原来Uboot是这样启动的！

嵌入式ARM 2023-05-26 12:01

TI MCU方案：电动汽车实时控制 【TI资料】基于新型C29内核的MCU技术资料

Pre

同大多数的Bootloader一样，uboot的启动过程也分为BL1、BL2两个阶段，分别对应着SPL和Uboot。

SPL（BL1阶段）：负责开发板的基础配置和设备初始化，并且搬运Uboot到内存中，由汇编代码和少量的C语言实现
Uboot（BL2阶段）：主要负责初始化外部设备，引导Kernel启动，由纯C语言实现。

本文主要介绍Uboot（BL2阶段）的启动流程，关于BL1阶段启动流程的详细分析，可以见我的后续文章。想要深入了解的，可以好好研究下！

一

程序执行流程图

我们先总体来看一下Uboot的执行步骤，这里以EMMC作为启动介质，进行分析！

无论是哪种启动介质，基本流程都相似，我们这就往下看！

打开图片，结合文档、图片、代码进行理解！

二

u-boot.lds——Uboot的入口函数

u-boot.lds：是uboot工程的链接脚本文件，对于工程的编译和链接有非常重要的作用，决定了uboot的组装，并且u-boot.lds链接文件中的ENTRY(_start)指定了uboot程序的入口地址。

如果不知道u-boot.lds放到在哪里，可以通过find -name u-boot.lds查找，根目录要进入到uboot的源码的位置哦！
如果查找结果有很多，结合自己的板子信息，确定自己使用的u-boot.lds。
当然，准确的方法是查看Makefile文件，分析出来u-boot.lds所生成的位置。

在u-boot.lds的文件中，可以看到.text段，存放的就是执行的文本段。截取部分代码段如下：

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
 . = 0x00000000;    @起始地址
 . = ALIGN(4);     @四字节对齐
 .text :   
 { 
  *(.__image_copy_start)  @映像文件复制起始地址
  *(.vectors)     @异常向量表
  arch/arm/cpu/armv7/start.o (.text*) @启动函数
 }
 ......
}

ENTRY(_start)：程序的入口函数，_start在arch/arm/lib/vectors.S中定义.globl _start
SECTIONS定义了段，包括text文本段、data数据段、bss段等。
__image_copy_start在System.map和u-boot.map中均有定义
arch/arm/cpu/armv7/start.o对应文件arch/arm/cpu/armv7/start.S，该文件中定义了main函数的入口。

Tip：上面只进行大概分析，有汇编经验的朋友，可以详细进行分析！

三

board_init_f——板级前置初始化

跟随上文的程序执行流程图，我们看board_init_f这个函数。其位于common/board_f.c。

void board_init_f(ulong boot_flags)
{
    gd->flags = boot_flags;
    gd->have_console = 0;

    if (initcall_run_list(init_sequence_f))
        hang();
}

static const init_fnc_t init_sequence_f[] = {
    setup_mon_len,
    ...
    log_init,
    arch_cpu_init,  /* basic arch cpu dependent setup */
    env_init,  /* initialize environment */
    ...       
    reloc_fdt,
    reloc_bootstage,
    reloc_bloblist,
    setup_reloc,
    ...
}

board_init_f()，其最核心的内容就是调用了init_sequence_f初始化序列，进行了一系列初始化的工作。

主要包括：串口、定时器、设备树、DM驱动模型等，另外还包括global_data结构体相关对象的变量。

详细分析，可以看文末的参考文章[1]

我们需要注意的一点就是，在初始化队列末尾，执行了几个reloc_xxx的函数，这几个函数实现了Uboot的重定向功能。

四

relocate_code重定向

重定向技术，可以说也算是Uboot的一个重点了，也就是将uboot自身镜像拷贝到ddr上的另外一个位置的动作。

4.1

为什么需要重定向呢？

一般需要重定向的条件如下：

uboot存储在只读存储器上，比如ROM、Nor flash，需要将代码拷贝到DDR上，才能完整运行Uboot。
为Kernel腾空间，Kernel一般会放在DDR的地段地址上，所以要把Uboot重定向到顶端地址，避免冲突。

4.2

Uboot是如何重定向的？

Uboot的重定向有如下几个步骤：

对relocate进行空间划分
计算uboot代码空间到relocate的位置的偏移
relocate旧的global_data到新的global_data空间上
relocate Uboot
修改relocate后的全局变量的label
relocate中断向量表

