工程师实地讲解：剖析基于nanoPC-T3的U-Boot移植过程

  导读：前文对U-Boot架构设计做了分析，本文来梳理一下U-Boot在具体板子上的移植工作，主要记录整体思路、要点，以触类旁通而记之。

1.收集Boot相关信息

NanoPC-T3 是友善之臂为企业用户设计的主板，采用三星八核Cortex -A53架构的S5P6818处理器。其主要技术参数：

• CPU: S5P6818, 动态运行主频400Mhz--1.4GHz  8核

• DDR3 RAM: 1GB，采用2片K4B4G1646D

• SD: 标准SD卡槽一个

• eMMC：8GB

• HDMI: HDMI 1.4a, Type A型口，1080P高清显示

• DVP Camera接口: 24pin, 0.5mm间距，FPC贴片竖座

• GPIO扩展接口: 4个UART, 1路I2C, 1路SPI, 3路PWM,9个GPIO

• …

详细参见http://www.arm9.net/nanopc-t3.asp

1. 1   SOC Boot相关信息

需要将采用该SOC的方式以U-Boot引导，那么首先应该将Boot的相关信息进行收集分析。

支持的Boot模式：

• 外部静态存储器ExternalStatic Memory Boot

  
  

复位首条指令直接从外部静态存储器引导。

• 内部ROM boot

• NAND boot with Error Correction

• SD/MMC/SDFS (SD FAT File system) boot

• SPI Serial EEPROM boot

• UART boot

• USB Boot

自< SEC_S5P6818X_Users_Manual_preliminary_Ver_0.00.pdf>

SOC内置了20KB的iROMBOOT，这是一段固化的boot程序，通过识别外部Boot配置进入相应的Boot模式，完成内部boot到用户boot程序的第一阶段Boot。

从datasheet 看见该SOC内部实现了iROMBOOT，而SPL（Secondaryprogramloader）是u-boot第一阶段执行的代码。主要负责搬移u-boot第二阶段的代码到。iROMBOOT已经实现了这一功能，故不需要用户实现SPL了。

1.2 NanoPC-T3 板级信息

由于boot一般与板子的设计配置相关，大多由IO口配置进行选择，既然支持上述如何之多的Boot模式，那么拿到的板子又支持哪些引导模式呢？

从上图中可看出：

可见nanoPC T3仅支持SDMMC Boot模式，进入对应的章节，可看出支持三个SD通道。通过从SD存储卡，MMC存储卡和eMMC中读取iROMBOOT并通过使用SDHC模块将其加载到内存中，iROMBOOT执行用户启动代码。此方法称为SDHCBOOT。SDCLK输出400 kHz用于识别，输出24 MHz用于数据传输。

那么如何进入对应的通道呢？

SD3已经电路下拉为低：

• 默认CAM1_D3为高，用户boot通道默认为CH0，电路板设计为SD卡

SD卡是（secure digital memory card）安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，是在MMC基础上发展起来的，其内部存储介质大都为NAND Flash增加了两个主要特色:

可以设置所存储的使用权限，防止数据被他人复制；第二是传输速度比2.11版mmc卡快。

特性：

1）可选通信协议：SD模式和SPI模式

2）可变时钟频率：0~25MHz

3）通信电压范围：2.0~3.6V

4）数据寿命：10万次编程/擦除

5）正向兼容MMC卡；

6）运行在25M的频率上，数据带宽是4位，因此最大传输速率是12.5MHz(12.5兆字节每秒) <自百度知道>

• 按住BOOT按键，将板子上电，此时用户boot通道为SD CH2，此时为板载eMMC

eMMC (Embedded Multi Media Card）是MMC协会订立、主要针对手机或平板电脑等产品的内嵌式存储器标准规格。eMMC在封装中集成了一个控制器，提供标准接口并管理闪存，使得手机厂商就能专注于产品开发的其它部分，并缩短向市场推出产品的时间。其内部存储介质大都为NAND Flash。

