Uboot启动流程.docx

1、Uboot启动流程 U-Boot工作过程U-Boot启动内核的过程可以分为两个阶段，两个阶段的功能如下： （1）第一阶段的功能 硬件设备初始化 加载U-Boot第二阶段代码到RAM空间 设置好栈 跳转到第二阶段代码入口 （2）第二阶段的功能 初始化本阶段使用的硬件设备 检测系统内存映射 将内核从Flash读取到RAM中 为内核设置启动参数 调用内核1.1.1 U-Boot启动第一阶段代码分析 第一阶段对应的文件是cpu/arm920t/和board/samsung/mini2440/。 U-Boot启动第一阶段流程如下：图 U-Boot启动第一阶段流程 根据cpu/arm920t/中指定的连接

2、方式：ENTRY(_start)SECTIONS . = 0x00000000; . = ALIGN(4); .text : cpu/arm920t/ (.text) board/samsung/mini2440/ (.text) board/samsung/mini2440/ (.text) *(.text) 第一个链接的是cpu/arm920t/，因此的入口代码在cpu/arm920t/中，其源代码在cpu/arm920t/中。下面我们来分析cpu/arm920t/的执行。1. 硬件设备初始化（1）设置异常向量 cpu/arm920t/开头有如下的代码：.globl _start_star

3、t: b start_code /* 复位 */ ldr pc, _undefined_instruction /*未定义指令向量 */ ldr pc, _software_interrupt /* 软件中断向量 */ ldr pc, _prefetch_abort /* 预取指令异常向量 */ ldr pc, _data_abort /* 数据操作异常向量 */ ldr pc, _not_used /* 未使用 */ ldr pc, _irq /* irq中断向量 */ ldr pc, _fiq /* fiq中断向量 */* 中断向量表入口地址 */_undefined_instructio

4、n: .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 以上代码设置了ARM异常向量表，各个异常向量介绍如下：表 ARM异常向量表地址异常进入模式描述0x00000000复位管理模式复位电平有效时，产生复位异常，程序

5、跳转到复位处理程序处执行0x00000004未定义指令未定义模式遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常0x00000008软件中断管理模式执行SWI指令产生，用于用户模式下的程序调用特权操作指令0x0000000c预存指令中止模式处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问，产生指令预取中止异常0x00000010数据操作中止模式处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异常0x00000014未使用未使用未使用0x00000018IRQIRQ外部中断请求有效，且CPSR中的I位为0时，产生IRQ异常0x0000001cFIQFIQ快速中断请求引脚有

6、效，且CPSR中的F位为0时，产生FIQ异常 在cpu/arm920t/中还有这些异常对应的异常处理程序。当一个异常产生时，CPU根据异常号在异常向量表中找到对应的异常向量，然后执行异常向量处的跳转指令，CPU就跳转到对应的异常处理程序执行。 其中复位异常向量的指令“b start_code”决定了U-Boot启动后将自动跳转到标号“start_code”处执行。（2）CPU进入SVC模式start_code: /* * set the cpu to SVC32 mode */ mrs r0, cpsr bic r0, r0, #0x1f /*工作模式位清零 */ orr r0, r0, #0

7、xd3 /*工作模式位设置为“10011”（管理模式），并将中断禁止位和快中断禁止位置1 */ msr cpsr, r0 以上代码将CPU的工作模式位设置为管理模式，并将中断禁止位和快中断禁止位置一，从而屏蔽了IRQ和FIQ中断。（3）设置控制寄存器地址# if defined(CONFIG_S3C2400)#else /* s3c2410与s3c2440下面4个寄存器地址相同 */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 */# d

8、efine CLKDIVN 0x4C000014 /* CLKDIVN寄存器地址 */# endif 对与s3c2440开发板，以上代码完成了WATCHDOG，INTMSK，INTSUBMSK，CLKDIVN四个寄存器的地址的设置。各个寄存器地址参见参考文献4 。（4）关闭看门狗 ldr r0, =pWTCON mov r1, #0x0 str r1, r0 /* 看门狗控制器的最低位为0时，看门狗不输出复位信号 */ 以上代码向看门狗控制寄存器写入0，关闭看门狗。否则在U-Boot启动过程中，CPU将不断重启。（5）屏蔽中断 /* * mask all IRQs by setting all

