1 基本概念

1.1 uboot 是什么？

當(dāng)我們厭倦了裸機(jī)程序，而想要采用操作系統(tǒng)的時(shí)候，uboot就是不得不引入的一段程序。所以，uboot就是一段引導(dǎo)程序，在加載系統(tǒng)內(nèi)核之前，完成硬件初始化，內(nèi)存映射，為后續(xù)內(nèi)核的引導(dǎo)提供一個(gè)良好的環(huán)境。uboot是bootloader的一種，全稱為universal boot loader。

1.2 存儲(chǔ)器

在了解 Uboot 之前，我們先來了解一下代碼的載體，看看代碼到底存儲(chǔ)在什么地方！

1. norflash/nandflash、SRAM 和 SDRAM 作為存儲(chǔ)器有何異同？

1. norflash - 是非易失性存儲(chǔ)器（也就是掉電保存）

NOR flash 帶有 SRAM 接口，有足夠的的地址引腳進(jìn)行尋址，可以很容易地讀取其內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié)。

注意是Read！因?yàn)?flash 不是任意寫入，而是遵循disable write protect -> erase -> write。這是 flash 的特性決定的，其電路只能從1->0，而不能0->1翻轉(zhuǎn)。

擦除過程就是將 flash 中的某一個(gè)扇區(qū)恢復(fù)為0xFFFFFFFF，然后再寫入數(shù)據(jù)。另外，代碼指令可以直接在 norflash 上運(yùn)行。

（重要！?。∩想姾罂梢宰x取 norflash 中的數(shù)據(jù)但是不可以進(jìn)行寫操作） 2. nandflash - 是非易失性存儲(chǔ)器（也就是掉電保存）

它也是非易失閃存（掉電不丟失）的一種，但是它雖然有數(shù)據(jù)總線，但是沒有地址總線，所以 cpu 不能直接從 nandflash 中取指運(yùn)行，由于它價(jià)格便宜，所以常常用來存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，和我們常說的硬盤類似。

3. SRAM - 靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器 - Static Random Access Memory

static是指只要不掉電，存儲(chǔ)在 SRAM 中的數(shù)據(jù)就不會(huì)丟失。這一點(diǎn)與 DRAM 不同，DRAM 需要進(jìn)行周期性刷新操作。然而，我們不應(yīng)將SRAM 和只讀存儲(chǔ)器（ROM）、Flash Memory 相混淆，因?yàn)?SRAM 是一種易失性存儲(chǔ)器，它只有在電源保持連續(xù)供應(yīng)的情況下才能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)。
Random Access指的是存儲(chǔ)器的內(nèi)容可以任意順序進(jìn)行訪問，而不管前一次訪問的是哪一個(gè)位置。（重要?。?！上電后就可以讀寫 SRAM 中的數(shù)據(jù)，而無需初始化操作）

4. SDRAM - 同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 - Synchronous Dynamic Random Access Memory

需要不斷的刷新，才能保存數(shù)據(jù)。而且是行列地址復(fù)用，許多都有頁模式。

（重要?。?！需要對(duì) DDR 控制器進(jìn)行初始化 <配置寄存器>，才能去讀寫 SDRAM 中的數(shù)據(jù)）

5. 存儲(chǔ)器在 ARM 處理器上的作用。

（1）NOR Flash - 程序存儲(chǔ)器

作為 ARM 處理器的程序存儲(chǔ)器。因?yàn)槲覀儽仨殞⒊绦虮４嬖谝粋€(gè)掉電后還能保存數(shù)據(jù)的地方。上電后，NOR Flash 就相當(dāng)于一個(gè)隨機(jī)讀取的只讀存儲(chǔ)器。

那么，既然 NOR Flash 可以運(yùn)行程序，我們?yōu)槭裁床恢苯釉谄渖线\(yùn)行程序呢？

一般情況下，我們編譯的程序中，.text段，.rodata段都是只讀的，這沒有問題。但是，.data段（數(shù)據(jù)段）和.bss（未初始化的全局變量和靜態(tài)變量）在程序的運(yùn)行過程中變量的值是需要改變的（改變一個(gè)變量的值，需要改變對(duì)應(yīng)物理地址上
存儲(chǔ)的內(nèi)容），很可惜，NOR Flash 只能直接讀取，而無法進(jìn)行寫操作。

那么，為了解決這個(gè)問題，就需要 SRAM 了。

（2）SRAM - 提供運(yùn)行環(huán)境

其重要特性就是：容量小，512KB；運(yùn)行程序速度快；價(jià)格貴。

可以作為程序運(yùn)行時(shí)的堆?？臻g。把 ARM 處理器的堆棧指針 sp 設(shè)置在 SRAM 中，為程序提供運(yùn)行環(huán)境。

SRAM 作為運(yùn)行程序的場(chǎng)所是可以的，但是由于其昂貴的價(jià)格，極小的容量，而現(xiàn)在程序一般都非常龐大，所以滿足不了我們的需求。正因?yàn)榇?，SDRAM 應(yīng)運(yùn)而生。

（3）SDRAM - 運(yùn)行程序

它的重要特性是容量大：512M；程序運(yùn)行速度快；價(jià)格便宜。

但是其掉電易失數(shù)據(jù)，上電后必須初始化 DDR 控制器，否則無法進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。所以在運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)核之前必須對(duì)其進(jìn)行初始化，這就是在 NOR Flash 和 SRAM 上搭建的程序的作用。

