & ~(ff000fff)

ldr    r2, _TEXT_BASE       加載連結位址到r2，然後将r2的相應位清0剩下特定位。

(3)最後比較r1和r2.

總結：這一段代碼是通過讀取目前運作位址和連結位址，然後處理兩個位址後對比是否相等，來判定目前運作是在SRAM中（不相等）還是DDR中（相等）。進而決定是否跳過下面的時鐘和DDR初始化。

2、system_clock_init

(1)使用SI搜尋功能，确定這個函數就在目前檔案的205行，一直到第385行。這個初始化時鐘的過程和裸機中初始化的過程一樣的，隻是更加完整而且是用彙編代碼寫的。

(2)在x210_sd.h中300行到428行，都是和時鐘相關的配置值。這些宏定義就決定了210的時鐘配置是多少。也就是說代碼在lowlevel_init.S中都寫好了，但是代碼的設定值都被宏定義在x210_sd.h中了。是以，如果移植時需要更改CPU的時鐘設定，根本不需要動代碼，隻需要在x210_sd.h中更改配置值即可。

7.start.S解析6

7.1、mem_ctrl_asm_init

(1)該函數用來初始化DDR

(2)函數位置在uboot/cpu/s5pc11x/s5pc110/cpu_init.S檔案中。

(3)該函數和裸機中初始化DDR代碼是一樣的。實際上裸機中初始化DDR的代碼就是從這裡抄的。配置值也可以從這裡抄，但是當時我自己根據了解+抄襲整出來的一份。

(4)配置值中其他配置值參考裸機中的解釋即可明白，有一個和裸機中講的不一樣。DMC0_MEMCONFIG_0，在裸機中配置值為0x20E01323；在uboot中配置為0x30F01313.這個配置不同就導緻結果不同。

在 裸機中DMC0的256MB記憶體位址範圍是0x20000000-0x2FFFFFFF;

在uboot中DMC0的256MB記憶體位址範圍為0x30000000-0x3FFFFFFF。

(5)之前在裸機中時配置為2開頭的位址，當時并沒有說可以配置為3開頭。從分析九鼎移植的uboot可以看出：DMC0上允許的位址範圍是20000000-3FFFFFFF（一共是512MB），而我們實際隻接了256MB實體記憶體，SoC允許我們給這256MB挑選位址範圍。

(6)總結一下：在uboot中，可用的實體位址範圍為：0x30000000-0x4FFFFFFF。一共512MB，其中30000000-3FFFFFFF為DMC0，40000000-4FFFFFFF為DMC1。

(7)我們需要的記憶體配置值在x210_sd.h的438行到468行之間。分析的時候要注意條件編譯的條件，配置頭檔案中考慮了不同時鐘配置下的記憶體配置值，這個的主要目的是讓不同時鐘需求的客戶都能找到合适自己的記憶體配置值。

(8)在uboot中DMC0和DMC1都工作了，是以在裸機中隻要把uboot中的配置值和配置代碼全部移植過去，應該是能夠讓DMC0和DMC1都工作的。

7.2、uart_asm_init

(1)這個函數用來初始化序列槽

(2)初始化完了後通過序列槽發送了一個'O'

7.3、tzpc_init

(1)trust zone初始化，沒搞過，不管

7.4、pop {pc}以傳回

(1)傳回前通過序列槽列印'K'

分析；lowlevel_init.S執行完如果沒錯那麼就會序列槽列印出"OK"字樣。這應該是我們uboot中看到的最早的輸出資訊。

分析；lowlevel_init.S執行完如果沒錯那麼就會序列槽列印出"OK"字樣。這應該是我們uboot中看到的最早的輸出資訊。

8.start.S解析7

總結回顧：lowlevel_init.S中總共做了哪些事情：

檢查複位狀态、IO恢複、關看門狗、開發闆供電鎖存、時鐘初始化、DDR初始化、序列槽初始化并列印'O'、tzpc初始化、列印'K'。

其中值得關注的：關看門狗、開發闆供電鎖存、時鐘初始化、DDR初始化、列印"OK"

8.1、再次設定棧（DDR中的棧）

(1)再次開發闆供電鎖存。第一，做2次是不會錯的；第二，做2次則第2次無意義；做代碼移植時有一個古怪謹慎保守政策就是盡量添加代碼而不要删除代碼。

(2)之前在調用lowlevel_init程式前設定過1次棧（start.S 284-287行），那時候因為DDR尚未初始化，是以程式執行都是在SRAM中，是以在SRAM中配置設定了一部分記憶體作為棧。本次因為DDR已經被初始化了，是以要把棧挪移到DDR中，是以要重新設定棧，這是第二次（start.S 297-299行）；這裡實際設定的棧的位址是33E00000，剛好在uboot的代碼段的下面緊挨着。

