19. Cortex-A9 uboot启动代码详解
本篇文章是彭老师第一次在B站直播间，边直播边记录笔记，视频已经上传到B站。
现在完善整理成该篇文章，有想学习uboot启动的代码详细流程的老铁可以进入我B站空间配合视频一起学习。
B站用户名：一口Linux
ARM系列文章，请点击以下汇总链接：
《从0学arm合集》
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、uboot
1. 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 |
|---|---|
| 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 |
| ethaddr | 以太网的MAC地址 |
| netmask | 以太网的网络掩码 |
| 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。 |
| 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 |
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：
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ip
setenv serverip 192.168.6.186 ;虚拟机的ip
setenv 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nfs
setenv 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/nfs nfsroot=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linuxrc ip=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。
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
四、uboot启动流程代码详解
1. lds文件
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", "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 }
2. 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。
3. 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
第二阶段代码从_main开始:
以上代码详细解释，请结合B站视频同步学习。
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学ARM-什么是位置无关码？》
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，在公众号后台回复 【uboot2013】即可获得。
推荐阅读
【1】18.基于Cortex-A9 SPI、MCP2515详解必读【2】网络/命令行抓包工具tcpdump详解
【3】13.一文搞懂Cortex-A9 RTC 必读【4】DNS 原理入门指南
【5】14. 从0学ARM Cortex-A9 看门狗入门【6】apt 和 apt-get 之间有什么区别？必读
【7】16.从0学arm，基于Cortex-A9 ADC裸机驱动详解
【8】17.基于Cortex-A9，i2c 外设详解必读【9】【粉丝问答8】用C语言在Linux下实现CC2530上位机-1【10】CAN】嵌入式CAN总线入门篇(底层细节)必读
进群，请加一口君个人微信，带你嵌入式入门进阶。
在公众号内回复「1024」，即可免费获取学习资料，期待你的关注~