6.3.3 U-Boot启动过程
尽管有了调试跟踪手段，甚至也可以通过串口打印信息了，但是不一定能够判断出错原因。如果能够充分理解代码的启动流程，那么对准确地解决和分析问题很有帮助。
开发板上电后，执行U-Boot的第一条指令，然后顺序执行U-Boot启动函数。函数调用顺序如图6.3所示。
看一下board/smsk2410/u-boot.lds这个链接脚本，可以知道目标程序的各部分链接顺序。第一个要链接的是cpu/arm920t/start.o，那么U-Boot的入口指令一定位于这个程序中。下面详细分析一下程序跳转和函数的调用关系以及函数实现。
1．cpu/arm920t/start.S
这个汇编程序是U-Boot的入口程序，开头就是复位向量的代码。
图6.3 U-Boot启动代码流程图
_start: b reset //复位向量
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq //中断向量
ldr pc, _fiq //中断向量
…
/* the actual reset code */
reset: //复位启动子程序
/* 设置CPU为SVC32模式 */
mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0xd3
msr cpsr,r0
/* 关闭看门狗 */
/* 这些初始化代码在系统重起的时候执行，运行时热复位从RAM中启动不执行 */
#ifdef CONFIG_INIT_CRITICAL
bl cpu_init_crit
#endif
relocate: /* 把U-Boot重新定位到RAM */
adr r0, _start /* r0是代码的当前位置 */
ldr r1, _TEXT_BASE /* 测试判断是从Flash启动，还是RAM */
cmp r0, r1 /* 比较r0和r1，调试的时候不要执行重定位 */
beq stack_setup /* 如果r0等于r1，跳过重定位代码 */
/* 准备重新定位代码 */
ldr r2, _armboot_start
ldr r3, _bss_start
sub r2, r3, r2 /* r2 得到armboot的大小 */
add r2, r0, r2 /* r2 得到要复制代码的末尾地址 */
copy_loop: /* 重新定位代码 */
ldmia r0!, {r3-r10} /*从源地址[r0]复制 */
stmia r1!, {r3-r10} /* 复制到目的地址[r1] */
cmp r0, r2 /* 复制数据块直到源数据末尾地址[r2] */
ble copy_loop
/* 初始化堆栈等 */
stack_setup:
ldr r0, _TEXT_BASE /* 上面是128 KiB重定位的u-boot */
sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* 向下是内存分配空间 */
sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* 然后是bdinfo结构体地址空间 */
#ifdef CONFIG_USE_IRQ
sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif
sub sp, r0, #12 /* 为abort-stack预留3个字 */
clear_bss:
ldr r0, _bss_start /* 找到bss段起始地址 */
ldr r1, _bss_end /* bss段末尾地址 */
mov r2, #0x00000000 /* 清零 */
clbss_l:str r2, [r0] /* bss段地址空间清零循环... */
add r0, r0, #4
cmp r0, r1
bne clbss_l
/* 跳转到start_armboot函数入口，_start_armboot字保存函数入口指针 */
ldr pc, _start_armboot
_start_armboot: .word start_armboot //start_armboot函数在lib_arm/board.c中实现
/* 关键的初始化子程序 */
cpu_init_crit:
…… //初始化CACHE，关闭MMU等操作指令
/* 初始化RAM时钟。
* 因为内存时钟是依赖开发板硬件的，所以在board的相应目录下可以找到memsetup.S文件。
*/
mov ip, lr
bl memsetup //memsetup子程序在board/smdk2410/memsetup.S中实现
mov lr, ip
mov pc, lr
2．lib_arm/board.c
start_armboot是U-Boot执行的第一个C语言函数，完成系统初始化工作，进入主循环，处理用户输入的命令。
void start_armboot (void)
{
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
ulong size;
init_fnc_t **init_fnc_ptr;
char *s;
/* Pointer is writable since we allocated a register for it */
gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));
/* compiler optimization barrier needed for GCC >= 3.4 */
__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;
/* 顺序执行init_sequence数组中的初始化函数 */
for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
hang ();
}
}
/*配置可用的Flash */
size = flash_init ();
display_flash_config (size);
/* _armboot_start 在u-boot.lds链接脚本中定义 */
mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);
/* 配置环境变量，重新定位 */
env_relocate ();
/* 从环境变量中获取IP地址 */
gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");
/* 以太网接口MAC 地址 */
……
devices_init (); /* 获取列表中的设备 */
jumptable_init ();
console_init_r (); /* 完整地初始化控制台设备 */
enable_interrupts (); /* 使能例外处理 */
/* 通过环境变量初始化 */
if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
}
/* main_loop()总是试图自动启动，循环不断执行 */
for (;;) {
main_loop (); /* 主循环函数处理执行用户命令 -- common/main.c */
}
/* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */
}
3．init_sequence[]
init_sequence[]数组保存着基本的初始化函数指针。这些函数名称和实现的程序文件在下列注释中。
init_fnc_t *init_sequence[] = {
cpu_init, /* 基本的处理器相关配置 -- cpu/arm920t/cpu.c */
board_init, /* 基本的板级相关配置 -- board/smdk2410/smdk2410.c */
interrupt_init, /* 初始化例外处理 -- cpu/arm920t/s3c24x0/interrupt.c */
env_init, /* 初始化环境变量 -- common/cmd_flash.c */