9、 bits in the INTMR - default */ mov r1, #0xffffffff /* 某位被置1则对应的中断被屏蔽 */ ldr r0, =INTMSK str r1, r0 INTMSK是主中断屏蔽寄存器，每一位对应SRCPND（中断源引脚寄存器）中的一位，表明SRCPND相应位代表的中断请求是否被CPU所处理。 根据参考文献4，INTMSK寄存器是一个32位的寄存器，每位对应一个中断，向其中写入0xffffffff就将INTMSK寄存器全部位置一，从而屏蔽对应的中断。# if defined(CONFIG_S3C2440) ldr r1, =0x7fff ldr r

10、0, =INTSUBMSK str r1, r0# endif INTSUBMSK每一位对应SUBSRCPND中的一位，表明SUBSRCPND相应位代表的中断请求是否被CPU所处理。 根据参考文献4，INTSUBMSK寄存器是一个32位的寄存器，但是只使用了低15位。向其中写入0x7fff就是将INTSUBMSK寄存器全部有效位（低15位）置一，从而屏蔽对应的中断。（6）设置MPLLCON,UPLLCON, CLKDIVN # if defined(CONFIG_S3C2440) #define MPLLCON 0x4C000004 #define UPLLCON 0x4C000008 ldr

11、 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上电几毫秒后，晶振输出稳定，FCLK=Fin（晶振频率），CPU开始执行指令。但实际上，FCLK可以高于Fin，为了提

12、高系统时钟，需要用软件来启用PLL。这就需要设置CLKDIVN，MPLLCON，UPLLCON这3个寄存器。 CLKDIVN寄存器用于设置FCLK，HCLK，PCLK三者间的比例，可以根据表来设置。表 S3C2440 的CLKDIVN寄存器格式CLKDIVN位说明初始值HDIVN2:100 : HCLK = FCLK/1.01 : HCLK = FCLK/2.10 : HCLK = FCLK/4 （当 CAMDIVN9 = 0 时）HCLK= FCLK/8 （当 CAMDIVN9 = 1 时）11 : HCLK = FCLK/3 （当 CAMDIVN8 = 0 时）HCLK = FCLK/6

13、（当 CAMDIVN8 = 1时）00PDIVN00: PCLK = HCLK/1 1: PCLK = HCLK/20 设置CLKDIVN为5，就将HDIVN设置为二进制的10，由于CAMDIVN9没有被改变过，取默认值0，因此HCLK = FCLK/4。PDIVN被设置为1，因此PCLK= HCLK/2。因此分频比FCLK:HCLK:PCLK = 1:4:8 。 MPLLCON寄存器用于设置FCLK与Fin的倍数。MPLLCON的位19:12称为MDIV，位9:4称为PDIV，位1:0称为SDIV。 对于S3C2440，FCLK与Fin的关系如下面公式： MPLL(FCLK) = (2mFi

14、n)/(p ) 其中： m=MDIC+8，p=PDIV+2，s=SDIV MPLLCON与UPLLCON的值可以根据参考文献4中“PLL VALUE SELECTION TABLE”设置。该表部分摘录如下：表 推荐PLL值输入频率输出频率MDIVPDIVSDIV MHz56(0x38)22 MHz127(0x7f)21 当mini2440系统主频设置为405MHZ，USB时钟频率设置为48MHZ时，系统可以稳定运行，因此设置MPLLCON与UPLLCON为： MPLLCON=(0x7f12) | (0x024) | (0x01) = 0x7f021 UPLLCON=(0x3812) | (0x