那它主要都完成什么工作呢？

1.完成對(duì)處理器時(shí)鐘的初始化

2. DDR的初始化

3. 給 gd_t *gd_ptr 賦值(用于存儲(chǔ)uboot鏡像的長(zhǎng)度，重定位地址，

重定位偏移量等信息)

在 uboot 搬運(yùn)到 DDR 中運(yùn)行前進(jìn)行最小系統(tǒng)的初始化，之后就將 uboot 搬運(yùn)到 DDR 中運(yùn)行。那么，此時(shí) NOR Flash 和 SRAM 的任務(wù)就完成了（也就是沒有用了）。

總結(jié)：

從 norflash 啟動(dòng)可以省事多了，不僅如此，我們自己編寫的裸機(jī)程序需要調(diào)試，一般也是直接燒寫到 norflash 中進(jìn)行的，因?yàn)橹灰覀儗⒕幾g好的可執(zhí)行文件放到 norflash 的開始，開發(fā)板上電以后就會(huì)從 norflash 的第一條指令開始取指執(zhí)行，我們后面寫裸機(jī)程序的調(diào)試就是用這種方式進(jìn)行的。 從 norflash 啟動(dòng)雖然從開發(fā)的角度會(huì)很方便（其實(shí)也方便不了多少），但是從產(chǎn)品的角度卻增加了它的成本，畢竟 norflash 還是相對(duì)較貴的，我們明明只要一塊 nandflash 就足夠啟動(dòng)整個(gè)開發(fā)板了，就沒必要在產(chǎn)品中添加一塊 norflash 了，只要代碼改改就能省下不少成本，何樂不為。 而且 nandflash 對(duì)產(chǎn)品是必不可少的，因?yàn)楹竺孢€要存放內(nèi)核和文件系統(tǒng)，起碼需要幾十兆的空間，用 norflash 來存儲(chǔ)也不現(xiàn)實(shí)。

也許你會(huì)想，能不能只用 norflash，不用 nandflash 和 SDRAM 行不行呢，畢竟 norflash 即可以存儲(chǔ)，也可以運(yùn)行程序的啊，從理論來說是可以的，但是了解一下他們的市場(chǎng)價(jià)格、運(yùn)行速度和工作原理，應(yīng)該就會(huì)知道答案了。

2 uboot 鏈接文件

前面我們已經(jīng)了解了嵌入式設(shè)備的存儲(chǔ)介質(zhì)，以及它們的用途。但是，對(duì)于編譯后的代碼如何在內(nèi)存上分配，處理器是不知道，這需要我們?nèi)藶榈刂付?。這時(shí)候，后綴為 lds 的鏈接文件出現(xiàn)了，它規(guī)定了編譯后的代碼各個(gè)段是如何分配的。理解了它，對(duì)于我們對(duì) u-boot 也是大有幫助的。下面我們直接看代碼內(nèi)容，如果需要了解語法，請(qǐng)參考 2.3 鏈接文件語法。

2.1 u-boot.lds 文件分析

文件位置：u-boot/board/mini2440/u-boot.lds。

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm","elf32-littlearm","elf32-littlearm")/*指定輸出可執(zhí)行文件是elf格式,32位ARM指令,小端*/
OUTPUT_ARCH(arm)                                                    /*指定輸出可執(zhí)行文件的platform為ARM*/
ENTRY(_start)                                                       /*指定輸出可執(zhí)行文件的起始地址為_start*/
SECTIONS
{
    /* 指定可執(zhí)行文件（image）的全局入口點(diǎn)，通常這個(gè)地址都放在ROM(flash)0x0位置。*/
    /* 必須使編譯器知道這個(gè)地址，通常都是修改此處來完成 */
    . = 0x00000000;                                 /* 從0x0位置開始 */

   . = ALIGN(4);                                   /* 代碼以4字節(jié)對(duì)齊 */
    .text :
    {
      cpu/arm920t/start.o (.text)                 /* 從start.S文件中的代碼開始 */
        cpu/arm920t/s3c24x0/nand_read.o (.text)     /* 關(guān)于nand讀取的代碼 */
        *(.text)                                    /* 其它代碼部分*/
    }

    . = ALIGN(4);
    .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) } /*指定只讀數(shù)據(jù)段*/

    . = ALIGN(4);
    .data : { *(.data) }                            /* 指定讀/寫數(shù)據(jù)段，RW段 */

    . = ALIGN(4);
    .got : { *(.got) }                              /*指定got段, got段是uboot自定義的一個(gè)段, 非標(biāo)準(zhǔn)段*/

    . = .;
    __u_boot_cmd_start = .;                         /*把__u_boot_cmd_start賦值為當(dāng)前位置, 即起始位置*/
    .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }                /*指定u_boot_cmd段, uboot把所有的uboot命令放在該段.*/
    __u_boot_cmd_end = .;                           /*把__u_boot_cmd_end賦值為當(dāng)前位置,即結(jié)束位置*/

    . = ALIGN(4);
    __bss_start = .;                                /*把__bss_start賦值為當(dāng)前位置,即bss段的開始位置*/
    .bss (NOLOAD) : { *(.bss) . = ALIGN(4); }       /*指定bss段,告訴加載器不要加載這個(gè)段*/
    __bss_end = .;                                  /*把_end賦值為當(dāng)前位置,即bss段的結(jié)束位置*/
}

通過上面的分析可以看出

由于在鏈接腳本中規(guī)定了文件 start.o(對(duì)應(yīng)于 start.S) 作為整個(gè) uboot 的起始點(diǎn)，因此啟動(dòng) uboot 時(shí)會(huì)執(zhí)行首先執(zhí)行 start.S。

一般來說，內(nèi)存空間可分為代碼段、數(shù)據(jù)段、全局變量段、未初始化變量區(qū)、棧區(qū)、堆區(qū)等. 其中，棧區(qū)由指針 SP 決定，堆區(qū)實(shí)質(zhì)上是由 C 代碼實(shí)現(xiàn)的，其它段則由編譯器決定. 從上面的分析可以看出，從 0x00000000 地址開始，編譯器首先將代碼段放在最開始的位置，然后是數(shù)據(jù)段，然后是 bss 段 (未初始化變量區(qū)).