(3)為什麼要再次設定棧？DDR已經初始化了，已經有大片記憶體可以用了，沒必要再把棧放在SRAM中可憐兮兮的了；原來SRAM中記憶體大小空間有限，棧放在那裡要注意不能使用過多的棧否則棧會溢出，我們及時将棧遷移到DDR中也是為了盡可能避免棧使用時候的小心翼翼。

感慨：uboot的啟動階段主要技巧就在于小範圍内有限條件下的輾轉騰挪。

8.2、再次判斷目前位址以決定是否重定位

(1)再次用相同的代碼判斷運作位址是在SRAM中還是DDR中，不過本次判斷的目的不同（上次判斷是為了決定是否要執行初始化時鐘和DDR的代碼）這次判斷是為了決定是否進行uboot的relocate。

(2)冷啟動時目前情況是uboot的前一部分（16kb或者8kb）開機自動從SD卡加載到SRAM中正在運作，uboot的第二部分（其實第二部分是整個uboot）還躺在SD卡的某個扇區開頭的N個扇區中。此時uboot的第一階段已經即将結束了（第一階段該做的事基本做完了），結束之前要把第二部分加載到DDR中連結位址處（33e00000），這個加載過程就叫重定位。

9.uboot重定位詳解

(1)D0037488這個記憶體位址在SRAM中，這個位址中的值是被硬體自動設定的。硬體根據我們實際電路中SD卡在哪個通道中，會将這個位址中的值設定為相應的數字。譬如我們從SD0通道啟動時，這個值為EB000000；從SD2通道啟動時，這個值為EB200000

(2)我們在start.S的260行确定了從MMCSD啟動，然後又在278行将#BOOT_MMCSD寫入了INF_REG3寄存器中存儲着。然後又在322行讀出來，再和#BOOT_MMCSD去比較，确定是從MMCSD啟動。最終跳轉到mmcsd_boot函數中去執行重定位動作。

(3)真正的重定位是通過調用movi_bl2_copy函數完成的，在uboot/cpu/s5pc11x/movi.c中。是一個C語言的函數

(4)copy_bl2(2, MOVI_BL2_POS, MOVI_BL2_BLKCNT,

                            CFG_PHY_UBOOT_BASE, 0);

分析參數：2表示通道2；MOVI_BL2_POS是uboot的第二部分在SD卡中的開始扇區，這個扇區數字必須和燒錄uboot時燒錄的位置相同；MOVI_BL2_BLKCNT是uboot的長度占用的扇區數；CFG_PHY_UBOOT_BASE是重定位時将uboot的第二部分複制到DDR中的起始位址（33E00000）.

10.start.S解析8

10.1、什麼是虛拟位址、實體位址

(1)實體位址就是實體裝置設計生産時賦予的位址。像裸機中使用的寄存器的位址就是CPU設計時指定的，這個就是實體位址。實體位址是硬體編碼的，是設計生産時确定好的，一旦确定了就不能改了。

(2)一個事實就是：寄存器的實體位址是無法通過程式設計修改的，是多少就是多少，隻能通過查詢資料手冊獲得并操作。壞處就是不夠靈活。一個解決方案就是使用虛拟位址。

(3)虛拟位址意思就是在我們軟體操作和硬體被操作之間增加一個層次，叫做虛拟位址映射層。有了虛拟位址映射後，軟體操作隻需要給虛拟位址，硬體操作還是用原來的實體位址，映射層建立一個虛拟位址到實體位址的映射表。當我們軟體運作的時候，軟體中使用的虛拟位址在映射表中查詢得到對應的實體位址再發給硬體去執行（虛拟位址到實體位址的映射是不可能通過軟體來實作的）。

10.2、MMU單元的作用

(1)MMU就是memory management unit，記憶體管理單元。MMU實際上是SOC中一個硬體單元，它的主要功能就是實作虛拟位址到實體位址的映射。

(2)MMU單片在CP15協處理器中進行控制，也就是說要操控MMU進行虛拟位址映射，方法就是對cp15協處理器的寄存器進行程式設計。

10.3、位址映射的額外收益1：通路控制

(1)通路控制就是：在管理上對記憶體進行分塊，然後每塊進行獨立的虛拟位址映射，然後在每一塊的映射關系中同時還實作了通路控制（對該塊可讀、可寫、隻讀、隻寫、不可通路等控制）

(2)回想在C語言中程式設計中經常會出現一個錯誤：Segmentation fault。實際上這個段錯誤就和MMU實作的通路控制有關。目前程式隻能操作自己有權操作的位址範圍（若幹個記憶體塊），如果目前程式指針出錯通路了不該通路的記憶體塊則就會觸發段錯誤。

10.4、位址映射的額外收益2：cache

(1)cache的工作和虛拟位址映射有關系。

(2)cache是快速緩存，意思就是比CPU慢但是比DDR塊。CPU嫌DDR太慢了，于是乎把一些DDR中常用的内容事先讀取緩存在cache中，然後CPU每次需要找東西時先在cache中找。如果cache中有就直接用cache中的；如果cache中沒有才會去DDR中尋找。