运行大致流程：

arch/arm/lib/crt0.S文件内，主要实现了：

ENTRY(_main)
    bl  board_init_f
@@ 在board_init_f里面实现了
@@                             （1）对relocate进行空间规划
@@                             （2）计算uboot代码空间到relocation的位置的偏移
@@                             （3）relocate旧的global_data到新的global_data的空间上

    ldr sp, [r9, #GD_START_ADDR_SP] /* sp = gd->start_addr_sp */
    bic sp, sp, #7  /* 8-byte alignment for ABI compliance */
    ldr r9, [r9, #GD_BD]        /* r9 = gd->bd */
    sub r9, r9, #GD_SIZE        /* new GD is below bd */
@@ 把新的global_data地址放在r9寄存器中

    adr lr, here
    ldr r0, [r9, #GD_RELOC_OFF]     /* r0 = gd->reloc_off */
    add lr, lr, r0
@@ 计算返回地址在新的uboot空间中的地址。b调用函数返回之后，就跳到了新的uboot代码空间中。

    ldr r0, [r9, #GD_RELOCADDR]     /* r0 = gd->relocaddr */
@@ 把uboot的新的地址空间放到r0寄存器中，作为relocate_code的参数
    b   relocate_code
@@ 跳转到relocate_code中，在这里面实现了
@@                                       （1）relocate旧的uboot代码空间到新的空间上去
@@                                       （2）修改relocate之后全局变量的label
@@ 注意，由于上述已经把lr寄存器重定义到uboot新的代码空间中了，所以返回之后，就已经跳到了新的代码空间了！！！！！！

    bl  relocate_vectors
@@ relocate中断向量表

setup_reloc——重定向地址查看（仿真有关）

在这里我们说明一下board_init_f里面的setup_reloc初始化函数

static int setup_reloc(void)
{
    if (gd->flags & GD_FLG_SKIP_RELOC) {
        debug("Skipping relocation due to flag\n");
        return 0;
    }

#ifdef CONFIG_SYS_TEXT_BASE
#ifdef ARM
    gd->reloc_off = gd->relocaddr - (unsigned long)__image_copy_start;
#elif defined(CONFIG_M68K)
    /*
     * On all ColdFire arch cpu, monitor code starts always
     * just after the default vector table location, so at 0x400
     */
    gd->reloc_off = gd->relocaddr - (CONFIG_SYS_TEXT_BASE + 0x400);
#elif !defined(CONFIG_SANDBOX)
    gd->reloc_off = gd->relocaddr - CONFIG_SYS_TEXT_BASE;
#endif
#endif
    memcpy(gd->new_gd, (char *)gd, sizeof(gd_t));

    debug("Relocation Offset is: %08lx\n", gd->reloc_off);
    if (is_debug_open()) {
        printf("Relocating to %08lx, new gd at %08lx, sp at %08lx\n",
              gd->relocaddr, (ulong)map_to_sysmem(gd->new_gd),
              gd->start_addr_sp);
    }

    return 0;
}

由于，Uboot进行了重定向，所以按照常规的地址仿真的话，我们可能访问到错误的内存空间，通过setup_reloc的Relocating to %08lx打印，我们可以得到重定向后的地址，方便我们仿真。

Uboot的重定向也有相当大的一部分知识点，上面也仅仅是简单介绍了relocate的基本步骤和流程，后续看大家需要，如果大家想了解，我再补上这一部分。

4.3

Uboot重定向作用

总之，Uboot重定向之后，把Uboot整体搬运到了高端内存区，为Kernel的加载提供空间，避免内存践踏。

五

board_init_r——板级后置初始化

我们接着跟着流程图往下看，重定向之后，Uboot运行于新的地址空间，接着我们执行board_init_r，主要作为Uboot运行的最后初始化步骤。

board_init_r这个函数，同样位于common/board_f.c，主要用于初始化各类外设信息

void board_init_r(gd_t *new_gd, ulong dest_addr)
{ 
    if (initcall_run_list(init_sequence_r))
        hang();

    /* NOTREACHED - run_main_loop() does not return */
    hang();
}
static init_fnc_t init_sequence_r[] = {
    initr_reloc,
    initr_reloc_global_data,
    board_init, /* Setup chipselects */
    initr_dm,
    initr_mmc,
    ...
    run_main_loop
}

与board_init_f相同，同样有一个init_sequence_r初始化列表，包括：initr_dmDM模型初始化，initr_mmcMMC驱动初始化，等等。