硬件地址空间：

该SOC具有两个内存控制器：

• MCU-A：DDR3 / LVDDR3（低压DDR3）/ LPDDR3 / LPDDR2

• MCU-A由DREX和DDRPHY组成

• 支持DDR3 /LVDDR3（低压DDR3）/ LPDDR3 / LPDDR2内存

• 支持2 GB的8/16/32位SDRAM

• 单个存储区（32位数据总线宽度）

• 支持掉电模式

• 支持自我刷新模式

• MCU-S：静态存储器

• 静态内存

• Static两个静态存储芯片选择

• NAND闪存接口

• 23位地址支持使用锁存器地址

• SLC NAND，带ECC的MLC NAND（支持BCH算法）

• 静态内存映射阴影

故地址空间为：0x4000 0000—7FFF FFFF

开发调试需要实现串口交互，那么串口是哪一个？

板上网口采用什么芯片需要，RTL8211E-VB-CG    集成 10/100/1000M 以太网收发器，显示接口：RGB LCD接口/HDMI

至此，第一阶段收集了那些为移植需要准备的信息？

• S5P6818 ，8核，armv8,64位SOC

• Boot模式，SDMMC Boot模式，支持两个通道，默认通道Ch0板载eMMC, 按住Boot 按键，CH0:SD Boot，不需要SPL

• 内存地址：0x40000000—7FFF FFFF  1G DDR3(2片K4B4G1646D 4Gbit/chip)

• 控制台：UART0

• 网口：RTL8211E-VB-CG   集成10/100/1000M 以太网收发器。

• LCD：RGB LCD接口/HDMI

2.移植

2.1 明确移植内容

在具体实施之前，首先须总体上明确How to do：

2.2明确Boot流程

明确Boot流程，需要明确有哪些地方需要根据所选SOC,板级硬件设计做出移植：

如前文分析，u-boot的启动流程主要分亮部分。

第一阶段：芯片复位，执行复位跳转，从自各自芯片的start.S开始执行汇编代码

一般而言，start.S 位于- arch/ic_xxx/cpu/start.S

如：

- arch/arm/cpu/armv7/start.S

- arch/powerpc/cpu/mpc83xx/start.S

-arch/mips/cpu/start.S

为什么这是复位入口呢？这取决于如何链接，由u-boot.lds指定：

链接文件位于./arch/arm/cpu/armv8/u-boot.lds

注：因为nanoPC-T3 S5P6818的SOC是一颗8核A53核，A53是armv8架构。

第二阶段：lowlevel_init()，board_init_f()，board_init_r()：

lowlevel_init()：

• 目的：允许执行达到oard_init_f()的基本初始化

• 没有global_data或BSS。

• 没有堆栈（ARMv7可能有一个堆栈，但是很快就会被删除）

• 不得设置SDRAM或使用控制台

• 必须只做最少的工作，以允许执行继续到board_init_f()

• 几乎不需要

• 从此函数正常返回

board_init_f()：

• 目的：初始化CPU运行环境以准备运行board_init_r()：即初始化SDRAM和UART

• global_data可用

• 堆栈位于SRAM中

• BSS不可用，因此您不能使用全局/静态变量，只能使用堆栈变量和global_data

• 非SPL特定说明：

• 调用dram_init()设置DRAM。 如果已经在SPL中完成，则无法执行任何操作

• SPL特定说明：

• 可以根据需要使用自己的版本覆盖整个board_init_f()函数。

• preloader_console_init()可以在依据需要调用

• 须初始化SDRAM，以及初始化UART

• -不需要清除BSS段，由crt0.S完成

• -必须从此函数正常返回(不要直接调用board_init_r())

此处清除了BSS。对于SPL，如果定义了CONFIG_SPL_STACK_R，则此时将堆栈和global_data重定位到CONFIG_SPL_STACK_R_ADDR之下。 对于非SPL，U-Boot被重定位以在内存顶部运行。

board_init_r():

• 目的：主要执行，通用代码

• global_data可用

• SDRAM可用

• BSS可用，可以使用所有静态/全局变量

• 执行最终继续到main_loop() 