15、024) | (0x02) = 0x38022（7）关闭MMU，cache 接着往下看：#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT bl cpu_init_crit#endif cpu_init_crit这段代码在U-Boot正常启动时才需要执行，若将U-Boot从RAM中启动则应该注释掉这段代码。 下面分析一下cpu_init_crit到底做了什么：320 #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT321 cpu_init_crit:322 /*323 * 使数据cache与指令cache无效 */324 */ 325 mov r0, #032

16、6 mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* 向c7写入0将使ICache与DCache无效*/327 mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* 向c8写入0将使TLB失效 */328 329 /*330 * disable MMU stuff and caches331 */332 mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 /* 读出控制寄存器到r0中 */333 bic r0, r0, #0x00002300 clear bits 13, 9:8 (-V- -RS)334 bic r0, r0, #0x00000087 clear bits 7,

17、2:0 (B- -CAM)335 orr r0, r0, #0x00000002 set bit 2 (A) Align336 orr r0, r0, #0x00001000 set bit 12 (I) I-Cache337 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 timing341 * because memory timing is board-dependend, you will342 * find a in your board

18、 directory.343 */344 mov ip, lr345 346 bl lowlevel_init347 348 mov lr, ip349 mov pc, lr350 #endif /* CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT */ 代码中的c0，c1，c7，c8都是ARM920T的协处理器CP15的寄存器。其中c7是cache控制寄存器，c8是TLB控制寄存器。325327行代码将0写入c7、c8，使Cache，TLB内容无效。 第332337行代码关闭了MMU。这是通过修改CP15的c1寄存器来实现的，先看CP15的c1寄存器的格式（仅列出代码中用到的位）：表 C

19、P15的c1寄存器格式（部分）1514131211109876543210.VI.RSB.CAM 各个位的意义如下：V : 表示异常向量表所在的位置，0：异常向量在0x00000000；1：异常向量在 0xFFFF0000I : 0 ：关闭ICaches；1 ：开启ICachesR、S : 用来与页表中的描述符一起确定内存的访问权限B : 0 ：CPU为小字节序；1 ： CPU为大字节序C : 0：关闭DCaches；1：开启DCachesA : 0：数据访问时不进行地址对齐检查；1：数据访问时进行地址对齐检查M : 0：关闭MMU；1：开启MMU 332337行代码将c1的 M位置零，关闭了

20、MMU。（8）初始化RAM控制寄存器 其中的lowlevel_init就完成了内存初始化的工作，由于内存初始化是依赖于开发板的，因此lowlevel_init的代码一般放在board下面相应的目录中。对于mini2440，lowlevel_init在board/samsung/mini2440/中定义如下：个存储控制器的开始地址 */ 129 _TEXT_BASE:130 .word TEXT_BASE131 132 .globl lowlevel_init133 lowlevel_init:134 /* memory control configuration */135 /* make r

21、0 relative the current location so that it */136 /* reads SMRDATA out of FLASH rather than memory ! */137 ldr r0, =SMRDATA138 ldr r1, _TEXT_BASE139 sub r0, r0, r1 /* SMRDATA减 _TEXT_BASE就是13个寄存器的偏移地址 */140 ldr r1, =BWSCON /* Bus Width Status Controller */141 add r2, r0, #13*4142 0:143 ldr r3, r0, #4

22、/*将13个寄存器的值逐一赋值给对应的寄存器*/144 str r3, r1, #4145 cmp r2, r0146 bne 0b147 148 /* everything is fine now */149 mov pc, lr150 151 .ltorg152 /* the literal pools origin */153 154 SMRDATA: /* 下面是13个寄存器的值 */155 .word 156 .word lowlevel_init初始化了13个寄存器来实现RAM时钟的初始化。lowlevel_init函数对于U-Boot从NAND Flash或NOR Flash启动

23、的情况都是有效的。 链接脚本有如下代码： .text : cpu/arm920t/ (.text) board/samsung/mini2440/ (.text) board/samsung/mini2440/ (.text) board/samsung/mini2440/将被链接到cpu/arm920t/后面，因此board/samsung/mini2440/也在U-Boot的前4KB的代码中。 U-Boot在NAND Flash启动时，将自动被读取到CPU内部4KB的内部RAM中。因此第137146行的代码将从CPU内部RAM中复制寄存器的值到相应的寄存器中。 对于U-Boot在NOR F