2.2 System.map 文件

我們來看一下System.map這個(gè)文件：

33f80000 T _start
33f80020 t _undefined_instruction
......(中間省略)
33f80fd8 T start_armboot

如何設(shè)置從 0x33f80000 開始呢?~ 這是鏈接的時(shí)候指定的。在 u-boot 根目錄下面的 config.mk 中有下面一句

LDFLAGS += -Bstatic -T $(LDSCRIPT) -Ttext $(TEXT_BASE) $(PLATFORM_LDFLAGS)

其中的 - Ttext $(TEXT_BASE), 這句指明了代碼段的起始地址。而 TEXT_BASE 在 board/mini2440/config.mk 中定義 TEXT_BASE = 0x33F80000

為什么是 0x33F80000 呢?~

我們先來看一下 S3C2440 的內(nèi)存分布圖：

如上圖所示，如果選擇 NAND flash 為引導(dǎo) ROM 時(shí)，為了支持 NAND Flash 的 BootLoader，S3C2440A 配備了一個(gè)內(nèi)置的 SRAM 緩沖器，叫做 “Steppingstone”， 具體如下圖所示。引導(dǎo)啟動(dòng)時(shí)，NAND Flash 存儲(chǔ)器的開始 4K 字節(jié)將被自動(dòng)加載到 Steppingstone 中并且執(zhí)行自動(dòng)加載到 Steppingstone 的引導(dǎo)代碼。

所以說，雖然我們?cè)阪溄游募?u-boot.lds 中指定了起始地址是 0x00000000，但是在 config.mk 的編譯構(gòu)造文件中還指定了起始地址是 0x33f80000。

因?yàn)槲覀兊?u-boot 代碼在上面的 4k 代碼執(zhí)行完成后，還是要跳轉(zhuǎn)到 0x33f80000 處執(zhí)行的。所以，鏈接文件中的默認(rèn) 0x00000000 起始地址不需要起作用。

查看 S3C2440 的 datasheet，如下圖所示，

可以看出 64M 空間對(duì)應(yīng)的地址為 0x30000000~0x33FFFFFF。TEXT_BASE=0x33F80000 即為程序加載起始地址，可以使用的空間大小即為 0x33F80000 到 0x33FFFFFF 共 512K ，如果你 u-boot 包含的功能太多，覺得不夠用，你可以把 0x33F80000 調(diào)小一點(diǎn)， 即和往低地址移一些，移的過程中注意內(nèi)存頁對(duì)齊就行了，一般是 4KB。

2.3 鏈接文件語法

下面是一些比較難懂的 lds 文件的語法，先記錄如下。對(duì)于常用語法可以自行查閱，網(wǎng)上資料還是蠻多的。

2.3.1 .got 語法

在了解這個(gè)語法之前，我們先來了解一些其他概念：

加載時(shí)重定位

基本思路是：在鏈接時(shí)，對(duì)所有絕對(duì)地址的引用不作重定位，而把這一步推遲到裝載時(shí)再完成。一旦模塊裝載地址確定，即目標(biāo)地址確定，那么系統(tǒng)就對(duì)程序中所有的絕對(duì)地址引用進(jìn)行重定位。

設(shè)函數(shù) foobar 相對(duì)于代碼段的起始地址是 0x100, 當(dāng)模塊被裝載到 0x10000000 時(shí)，我們假設(shè)代碼段位于模塊的最開始，即代碼段的裝載地址也是 0x10000000, 那么我們就可以確定 foobar 的地址為 0x10000100。這時(shí)候，系統(tǒng)遍歷模塊中的重定位表，把所有對(duì) foobar 的地址引用都重定位至 0x10000100。

地址無關(guān)代碼（position-independent-code，PIC），又稱為地址無關(guān)可執(zhí)行文件（position-independent-executable，PIE）

加載時(shí)重定位解決了動(dòng)態(tài)模塊中有絕對(duì)地址引用的問題，但是又帶來了指令部分無法在多個(gè)進(jìn)程間共享的問題。

具體想法就是把程序模塊中共享的指令部分在加載時(shí)不需要因?yàn)榧虞d地址的改變而改變。把指令中那些需要被修改的部分分離出來，跟數(shù)據(jù)部分放在一起，這樣指令部分就可以保持不變，而數(shù)據(jù)部分可以在每個(gè)進(jìn)程中擁有一個(gè)副本。這種方案就是目前的地址無關(guān)代碼（PIC）技術(shù)。

具體方法：先分析模塊中各種類型的地址引用方式，把共享對(duì)象模塊中地址引用按照是否跨模塊分為兩類：模塊內(nèi)部引用和模塊外部引用。按照不同的引用方式又可以分為指令引用和數(shù)據(jù)訪問。