參考閱讀：http://blog.chinaunix.net/xmlrpc.php?r=blog/article&uid=22891521&id=2109284

11.start.S解析9

11.1、使能域通路（cp15的c3寄存器）

(1)cp15協處理器内部有c0到c15共16個寄存器，這些寄存器每一個都有自己的作用。我們通過mrc和mcr指令來通路這些寄存器。所謂的操作cp協處理器其實就是操作cp15的這些寄存器。

(2)c3寄存器在mmu中的作用是控制域通路。域通路是和MMU的通路控制有關的。

11.2、設定TTB（cp15的c2寄存器）

(1)TTB就是translation table base，轉換表基位址。首先要明白什麼是TT（translation table轉換表），TTB其實就是轉換表的基位址。

(2)轉換表是建立一套虛拟位址映射的關鍵。轉換表分2部分，表索引和表項。表索引對應虛拟位址，表項對應實體位址。一對表索引和表項構成一個轉換表單元，能夠對一個記憶體塊進行虛拟位址轉換。（映射中基本規定中規定了記憶體映射和管理是以塊為機關的，至于塊有多大，要看你的MMU的支援和你自己的選擇。在ARM中支援3種塊大小，細表1KB、粗表4KB、段1MB）。真正的轉換表就是由若幹個轉換表單元構成的，每個單元負責1個記憶體塊，總體的轉換表負責整個記憶體空間（0-4G）的映射。

(3)整個建立虛拟位址映射的主要工作就是建立這張轉換表

(4)轉換表放置在記憶體中的，放置時要求起始位址在記憶體中要xx位對齊。轉換表不需要軟體去幹涉使用，而是将基位址TTB設定到cp15的c2寄存器中，然後MMU工作時會自動去查轉換表。

11.3、使能MMU單元（cp15的c1寄存器）

(1)cp15的c1寄存器的bit0控制MMU的開關。隻要将這一個bit置1即可開啟MMU。開啟MMU之後上層軟體層的位址就必須經過TT的轉換才能發給下層實體層去執行。

11.4、找到映射表待分析

(1)通過符号查找，确定轉換表在lowlevel_init.S檔案的593行。

11.5、S5PV210的2種虛拟位址管理

12.start.S解析10

12.1、宏FL_SECTION_ENTRY

12.2、頁表項各bit位含義

12.3、段式頁表詳解

12.4、實驗操作驗證

12.5、總結：關于MMU和虛拟位址映射的學習

宏觀上了解轉換表：整個轉換表可以看作是一個int類型的數組，數組中的一個元素就是一個表索引和表項的單元。數組中的元素值就是表項，這個元素的數組下标就是表索引。

ARM的段式映射中長度為1MB，是以一個映射單元隻能管1MB記憶體，那我們整個4G範圍内需要4G/1MB=4096個映射單元，也就是說這個數組的元素個數是4096.實際上我們做的時候并沒有依次單個處理這4096個單元，而是把4096個分成幾部分，然後每部分用for循環做相同的處理。

13.start.S解析11

13.1、再次設定棧

(1)第三次設定棧。這次設定棧還是在DDR中，之前雖然已經在DDR中設定過一次棧了，但是本次設定棧的目的是将棧放在比較合适（安全，緊湊而不浪費記憶體）的地方。

(2)我們實際将棧設定在uboot起始位址上方2MB處，這樣安全的棧空間是：2MB-uboot大小-0x1000=1.8MB左右。這個空間既沒有太浪費記憶體，又足夠安全。

13.2、清理bss

(1)清理bss段代碼和裸機中講的一樣。注意表示bss段的開頭和結尾位址的符号是從連結腳本u-boot.lds得來的。

13.3、ldr   pc, _start_armboot

(1)start_armboot是uboot/lib_arm/board.c中，這是一個C語言實作的函數。這個函數就是uboot的第二階段。這句代碼的作用就是将uboot第二階段執行的函數的位址傳給pc，實際上就是使用一個遠跳轉直接跳轉到DDR中的第二階段開始位址處。

(2)遠跳轉的含義就是這句話加載的位址和目前運作位址無關，而和連結位址有關。是以這個遠跳轉可以實作從SRAM中的第一階段跳轉到DDR中的第二階段。

(3)這裡這個遠跳轉就是uboot第一階段和第二階段的分界線。

13.4、總結：uboot的第一階段做了哪些工作

(1)建構異常向量表

(2)設定CPU為SVC模式

(3)關看門狗

(4)開發闆供電置鎖

(5)時鐘初始化

(6)DDR初始化

(7)序列槽初始化并列印"OK"

(8)重定位

(9)建立映射表并開啟MMU

(10)跳轉到第二階段