• 
  

• 非SPL特定说明：

• U-Boot重定位到内存顶部，并且现在从那里开始运行。 

• SPL特定说明：

• 如果定义了CONFIG_SPL_STACK_R并且

  CONFIG_SPL_STACK_R_ADDR指向SDRAM，则堆栈可选地位于SDRAM中

• 在这里可以调用preloader_console_init()-通常是通过定义CONFIG_SPL_BOARD_INIT然后提供包含此调用的spl_board_init()函数来完成的

• 加载U-Boot或(在falcon模式下)Linux

以上关于lowlevel_init()，board_init_f()，board_init_r()翻译自./README

这里有几个概念需要进一步解析，方便下面理解：

• 堆(heap)：堆的管理由C库实现的，Linux中是一般由Glibc,取决于选用什么C库。内存的获取与释放由程序员通过调用C库中的malloc/free进行操作，C库中的动态内存管理单元具体实现。大体上在工程中指定堆的大小，C库中的堆管理器将这片内存进行动态管理，这里需要用到一些数据结构算法对这片内存区进行动态管理。如果要对堆的管理实现进行分析，可以参考glibc的源代码。

• 栈(stack)：由编译器实现栈的管理，由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

堆/栈的大小由下面的宏定义：

• CONFIG_SYS_MALLOC_LEN    指定堆大小

• CONFIG_SYS_RESERVE_MEM_SIZE/ CONFIG_SYS_MALLOC_LEN 一起指定栈大小

Stack size= CONFIG_SYS_RESERVE_MEM_SIZE-

                   CONFIG_SYS_MALLOC_LEN

如下图所示：

这几个宏定义了内存上界、堆上下界、栈的上下界有编译器、C库实现越界保护机制。

global_data：

该结构体收集板子的基本信息，内存，名称，CPU时钟，环境变量，标准IO，设备驱动句柄等等。

红色部分信息将堆分配情况与U-Boot全局数据结构关联。

• bss段：bss段（bss segment）通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。bss是英文Block Started by Symbol的简称。bss段属于静态内存分配。

• data段：数据段（data segment）通常是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。　　数据段属于静态内存分配。

• text段：代码段（code segment/text segment）通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。　　这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于只读(某些架构也允许代码段为可写，即允许修改程序)。在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量等。

  一个程序本质上由这三个段由链接器链接而成。

2.3 创建板子文件

位置board/my_vendor/my_board/my_board.c, 对于nanoPC-T3而言

./board/s5p6818/nanopi3/ board.c

• dram_init 实现内存初始化

• board_init 实现GPIO初始化、启动设备初始化等操作，这与板子的硬件息息相关。

  需声明DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR指针，因为本模块需要对gd成员进行初始化，ARM32等价于r9寄存器，ARM64等价于寄存器x18

位于./arch/arm/include/asm/global_data.h

2.4 创建Kconfig配置文件

board/my_vendor/my_board/Kconfig

需定义Kconfig对于board需要的相关变量SYS_BOARD，SYS_VENDOR，SYS_CONFIG_NAME。

由于S5P6818是一颗64位芯片，那么32位/64位将变成可选配置。故这里新创建了S5P6818_FEATURES用以配置32位/64位，当取值为no表示为32位配置。