1. 第一種是模塊內(nèi)部的函數(shù)調(diào)用、跳轉(zhuǎn)等。
 2. 第二種是模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)訪問，比如模塊中定義的全局變量、靜態(tài)變量。
 3. 第三種是模塊外部的函數(shù)調(diào)用、跳轉(zhuǎn)等。
 4. 第四種是模塊外部的數(shù)據(jù)訪問，比如其它模塊中定義的全局變量。

全局偏移表（GOT）

對(duì)于類型三，我們需要用到代碼地址無關(guān)（PIC）技術(shù)，基本的思想就是把跟地址相關(guān)部分放到數(shù)據(jù)段里面。ELF 的做法是在數(shù)據(jù)段里建立一個(gè)指向這些變量的指針數(shù)組，稱為全局偏移表（GOT），當(dāng)代碼需要引用該全局變量時(shí)，可以通過 GOT 中相對(duì)應(yīng)的項(xiàng)間接引用。由于 GOT 本身是放在數(shù)據(jù)段的，所以它可以在模塊裝載時(shí)被修改，并且每個(gè)進(jìn)程都可以有獨(dú)立的副本，相互不受影響。

對(duì)于跨模塊的數(shù)據(jù)訪問也是如此，不做細(xì)致分析了。

3 uboot 啟動(dòng)流程第 1 階段

主要脈絡(luò)：部分硬件初始化 -> 加載完整的 uboot 到 RAM -> 跳轉(zhuǎn)到第 2 階段入口開始執(zhí)行

第 1 階段主要用到的文件是：

start.S 文件，位于u-boot/cpu/arm920t/start.S

lowlevel_init.S 文件，位于u-boot/board/smdk2410/lowlevel_init.S

3.1 start.S 文件分析

文件位置：

1. 啟動(dòng) -_start

查看下面的代碼：

_start:                                 # 異常處理向量表
b start_code
ldr pc, _undefined_instruction          # 未定義指令異常：0x00000004
ldr pc, _software_interrupt             # 軟中斷異常:0x00000008
ldr pc, _prefetch_abort                 # 預(yù)取異常：0x0000000C
ldr pc, _data_abort                     # 數(shù)據(jù)異常:0x00000010
ldr pc, _not_used                       # 未使用：0x00000014
ldr pc, _irq                            # 外部中斷請(qǐng)求IRQ:0x00000018
ldr pc, _fiq                            # 快束中斷請(qǐng)求FIQ:0x0000001C

從上面的內(nèi)容可以看出，除第 1 行代碼之外，其余代碼都是跳轉(zhuǎn)到特定位置去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。

正常情況下，程序的執(zhí)行流程是不會(huì)走到中斷處理流程中去的，而是直接跳轉(zhuǎn)到 reset 處開始執(zhí)行。那我們接下來就看 reset 處的代碼都干了什么。

2. reset - 設(shè)置超級(jí)管理模式

設(shè)置 CPU 為 SVC32 模式，即超級(jí)管理權(quán)限模式

start_code:
    mrs r0,cpsr             # 將程序狀態(tài)寄存器讀取到通用寄存器R0
    bic r0,r0,#0x1f         # 清除當(dāng)前的工作模式
    orr r0,r0,#0xd3         # 設(shè)置超級(jí)管理員權(quán)限
    msr cpsr,r0             # 將結(jié)果寫回到CPSR寄存器

cpsr 是 ARM 體系結(jié)構(gòu)中的程序狀態(tài)寄存器，其結(jié)構(gòu)如下：

M[4:0]	CPU 模式	可訪問寄存器	說明
0b10000	user	pc,R14~R0,CPSR	正常 ARM 程序執(zhí)行狀態(tài)
0b10001	FIQ	PC,R14_FIQ-R8_FIQ,R7~R0,CPSR,SPSR_FIQ	為支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸或通道處理設(shè)計(jì)
0b10010	IRQ	PC,R14_IRQ-R13_IRQ,R12~R0,CPSR,SPSR_IRQ	用于一般用途的中斷處理
0b10011	SUPERVISOR	PC,R14_SVC-R13_SVC,R12~R0,CPSR,SPSR_SVC	操作系統(tǒng)保護(hù)模式
0b10111	ABORT	PC,R14_ABT-R13_ABT,R12~R0,CPSR,SPSR_ABT	數(shù)據(jù)或指令預(yù)取中止后進(jìn)入
0b11011	UNDEFINED	PC,R14_UND-R8_UND,R12~R0,CPSR,SPSR_UND	執(zhí)行未定義指令時(shí)進(jìn)入
0b11111	SYSTEM	PC,R14-R0,CPSR(ARM V4 以及更高版本）	操作系統(tǒng)的特權(quán)用戶模式

I、F、T 三位如果寫 1 即禁用，所以 reset 后面的 4 句操作的結(jié)果為設(shè)置 CPU 為 SUPERVISOR 模式且禁用中斷。那為什么選擇這個(gè)模式呢？

首先，可以排除的就是 ABORT 和 UNDEFINED 模式，看上去就不像正常模式。

其次，對(duì)于快速中斷 fiq 和中斷 irq 來說，此處 uboot 初始化的時(shí)候，也還沒啥中斷要處理和能夠處理，而且即使是注冊(cè)了終端服務(wù)程序后，
能夠處理中斷，那么這兩種模式，也是自動(dòng)切換過去的，所以，此處也不應(yīng)該設(shè)置為其中任何一種模式。

