关于本文配套的视频《uboot启动详解-1》《uboot启动详解-2》
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、uboot1. 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 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 netmask 以太网的网络掩码 ethaddr 以太网的MAC地址 bootfile 默认的下载文件名 printenv 打印Uboot环境变量 setenv 设置Uboot环境变量 ipaddr 本地的IP地址 serverip TFTP服务器端的IP地址 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。
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:
nfs
2)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ipsetenv serverip 192.168.6.186 ;虚拟机的ipsetenv 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启动流程代码详解在三星的SoC中, 启动流程可以分为三个阶段BL0, BL1, BL2, BL3, 三星自己的手册对BL1的解释也不尽相同, 一种是将在iRAM中运行的程序都归结为BL1; 一种是将iRAM中三星加密的代码bl1.bin作为BL1, iRAM中剩余的部分作为BL2, 本文采用后者, 他们的主要分工如下:
BL0: ARM的起始地址都是0地址, 三星的芯片一般将0地址映射到iROM中, BL0就是指iROM中固化的启动代码,电脑 主要负责加载BL1BL1: 三星对于bootloader的加密代码bl1.bin, 要放在外设中uboot.bin的头上, 和一部分uboot.bin一起加载到iRAM中运行.BL2: 从(nand/sd/usb)中拷贝的uboot.bin头最大14K到iRAM中代码中除去bl1.bin后剩余的部分, 负责设置CPU为SVC模式, 关闭MMU, 关闭中断, 关闭iCache, 关闭看门狗, 初始化DRAM,初始化时钟, 初始化串口, 设置栈, 校验BL2并将其搬移到DRAM高位地址, 重定位到DRAM中执行BL3BL3:是指在代码重定向后在内存中执行的uboot的完整代码, 负责初始化外设,更新向量表, 清BSS, 准备内核启动参数, 加载并运行OS内核可以借助下图理解这个流程
img
我们常说的uboot是一个两阶段bootloader,就是指上述的BL2和BL3. BL2主要做硬件直接相关的初始化,使用汇编编写;BL3主要为操作系统的运行准备环境,主要用C编写,这里以ARM平台为例分析其启动流程。下面是启动过程中主要涉及的文件
1. BL2arch/arm/cpu/armv7/start.S board/samsung/myboard/lowlevel_init.S arch/arm/lib/crt0.S电脑 arch/arm/lib/board.c arch/samsung/myboard/myboard.c
BL2的主要文件和任务流程如下
2. lds文件arch/arm/cpu/armv7/start.S \1. 设置CPU为SVC模式 \2. 关闭MMU \3. 关闭Cache \4. 跳转到lowlevel_init.S low_level_init board/samsung/origen/lowlevel_init.S \5. 初始化时钟 \6. 初始化内存 \7. 初始化串口 \8. 关闭看门狗 \9. 跳转到crt0.S _main arch/arm/lib/crt0.S \10. 设置栈 \11. 初始化C运行环境 \12. 调用board_init_f() arch/arm/lib/board.c \13. board_init_f对全局信息GD结构体进行填充 arch/arm/lib/crt0.S \14. 代码重定位------------BL2的最后的工作, 执行完就进入DRAM执行BL2
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&电脑#34;, "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 }
3. 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。
4. 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:
第二阶段代码从_main开始:
以上代码详细解释,请结合视频同步学习。
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开始学ARM-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。
文中用到的源码、datasheet、交叉编译工具可以关注GH,后台回复 【uboot2013】即可获得。
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