• SYS_BOARD，SYS_VENDOR 用于给kuild识别在那个board,verder目录需去编译相应源文件

• SYS_CONFIG_NAME 用于给kuild识别在哪里去寻找板子头文件

include/configs/SYS_CONFIG_NAME.h

其工作原理如下：

2.6 创建板子Makefile

board/my_vendor/my_board/Makefile 对nanoPC-T3而言：

obj-y:=board.o hwrev.o onewire.o lcds.o

由于需要实现LCD以及单线触摸控制器，则需要将上述文件编译。

2.7 创建板子defconfig

configs/my_board_defconfig, 对nanoPC-T3而言：

s5p6818_nanopi3

_defconfig

对于新版的U-boot已支持make menuconfig,可以运行该命令进行其他配置，然后将生成的.config文件拷贝至此。

mv .config ./configs/s5p6818_nanopi3_defconfig

主要裁剪支持的驱动，以及shell命令等

注：旧版本的U-Boot使用boards.cfg添加板子。

2.8 创建板子头文件

include/confi gs/my_board.h，对nanoPC-T3而言：

include/confi gs/ s5p6818_nanopi3.h

 环境变量：

这些定义由./common下环境变量管理模块负责维护，其结构体定义如下，主要为字符串常量。

2.8 引导分析

为了能够重新映射内存，U-Boot随后跳至其链接地址。为了能够在C中实现初始化代码，在内部双端RAM中设置了一个（很小的）初始堆栈（如果CPU提供了诸如MPC8xx或MPC8260之类的功能），或者在数据的锁定部分中缓存。之后，U-Boot初始化CPU内核，缓存和SIU。

接下来，使用初步映射来映射所有可用的存储体。例如，将它们放在512 MB边界上（0x20000000的倍数：0x00000000和0x20000000上的SDRAM，0x40000000和0x60000000上的Flash，0x80000000上的SRAM）。然后，将UPMA编程用于SDRAM访问。使用临时配置，将运行简单的内存测试，以确定SDRAM存储区的大小。

如果有多个SDRAM存储区，并且存储区的大小不同，则首先映射最大的存储区。对于相等的大小，将首先映射第一个存储区（CS2＃）。第一个映射始终是针对地址0x00000000的，后面紧跟着任何其他存储区以创建从0开始的连续存储器。

然后，监视器将自身安装在SDRAM区域的高端，并分配内存供malloc()和全局Board Info数据使用；同样，将异常矢量代码复制到低RAM页面中，并建立最终堆栈。

只有在此重定位之后，才能拥有“正常”的C环境。由于受到多种方式的限制，主要是因为从ROM运行，并且必须将代码重定位到RAM中的新地址运行。

至于上述过程重定向，主要利用链接绑定以实现符号表位置可知，从将u-boot映象拷贝到内存可实现运行切换。

/*指定输出格式elf64-littleaarch64*/OUTPUT_FORMAT("elf64-littleaarch64", "elf64-littleaarch64", "elf64-littleaarch64")OUTPUT_ARCH(aarch64) /*指定arch类型*/ENTRY(_start) /*指定入口为start.oSECTIONS{  . = 0x00000000;/**/
 . = ALIGN(8);/*64位 故应8字节对齐*/  .text : /*text段*/ { *(.__image_copy_start) /*映象拷贝起始位置*/ CPUDIR/start.o (.text*) *(.text*) }
  /*定义只读数据段*/ . = ALIGN(8); .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }
 . = ALIGN(8); .data : {/*定义数据段*/ *(.data*) }
 . = ALIGN(8);
 . = .; /* .u_boot_list：所有以u_boot_list名称开始的段， 都链接于此，主要是一些uboot 命令相关代码；  KEEP关键字是为了保证所有的段都被加进来， SORT表示按照u_boot_list*后的段名子进行排序 */ . = ALIGN(8); .u_boot_list : { KEEP(*(SORT(.u_boot_list*))); }
 . = ALIGN(8);/*__image_copy_ end存放了一个地址，取值待链接时确定， 相当于创建一个位置标签；  代表程序重定位(relocate)时拷贝的结束地址 */ .image_copy_end : { *(.__image_copy_end) }
 . = ALIGN(8);/*  此处含义与__image_copy_start相同，定义一个位置标签， 表示重定位时全局变量的LABLE的起始地址； 关于重定位代码的说明需要另外说明 */ .rel_dyn_start : { *(.__rel_dyn_start) } /*.rel.dyn：存放重定位代码时全局变量的位置信息*/ .rela.dyn : { *(.rela*) }
 /*  __rel_dyn_end存放了一个地址，取值待链接时确定， 相当于创建一个位置标签； 表示重定位时全局变量的LABLE的结束地址 */ .rel_dyn_end : { *(.__rel_dyn_end) }  /*.end代码结束段*/ _end = .;
 . = ALIGN(8); /*bss段起始*/ .bss_start : { KEEP(*(.__bss_start)); }
 .bss : { *(.bss*) . = ALIGN(8); }
 /*bss段结束*/ .bss_end : { KEEP(*(.__bss_end)); }
  /*.dynstr动态连接符号表的字符串部分，与.dynsym联用*/ /DISCARD/ : { *(.dynsym) } /DISCARD/ : { *(.dynstr*) } /DISCARD/ : { *(.dynamic*) }
 /DISCARD/ : { *(.plt*) } /*过程连接表(Procedure Linking Table)*/ /DISCARD/ : { *(.interp*) } /DISCARD/ : { *(.gnu*) }}