于 usr 模式，由于此模式無法直接訪問很多的硬件資源，而 uboot 初始化，就必須要去訪問這類資源，所以此處可以排除，不能設(shè)置為用戶 usr 模式。

而 svc 模式本身就屬于特權(quán)模式，本身就可以訪問那些受控資源，而且，比 sys 模式還多了些自己模式下的影子寄存器，所以，相對(duì) sys 模式來說，
可以訪問資源的能力相同，但是擁有更多的硬件資源。

3. 關(guān)閉看門狗

ldr     r0, =pWTCON         # 取得看門狗寄存器的地址
mov     r1, #0x0            # 將R1寄存器清0
str     r1, [r0]            # 將看門狗寄存器清0，即將看門狗禁止，包括定時(shí)器定時(shí)，溢出中斷及溢出復(fù)位等

4. 關(guān)中斷

mov r1, #0xffffffff         # 設(shè)R1寄存器為0xFFFF FFFF
ldr r0, =INTMSK             # 讀取中斷屏蔽寄存器的地址
str r1, [r0]                # 將中斷屏蔽寄存器中的位全設(shè)1,屏蔽所有中斷

ldr r1, =INTSUBMSK_val      # 設(shè)R1寄存器為0xFFFF
ldr r0, =INTSUBMSK          # 讀取輔助中斷屏蔽寄存器的地址
str r1, [r0]                # 將輔助中斷屏蔽寄中的11個(gè)中斷信號(hào)屏蔽掉，本人覺得INTSUBMS_val應(yīng)設(shè)成7ff

5. 設(shè)置時(shí)鐘

6. 關(guān)閉 MMU，設(shè)置 ARM 時(shí)序

#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
cpu_init_crit:
    // 使I/D cache失效：協(xié)處理寄存器操作，將r0中的數(shù)據(jù)寫入到協(xié)處理器p15的c7中，c7對(duì)應(yīng)cp15的cache控制寄存器
    mov r0, #0
    mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0   /* flush v3/v4 cache */
    mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0   /* flush v4 TLB */ 使TLB操作寄存器失效：將r0數(shù)據(jù)送到cp15的c8、c7中。C8對(duì)應(yīng)TLB操作寄存器

    /*
     * 禁用MMU和緩存
     */
    mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0   // 將c1、c0的值寫入到r0中
    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   // 將設(shè)置好的r0值寫入到協(xié)處理器p15的c1、c0中，關(guān)閉MMU

    /*
     * 在重加載之前，我們必須設(shè)置RAM的時(shí)序，因?yàn)閮?nèi)存的時(shí)序依賴于板子，
     * 在board目錄下可以發(fā)現(xiàn)lowlevel_init.S文件
     */
    mov ip, lr                  // 將lr寄存器內(nèi)容保存到ip寄存器中，用于子程序調(diào)用返回
#if defined(CONFIG_AT91RM9200DK) || defined(CONFIG_AT91RM9200EK) || defined(CONFIG_AT91RM9200DF)
#else
    bl  lowlevel_init           // 跳轉(zhuǎn)到`lowlevel_init`地址執(zhí)行
#endif
    mov lr, ip
    mov pc, lr
#endif /* CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT */

1. Cache 是什么呢？

Cache 是處理器內(nèi)部的一個(gè)高速緩存單元，為了應(yīng)對(duì)處理器和外部存儲(chǔ)器之間的速度不匹配而設(shè)立的。其速度要比內(nèi)存的讀寫速度快好多，接近處理器的工作速度，一般處理器從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)到 Cache 中，到下次再用到數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)先去 cache 中查找，如果 cache 中存在的話，就不會(huì)訪問內(nèi)存了，用以提高系統(tǒng)性能。

2. 系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)為什么關(guān)閉 Cache？

從上面的解釋中，可以看出，在系統(tǒng)未初始化完成時(shí)，代碼還沒有轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中，也就是說，我們還沒有用到內(nèi)存，先將 MMU 和 Cache 關(guān)閉，以免發(fā)生不可預(yù)料的錯(cuò)誤。

3. 怎樣使 Cache 中的數(shù)據(jù)無效？

見上面的代碼。

3.2 lowlevel_init.S 文件分析

3.2.1 RAM 初始化

這一步主要完成 RAM 的初始化，也就是通過寫控制 RAM 的寄存器，對(duì)寄存器的存取方式進(jìn)行控制。主要代碼位于文件lowlevel_init.S中。

lowlevel_init.S文件內(nèi)容如下：

lowlevel_init:
    /* memory control configuration */
    /* make r0 relative the current location so that it */
    /* reads SMRDATA out of FLASH rather than memory ! */
    ldr r0, =SMRDATA                    // 讀取下面標(biāo)號(hào)為SMRDATA處的地址到R0中
    ldr r1, _TEXT_BASE                  // 程序的加載地址 TEXT_BASE = 0x33F80000 到 R1中
    sub r0, r0, r1                      // 計(jì)算SMRDATA的相對(duì)地址保存到R0中，
                                        /* SMRDATA為虛擬地址,而TEXT_BASE為虛擬地址的起始地址
                                         * TEXT_BASE為0x33F8 0000,SMRDATA為0x33F8 06C8
                                         * 而現(xiàn)在程序運(yùn)行在起始地址為0x0000 0000的地方
                                         * 所以需要計(jì)算以0x0000 0000為標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)地址 */
    ldr r1, =BWSCON                     // 取得帶寬與等待狀態(tài)控制寄存器地址到R1中，也就是控制內(nèi)存的寄存器的首地址
    add r2, r0, #13*4                   // R2保存要操作的寄存器的個(gè)數(shù)，在這兒是13
0:
    ldr     r3, [r0], #4                // 數(shù)據(jù)處理后R0自加4，[R0]->R3，R0+4->R0
    str     r3, [r1], #4                // 將這些數(shù)據(jù)寫入到控制內(nèi)存的寄存器中。
    cmp     r2, r0                      // 循環(huán)從Flash中讀取13個(gè)Word大小的值到內(nèi)存中
    bne     0b