最终，uboot就运行到了run_main_loop，进而执行main_loop这个函数。

六

main_loop——Uboot主循环

该函数为Uboot的最终执行函数，无论是加载kernel还是uboot的命令行体系，均由此实现。

void main_loop(void)
{
    const char *s;

    bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_MAIN_LOOP, "main_loop");

    if (IS_ENABLED(CONFIG_VERSION_VARIABLE))
        env_set("ver", version_string);  /* set version variable */

    cli_init();

    if (IS_ENABLED(CONFIG_USE_PREBOOT))
        run_preboot_environment_command();

    if (IS_ENABLED(CONFIG_UPDATE_TFTP))
        update_tftp(0UL, NULL, NULL);

    s = bootdelay_process();
    if (cli_process_fdt(&s))
        cli_secure_boot_cmd(s);

    autoboot_command(s);

    cli_loop();
    panic("No CLI available");
}

env_set：设置环境变量，两个参数分别为name和value

cli_init：用于初始化hash shell的一些变量

run_preboot_environment_command：执行预定义的环境变量的命令

bootdelay_process：加载延时处理，一般用于Uboot启动后，有几秒的倒计时，用于进入命令行模式。

cli_loop：命令行模式，主要作用于Uboot的命令行交互。

6.1

bootdelay_process

记得对照文章开始的执行流程图哦！

详细解释标注于代码中......

const char *bootdelay_process(void)
{
    char *s;
    int bootdelay;

    bootcount_inc();

    s = env_get("bootdelay");        //先判断是否有bootdelay环境变量，如果没有，就使用menuconfig中配置的CONFIG_BOOTDELAY时间
    bootdelay = s ? (int)simple_strtol(s, NULL, 10) : CONFIG_BOOTDELAY;

    if (IS_ENABLED(CONFIG_OF_CONTROL))      //是否使用设备树进行配置
        bootdelay = fdtdec_get_config_int(gd->fdt_blob, "bootdelay",
                          bootdelay);

    debug("### main_loop entered: bootdelay=%d\n\n", bootdelay);

    if (IS_ENABLED(CONFIG_AUTOBOOT_MENU_SHOW))
        bootdelay = menu_show(bootdelay);
    bootretry_init_cmd_timeout();

#ifdef CONFIG_POST
    if (gd->flags & GD_FLG_POSTFAIL) {
        s = env_get("failbootcmd");
    } else
#endif /* CONFIG_POST */
    if (bootcount_error())
        s = env_get("altbootcmd");
    else
        s = env_get("bootcmd");        //获取bootcmd环境变量，用于后续的命令执行

    if (IS_ENABLED(CONFIG_OF_CONTROL))
        process_fdt_options(gd->fdt_blob);
    stored_bootdelay = bootdelay;

    return s;
}

6.2

autoboot_command

详细解释标注于代码中......

void autoboot_command(const char *s)
{
    debug("### main_loop: bootcmd=\"%s\"\n", s ? s : "");

    if (stored_bootdelay != -1 && s && !abortboot(stored_bootdelay)) {
        bool lock;
        int prev;

        lock = IS_ENABLED(CONFIG_AUTOBOOT_KEYED) &&
            !IS_ENABLED(CONFIG_AUTOBOOT_KEYED_CTRLC);
        if (lock)
            prev = disable_ctrlc(1); /* disable Ctrl-C checking */

        run_command_list(s, -1, 0);

        if (lock)
            disable_ctrlc(prev); /* restore Ctrl-C checking */
    }

    if (IS_ENABLED(CONFIG_USE_AUTOBOOT_MENUKEY) &&
        menukey == AUTOBOOT_MENUKEY) {
        s = env_get("menucmd");
        if (s)
            run_command_list(s, -1, 0);
    }
}

我们看一下判断条件stored_bootdelay != -1 && s && !abortboot(stored_bootdelay

stored_bootdelay：为环境变量的值，或者menuconfig设置的值
s：为环境变量bootcmd的值，为后续运行的指令
abortboot(stored_bootdelay)：主要用于判断是否有按键按下。如果按下，则不执行bootcmd命令，进入cli_loop 命令行模式；如果不按下，则执行bootcmd命令，跳转到加载Linux启动。

6.3

cli_loop

void cli_loop(void)
{
    bootstage_mark(BOOTSTAGE_ID_ENTER_CLI_LOOP);
#ifdef CONFIG_HUSH_PARSER
    parse_file_outer();
    /* This point is never reached */
    for (;;); //死循环
#elif defined(CONFIG_CMDLINE)
    cli_simple_loop();
#else
    printf("## U-Boot command line is disabled. Please enable CONFIG_CMDLINE\n");
#endif /*CONFIG_HUSH_PARSER*/
}

如上代码，程序只执行parse_file_outer来处理用户的输入、输出信息。