而在./arch/arm/lib/sections.c 定义了对应的全局符号，这样就实现了链接地址绑定：

char __bss_start[0] __attribute__((section(".__bss_start")));char __bss_end[0] __attribute__((section(".__bss_end")));char __image_copy_start[0] __attribute__((section(".__image_copy_start")));char __image_copy_end[0] __attribute__((section(".__image_copy_end")));char __rel_dyn_start[0] __attribute__((section(".__rel_dyn_start")));char __rel_dyn_end[0] __attribute__((section(".__rel_dyn_end")));char __secure_start[0] __attribute__((section(".__secure_start")));char __secure_end[0] __attribute__((section(".__secure_end")));char _end[0] __attribute__((section(".__end")));

下面对crt0_64.S 汇编代码做简要注释帮助理解重定向过程：

ENTRY(_main) /*声明入口*//* * Set up initial C runtime environment and call board_init_f(0). */ /*利用load/store指令装载   CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR地址 给SP指针   为调用board_init_f创建C运行环境*/#if defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK) ldr x0, =(CONFIG_SPL_STACK)#else ldr x0, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)#endif bic sp, x0, #0xf /* 16-byte alignment for ABI compliance */ bl board_init_f_mem mov sp, x0
 mov x0, #0 bl board_init_f /*调用board_init_f*//*注：B或BL指令引起处理器转移到“子程序名”处开始执行。两者的不同之处在于BL指令在转移到子程序执行之前，将其下一条指令的地址拷贝到R14（LR,链接寄存器）。由于BL指令保存了下条指令的地址，因此使用指令“MOV PC ,LR”即可实现子程序的返回。而B指令则无法实现子程序的返回，只能实现单纯的跳转。 用户在编程的时候，可根据具体应用选用合适的子程序调用语句。*/
/*如果SPL没有使能*/#if !defined(CONFIG_SPL_BUILD)/* * Set up intermediate environment (new sp and gd) and call * relocate_code(addr_moni). Trick here is that we'll return * 'here' but relocated. */ ldr x0, [x18, #GD_START_ADDR_SP] /* x0 <- gd->start_addr_sp */ bic sp, x0, #0xf /* 16-byte alignment for ABI compliance */ ldr x18, [x18, #GD_BD] /* x18 <- gd->bd */ sub x18, x18, #GD_SIZE /* new GD is below bd */
 adr lr, relocation_return ldr x9, [x18, #GD_RELOC_OFF] /* x9 <- gd->reloc_off */ add lr, lr, x9 /* new return address after relocation */ ldr x0, [x18, #GD_RELOCADDR] /* x0 <- gd->relocaddr */ b relocate_code
relocation_return:
/* Set up final (full) environment  */ bl c_runtime_cpu_setup /* still call old routine */
/* TODO: For SPL, call spl_relocate_stack_gd() to  alloc stack relocation */
/* Clear BSS section */ ldr x0, =__bss_start /* this is auto-relocated! */ ldr x1, =__bss_end /* this is auto-relocated! */ mov x2, #0clear_loop: str x2, [x0] add x0, x0, #8 cmp x0, x1 b.lo clear_loop
 /* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */ mov x0, x18 /* gd_t */ ldr x1, [x18, #GD_RELOCADDR] /* dest_addr */ b board_init_r /* PC relative jump */
 /* NOTREACHED - board_init_r() does not return */
#endif /* !CONFIG_SPL_BUILD */
ENDPROC(_main)

总结：

• 思路须清楚，不要一开始关注细节

• 采用渐进明细、逐步迭代的方法论

• u-boot 其核心在于将系统成功引导。

本文授权转载自公众号 “嵌入式客栈”，作者逸珺