    mov pc, lr                          // 返回函數(shù)lowlevel_init()的調(diào)用地方

    .ltorg
/* the literal pools origin */

SMRDATA:
    .word (0+(B1_BWSCON<<4)+(B2_BWSCON<<8)+(B3_BWSCON<<12)+(B4_BWSCON<<16)+(B5_BWSCON<<20)+(B6_BWSCON<<24)+(B7_BWSCON<<28))
    .word ((B0_Tacs<<13)+(B0_Tcos<<11)+(B0_Tacc<<8)+(B0_Tcoh<<6)+(B0_Tah<<4)+(B0_Tacp<<2)+(B0_PMC))
    .word ((B1_Tacs<<13)+(B1_Tcos<<11)+(B1_Tacc<<8)+(B1_Tcoh<<6)+(B1_Tah<<4)+(B1_Tacp<<2)+(B1_PMC))
    .word ((B2_Tacs<<13)+(B2_Tcos<<11)+(B2_Tacc<<8)+(B2_Tcoh<<6)+(B2_Tah<<4)+(B2_Tacp<<2)+(B2_PMC))
    .word ((B3_Tacs<<13)+(B3_Tcos<<11)+(B3_Tacc<<8)+(B3_Tcoh<<6)+(B3_Tah<<4)+(B3_Tacp<<2)+(B3_PMC))
    .word ((B4_Tacs<<13)+(B4_Tcos<<11)+(B4_Tacc<<8)+(B4_Tcoh<<6)+(B4_Tah<<4)+(B4_Tacp<<2)+(B4_PMC))
    .word ((B5_Tacs<<13)+(B5_Tcos<<11)+(B5_Tacc<<8)+(B5_Tcoh<<6)+(B5_Tah<<4)+(B5_Tacp<<2)+(B5_PMC))
    .word ((B6_MT<<15)+(B6_Trcd<<2)+(B6_SCAN))
    .word ((B7_MT<<15)+(B7_Trcd<<2)+(B7_SCAN))
    //設(shè)置REFRESH,在S3C2440中11～17位是保留的，也即(Tchr<<16)無意義
    .word ((REFEN<<23)+(TREFMD<<22)+(Trp<<20)+(Trc<<18)+(Tchr<<16)+REFCNT)
    .word 0x32      // 設(shè)置BANKSIZE,對(duì)于容量可以設(shè)置大寫，多出來的空內(nèi)存會(huì)被自動(dòng)檢測(cè)出來
    .word 0x30      // 設(shè)置MRSRB6
    .word 0x30      // 設(shè)置MRSRB7

3.2.2 Uboot 代碼加載

#ifndef CONFIG_SKIP_RELOCATE_UBOOT
    adr r0, _start          /* r0保存當(dāng)前程序的位置 */
relocate:                   /* 將uboot代碼重定位到RAM中 */
    teq r0, #0              /* 測(cè)試是否從地址0開始運(yùn)行 */
    bleq    may_resume      /* yes -> do low-level setup */

    adr r0, _start          /* 上面的代碼有可能會(huì)破會(huì)r0中的值 */
    ldr r1, _TEXT_BASE      /* 測(cè)試從Flash還是RAM中運(yùn)行程序，它們的地址是不一樣的 */
    cmp r0, r1              /* 在debug期間不需要重定位，直接在Flash中運(yùn)行代碼 */
    beq     done_relocate

    ldr r2, _armboot_start
    ldr r3, _bss_start
    sub r2, r3, r2          /* 根據(jù)前面分析的uboot.lds文件可知，r3-r2就是uboot代碼的大小，將其存入寄存器r2中 */
    add r2, r0, r2          /* r0是程序的起始地址，加上uboot代碼的大小就是uboot代碼的結(jié)束地址 */

copy_loop:
    ldmia   r0!, {r3-r10}   /* 從源地址[r0]處開始拷貝 */
    stmia   r1!, {r3-r10}   /* 拷貝到目標(biāo)地址[r1]處 */
    cmp r0, r2              /* 直到源代碼結(jié)束地址[r2] */
    ble copy_loop

3.2.3 建立堆棧

設(shè)置堆棧，其中，_TEXT_BASE=0x33F80000，而CFG_MALLOC_LEN，CFG_GBL_DATA_SIZE，CONFIG_STACKSIZE_IRQ，CONFIG_STACKSIZE_FIQ在文件uboot/include/configs/mini2440.h文件中定義。

/* 建立堆棧 */
stack_setup:
    ldr r0, _TEXT_BASE                                          /* upper 128 KiB: relocated uboot   */
    sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN                                 /* malloc area */
    sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE                              /* bdinfo */
#ifdef CONFIG_USE_IRQ
    sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif
    sub sp, r0, #12                                         /* leave 3 words for abort-stack    */