24、lash启动的情况，由于U-Boot连接时确定的地址是U-Boot在内存中的地址，而此时U-Boot还在NOR Flash中，因此还需要在NOR Flash中读取数据到RAM中。 由于NOR Flash的开始地址是0，而U-Boot的加载到内存的起始地址是TEXT_BASE，SMRDATA标号在Flash的地址就是SMRDATATEXT_BASE。 综上所述，lowlevel_init的作用就是将SMRDATA开始的13个值复制给开始地址BWSCON的13个寄存器，从而完成了存储控制器的设置。（9）复制U-Boot第二阶段代码到RAM cpu/arm920t/原来的代码是只支持从NOR Fla

25、sh启动的，经过修改现在U-Boot在NOR Flash和NAND Flash上都能启动了，实现的思路是这样的： bl bBootFrmNORFlash /* 判断U-Boot是在NAND Flash还是NOR Flash启动 */ cmp r0, #0 /* r0存放bBootFrmNORFlash函数返回值，若返回0表示NAND Flash启动，否则表示在NOR Flash启动 */ beq nand_boot /* 跳转到NAND Flash启动代码 */* NOR Flash启动的代码 */ b stack_setup /* 跳过NAND Flash启动的代码 */nand_boot:

26、/* NAND Flash启动的代码 */stack_setup: /* 其他代码 */ 其中bBootFrmNORFlash函数作用是判断U-Boot是在NAND Flash启动还是NOR Flash启动，若在NOR Flash启动则返回1，否则返回0。根据ATPCS规则，函数返回值会被存放在r0寄存器中，因此调用bBootFrmNORFlash函数后根据r0的值就可以判断U-Boot在NAND Flash启动还是NOR Flash启动。bBootFrmNORFlash函数在board/samsung/mini2440/中定义如下：int bBootFrmNORFlash(void) vol

27、atile unsigned int *pdw = (volatile unsigned int *)0; unsigned int dwVal; dwVal = *pdw; /* 先记录下原来的数据 */写入失败，说明是在NOR Flash启动 */ return 1; else /* 写入成功，说明是在NAND Flash启动 */ *pdw = dwVal; /* 恢复原来的数据 */ return 0; 无论是从NOR Flash还是从NAND Flash启动，地址0处为U-Boot的第一条指令“ b start_code”。 对于从NAND Flash启动的情况，其开始4KB的代码会

28、被自动复制到CPU内部4K内存中，因此可以通过直接赋值的方法来修改。 对于从NOR Flash启动的情况，NOR Flash的开始地址即为0，必须通过一定的命令序列才能向NOR Flash中写数据，所以可以根据这点差别来分辨是从NAND Flash还是NOR Flash启动：向地址0写入一个数据，然后读出来，如果发现写入失败的就是NOR Flash，否则就是NAND Flash。 下面来分析NOR Flash启动部分代码：208 adr r0, _start /* r0 - current position of code */209 ldr r1, _TEXT_BASE /* test if

29、 we run from flash or RAM */* 判断U-Boot是否是下载到RAM中运行，若是，则不用 再复制到RAM中了，这种情况通常在调试U-Boot时才发生 */210 cmp r0, r1 /*_start等于_TEXT_BASE说明是下载到RAM中运行 */211 beq stack_setup212 /* 以下直到nand_boot标号前都是NOR Flash启动的代码 */213 ldr r2, _armboot_start214 ldr r3, _bss_start215 sub r2, r3, r2 /* r2 - size of armboot */216 add r2, r0, r2 /* r2 - source end address */217 /* 搬运U-Boot自身到RAM中*/218 copy_loop:219 ldmia r0!, r3-r10 /* 从地址为r0的NOR Flash中读入8个字的数据 */220 stmia r1!, r3-r10 /* 将r3至r10寄存器的数据复制给地址为r1的内存 */221 cmp r0, r2 /* until source end add