3.2.4 清除 bss 段

clear_bss:
    ldr r0, _bss_start                                          /* find start of bss segment        */
    ldr r1, _bss_end                                            /* stop here                        */
    mov     r2, #0x00000000                                     /* clear                            */

clbss_l:str r2, [r0]                                            /* clear loop...                    */
    add r0, r0, #4
    cmp r0, r1
    ble clbss_l

3.2.5 跳轉(zhuǎn)到 uboot 第 2 階段

ldr pc, _start_armboot

_start_armboot: .word start_armboot

初始化外設(shè)完成之后，程序跳轉(zhuǎn)到 u-boot 第 2 階段的入口函數(shù)start_armboot。ldr pc，_start_armboot為絕對(duì)跳轉(zhuǎn)命令，pc 值等于_start_armboot的連接地址，程序跳到 SDRAM 中執(zhí)行。在此之前程序都是在 flash 中運(yùn)行的，絕對(duì)跳轉(zhuǎn)必須在初始 SDRAM，執(zhí)行代碼重定位之后才能進(jìn)行。

4 uboot 啟動(dòng)流程第 2 階段

第 2 階段，uboot 完成進(jìn)一步的硬件初始化，并設(shè)置了 uboot 下的命令行、環(huán)境變量、并跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核中。其主要用到的文件是：

board.c 文件，位于u-boot/lib_arm/board.c

main.c 文件，位于u-boot/common/main.c

4.1 初始化

void start_armboot (void)
{
    init_fnc_t **init_fnc_ptr;
    char *s;
#ifndef CFG_NO_FLASH
    ulong size;
#endif
#if defined(CONFIG_VFD) || defined(CONFIG_LCD)
    unsigned long addr;
#endif

    /* 在上面的代碼中g(shù)d的值綁定到寄存器r8中了 */
    gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));
    /* 為GCC >= 3.4以上的編譯進(jìn)行代碼優(yōu)化，而插入內(nèi)存barrier */
    __asm__ __volatile__("": : :"memory");

    memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t));
    gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));
    memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));

    monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;

    for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
        if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
            hang ();
        }
    }

首先，我們先來分析init_fnc_t **init_fnc_ptr;這行代碼。

要分析這行代碼，首先看指針數(shù)組init_fnc_t *init_sequence[]

typedef int (init_fnc_t) (void);

init_fnc_t *init_sequence[] = {
    cpu_init,               /* 與CPU相關(guān)的初始化 */
    board_init,             /* 與板子初始化相關(guān)的初始化 */
    interrupt_init,         /* 中斷初始化 */
    env_init,               /* 初始化環(huán)境變量 */
    init_baudrate,          /* 初始化波特率設(shè)置 */
    serial_init,            /* serial通信相關(guān)初始化 */
    console_init_f,         /* console初始化的第一部分 */
    display_banner,         /* say that we are here */
    // ...根據(jù)配置，還有一些其它的初始化
    dram_init,              /* 配置可用的RAM塊 */
    display_dram_config,
    NULL,
};

根據(jù)這兒的分析，我們就可以知道init_fnc_ptr就是一個(gè)函數(shù)指針。在后面的 for 循環(huán)中，將函數(shù)指針數(shù)組的首地址init_sequence賦值給init_fnc_ptr，然后循環(huán)，對(duì)所有的硬件進(jìn)行初始化。

而對(duì)于代碼gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));確實(shí)有些抽象。而要分析它，必須看一下下面這個(gè)宏定義：

DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;        //在board.c最上面

而它的定義如下：

#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR     register volatile gd_t *gd asm ("r8")

這個(gè)聲明，告訴編譯器使用寄存器 r8 來存儲(chǔ) gd_t 類型的指針 gd，即這個(gè)定義聲明了一個(gè)指針，并且指明了它的存儲(chǔ)位置。也就是說，我們聲明了一個(gè)寄存器變量，它的初始值為_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t)，也就是0x33F80000-(0x20000+2048*1024)-0x24。也就是說，gd 指向了一段可用的內(nèi)存區(qū)域，而這段內(nèi)存區(qū)域相當(dāng)于 u-boot 的全局變量。

那指針 gd 指向的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到底是什么呢？為什么要設(shè)置這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)呢？那么接下來讓我們看一下這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)吧。

typedef struct  global_data {
    bd_t            *bd;
    unsigned long   flags;
    unsigned long   baudrate;
    unsigned long   have_console;   /* serial_init() 函數(shù)被調(diào)用 */
    unsigned long   reloc_off;      /* Relocation Offset */
    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 */
#ifdef CONFIG_VFD
    unsigned char   vfd_type;       /* display type */
#endif
    void            **jt;           /* jump table */
} gd_t;

這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)初始化的最小全局變量值，主要在 boot 引導(dǎo)的早期使用，直到我們?cè)O(shè)置好內(nèi)存控制器并能夠訪問 RAM。注意，保證CFG_GBL_DATA_SIZE大于sizeof（gd_t）。

對(duì)于其中的變量，我們進(jìn)行重點(diǎn)分析。bd_t *bd;這句話中，結(jié)構(gòu)體bd_t的內(nèi)容如下：

typedef struct bd_info {
    int             bi_baudrate;    /* 串口控制臺(tái)波特率 */
    unsigned long   bi_ip_addr;     /* IP 地址 */
    unsigned char   bi_enetaddr[6]; /* Ethernet adress */
    struct environment_s *bi_env;
    ulong           bi_arch_number; /* 該板唯一的ID */
    ulong           bi_boot_params; /* 存放參數(shù)的地方 */
    struct                          /* RAM配置 */
    {
        ulong start;
        ulong size;
    }               bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS];
    // ......
} bd_t;

從上面的代碼中，可以看出，在該結(jié)構(gòu)體內(nèi)，存放著 boot 引導(dǎo)前期，系統(tǒng)初始化的最小集合。要么通過串口打印，要么通過網(wǎng)絡(luò)打印進(jìn)行人機(jī)交互。

// ...... 此處，如果有LCD等設(shè)備，為其準(zhǔn)備內(nèi)存空間
    /* armboot_start在與板子相關(guān)的鏈接腳本文件中定義，初始化動(dòng)態(tài)內(nèi)存 */
    mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);

    // 其他存儲(chǔ)空間的初始化

    env_relocate ();        /* 初始化環(huán)境變量 */

    gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");  /* 得到IP地址 */

    /* 獲取MAC地址 */
    {
        int i;
        ulong reg;
        char *s, *e;
        char tmp[64];

        i = getenv_r ("ethaddr", tmp, sizeof (tmp));
        s = (i > 0) ? tmp : NULL;

        for (reg = 0; reg < 6; ++reg) {
            gd->bd->bi_enetaddr[reg] = s ? simple_strtoul (s, &e, 16) : 0;
            if (s)
                s = (*e) ? e + 1 : e;
        }
        // ...
    }

    devices_init ();        /* 獲取設(shè)備列表 */

    jumptable_init ();

    console_init_r ();      /* 將完全初始化的控制臺(tái)作為一個(gè)設(shè)備 */

    enable_interrupts ();   /* 使能異常中斷 */

    /* 如果有必要，執(zhí)行網(wǎng)卡的初始化工作 */

    /* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again. */
    for (;;) {
        main_loop ();
    }

    /* 不可到達(dá) */
}

4.2 加載內(nèi)核

首先，我們將main_loop函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如下圖所示。這個(gè)流程非常簡(jiǎn)單明了。

void main_loop (void)
{
    static char lastcommand[CFG_CBSIZE] = { 0, };
    int len;
    int rc = 1;
    int flag;

    char *s;
    int bootdelay;

    s = getenv ("bootdelay");               // 獲取延時(shí)時(shí)間
    bootdelay = s ? (int)simple_strtol(s, NULL, 10) : CONFIG_BOOTDELAY;

    s = getenv ("bootcmd");                 // 獲取引導(dǎo)命令

    // 判斷延時(shí)時(shí)間是否到，到了的話直接執(zhí)行引導(dǎo)命令；如果在此期間有按鍵按下，則進(jìn)入For循環(huán)
    if (!nobootdelay && bootdelay >= 0 && s && !abortboot (bootdelay)) {
        run_command (s, 0);
    }

    // 主循環(huán)，監(jiān)控命令，并根據(jù)命令作出相應(yīng)的處理
    for (;;) {
        len = readline (CFG_PROMPT);
        flag = 0;                                       /* assume no special flags for now */
        if (len > 0)
            strcpy (lastcommand, console_buffer);
        else if (len == 0)
            flag |= CMD_FLAG_REPEAT;
        // ......其它代碼
        if (len == -1)
            puts ("
");
        else
            rc = run_command (lastcommand, flag);       /* 執(zhí)行命令 */

        if (rc <= 0) {
            lastcommand[0] = 0;                         /* 非法的或不可重復(fù)的命令 */
        }
    }
}

下面我們來看run_command函數(shù)的內(nèi)容，看看到底在執(zhí)行什么。經(jīng)簡(jiǎn)化可得，這個(gè)函數(shù)有 2 種流程，一種是按照 hush 表查找命令，另一種就是下面這個(gè)，簡(jiǎn)單粗暴：

int run_command(const char *cmd, int flag)
{
    if (builtin_run_command(cmd, flag) == -1)
        return 1;
    return 0;
}

那么，我們?cè)賮砜春瘮?shù)builtin_run_command：

static int builtin_run_command(const char *cmd, int flag)
{
    //合法性校驗(yàn)
    while (*str) {
        //特殊字符解析
        }
    process_macros (token, finaltoken); //宏展開，即完全解析命令

    //命令執(zhí)行過程
    if (cmd_process(flag, argc, argv, &repeatable))
        rc = -1;
    return rc ? rc : repeatable;
}

最后，我們?cè)賮砜匆幌潞瘮?shù)cmd_process:

cmd_process(int flag, int argc, char * const argv[],
                   int *repeatable)
{
    cmd_tbl_t *cmdtp;

    cmdtp = find_cmd(argv[0]); //查找命令
    if (cmdtp == NULL) {
        printf("Unknown command '%s' - try 'help'
", argv[0]);
        return 1;
    }

    if (argc > cmdtp->maxargs)
        rc = CMD_RET_USAGE;

    /* If OK so far, then do the command */
    if (!rc) {
        rc = cmd_call(cmdtp, flag, argc, argv); //真正的執(zhí)行命令
        *repeatable &= cmdtp->repeatable;
    }
    return rc;
}

至此，uboot 的使命便完成了，將執(zhí)行的權(quán)利交給 linux 內(nèi)核。

審核編輯：湯梓紅