init_baudrate, /* 初始化波特率设置 -- lib_arm/board.c */
serial_init, /* 串口通讯设置 -- cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c */
console_init_f, /* 控制台初始化阶段1 -- common/console.c */
display_banner, /* 打印u-boot信息 -- lib_arm/board.c */
dram_init, /* 配置可用的RAM -- board/smdk2410/smdk2410.c */
display_dram_config, /* 显示RAM的配置大小 -- lib_arm/board.c */
NULL,
};
U-BOOT start_armboot浅析
ARM920t架构的CPU在完成基本的初始化后（ARM汇编代码），就进入它的C语言代码，而C语言代码的入口就是start_armboot, start_armboot在lib_arm/board.c中。start_armboot将完成以下工作。 比如gd_t结构的初始化: 251 gd = (gd_t*)(_armboot_start – CFG_MALLOC_LEN – sizeof(gd_t)); _armboot_start是u-boot在RAM中的开始地址（对于u-boot最终搬移到RAM中运行的情况）,CFG_MALLOC_LEN在include/configs/ bd_t结构的初始化: 272 gd->bd = (bd_t*)((char*)gd-sizeof(bd_t)); u-boot把bd_t结构紧接着gd_t结构存放。 内存分配的初始化 316 mem_malloc_init(_armboot_start-CFG_MALLOC_LEN); 经过以上的初始化后，u-boot在内存中的布局为（在底端为低地址） ----------------------------- BSS ----------------------------- U-BOOT TEXT/DATA ----------------------------- CFG_MALLOC_LEN ----------------------------- gd_t ----------------------------- bd_t ----------------------------- STACK ----------------------------- for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) { if ((*init_fnc_ptr)() != 0) { hang (); } } init_sequence[]是init_fnc_t函数指针数组，这个数组包含了众多初始化函数，比如cpu_init，board_init等。 这一部分包括对Flash，LCD，网络的初始化等，例如 318 #if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_NAND) puts ("NAND: "); nand_init(); /* go init the NAND */ #endif 367 devices_init(); 386 #ifdef CONFIG_DRIVER_CS8900 cs8900_get_enetaddr (gd->bd->bi_enetaddr); #endif 环境变量在通用初始化函数里面，已经初始化一次（env_init），这里调用env_relocate对环境变量进行重新定位。在我的另一篇文章”U-BOOT ENV 实现”中有对环境变量实现的讨论。 当然start_armboot除了以上工作外，还完成其它的初始化工作，具体参考lib_arm/board.c，在一切准备就绪之后，就进入u-boot的主循环: 416 for (;;) { main_loop (); } main_loop的代码比较长，基本是就是执行用户的输入命令。
start_armboot浅析
1.全局数据结构的初始化
2.调用通用初始化函数
3.初始化具体设备
4.初始化环境变量
5.进入主循环
下内容来自笔者在中国Linux论坛Linux嵌入技术讨论区的张贴：x`"m
©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 Uw/%#*
--------------------------------------------------------------------------------"
aaronwong: u-boot中代码的疑问(_armboot_start与_start)?12Gm
---------------------------=j
我使用的是u-boot-1.3.0-rc2。在cpu/pxa/start.S中，有如下的标号定义： w'
_TEXT_BASE: 7B
.word TEXT_BASE /*uboot映像在SDRAM中的重定位地址，我设置为0xa170 0000 */ k&BnQf
©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 A%
.globl _armboot_start /'b&%
_armboot_start: 50m B8
.word _start /*_start是程序入口，链接完毕它的值应该是0xa170 0000=TEXT_BASE*/ 2inlX
/* 这句话的意思应该是在_armboot_start标号处，保存了_start的值，也就是说，_armboot_start是存放_start的地址，该地址对应的存储单元内容是0xa170 0000*/ ~1
/* ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 [-S(
* These are defined in the board-specific linker script. 下面的定义与上面应该是一个意思。 y1sDB
*/ ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 ?Ud=F}
.globl _bss_start W8
_bss_start: 4V1kfj
.word __bss_start 5`
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ XM
按照上面的理解，__bss_start是uboot 的bss段起始地址，那么uboot映像的大小就是__bss_start - _start；在relocate代码段中计算uboot的大小时，也体现了这一点。 fHK'f0
实际上，_armboot_start并没有实际意义，它只是在"ldr r2, _armboot_start"中用來寻址_start的值而已，_bss_start也是一样的道理，真正有意义的应该是_start和 __bss_start本身。 ;{I
但是，令我不解的是，在C入口函数start_armboot()中(对应文件为lib_arm/board.c)，有如下代码： =-yz!
void start_armboot (void) 6#F[C
{ ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 dCb
......... *=
gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t)); //第一句话 7
.......... xfw,,
monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start; //第二句话 =r1m,
............... =cN^x+
mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN); //第三句话 W
.......... ?
} ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 u
============================================== v#HG/
按照上面的理解，_armboot_start与_bss_start都是没有实际意义的，它们只是一个地址，有实际意义的是地址中的内容_start和 __bss_start（虽然也还是地址）。象第一句话，其“意图”很明显，是把gd作为全局数据结构体的指针，并初始化为“SDRAM中的uboot起始地址(即TEXT_BASE)－CFG_MALLOC_LEN－全局数据结构体大小”。
要实现这个“意图”，应该是写成:gd = (gd_t*)(_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));或者gd = (gd_t*)(TEXT_BASE- CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));才对阿？用_armboot_start来作运算应该是没有任何意义才对！？ #0gYd?
第二句话也是一样的道理，它的意图是要计算u-boot映像的大小，应该写成__bss_start - _start才对阿？ @`PVq
我使用readelf工具查看编译所得到的uboot映像文件得到信息如下： NK7,G
[aaronwong@localhost build]$ readelf -s u-boot|grep _start G
1018: a1700048 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _bss_start !Qgo}
1083: a1700044 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _armboot_start W
1142: a1700000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _start b9>
1197: a171b070 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __bss_start m[
上面我删除了与该讨论无关的包含“_start""t的标号信息。 &:gP
显然，我前面的理解应该是正确的(_start=TEXT_BASE=0xa170 0000)。那么u-boot源代码中的monitor_flash_len=_bss_start - _armboot_start=0xa1700048 - 0xa1700044 = 4，有什么意义？？ p
迷茫中，期盼大虾指点迷津，谢谢～！！！ <
©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 M6fJvX
--------------------------------------------------------------------------------%:#-
eltshan: [Re: aaronwong]9o22#P
-----------------Zi
1018: a1700048 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _bss_start D3dY(
1083: a1700044 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _armboot_start _mAq>
1142: a1700000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 1 _start QNr+Pc
1197: a171b070 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __bss_start +=
©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 E-Y>
我想: FCNh{M
_start所在的地址是a1700000, eHEsMt
_armboot_start 所在的地址是a1700044, ?
那么 根据这句: 7.Iy
_armboot_start: .word _start }
所以_armboot_start的值应该是a1700000 w34ok:
©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 gh\
所以 ©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 ka
monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start = a171b070 - a1700000 = 1b070 ~=w
而不是你说的 = 4 FYxAA@
©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 *E*4z
以上个人意见.Q~St
©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 ^p`Sc
--------------------------------------------------------------------------------Nkh
aaronwong: [Re: eltshan];DQlk5
-------------------p4
谢谢，eltshan！你的理解是正确的，不过我看了之后还是没能想得很明白，因为我在想，按你所说，那么_start的值应该是多少呢？难道是“b reset”这条指令的机器码？所以我对ELF格式的u-boot映像文件作了反汇编，分析之后终于找到了症结所在。以下是部分分析过程，首先是反汇编： 24
arm-iwmmxt-linux-gnueabi-objectdump -D u-boot > u-boot.s *{|(q#
并提取了monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;这条语句相关的反汇编代码如下： \
============================== ^o#c7
a1700044 <_armboot_start>: b?
a1700044: a1700000 .word 0xa1700000 e{Zn
©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 >
a1700048 <_bss_start>: l#"{w
a1700048: a171b070 .word 0xa171b070 U3sK
©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 !.
a171b070
a171b070: 00000000 .word 0x00000000 Q^$
©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 MeE9
..... m4
a1700f40: e59f41d0 ldr r4, [pc, #464] ; a1701118
//r4=[a1701118]=a1700044 2/NL_;
..... EW0Th
a1700f7c: e59f3198 ldr r3, [pc, #408] ; a170111c
//r3=[a1700044]=a1700048 D
a1700f80: e5942000 ldr r2, [r4] 2/0N0
//r2=[a1700044]=a1700000 mV
a1700f84: e59f4194 ldr r4, [pc, #404] ; a1701120
//r4=[a1701120]=a1719d24 #Bnq
a1700f88: e5933000 ldr r3, [r3] *
//r3=[a1700048]=a171b070
a1700f8c: e0623003 rsb r3, r2, r3 $e8I:
//r3= r3-r2 = a171b070-a1700000 = 1b070; q|
a1700f90: e59f218c ldr r2, [pc, #396] ; a1701124
//r2=[a1701124]=a171b070 }
a1700f94: e5823000 str r3, [r2] h`lC]
//monitor_flash_len=[r2]=r3=1b070 mJT:HJ
...... =op4
©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 9
a1701118: a1700044 .word 0xa1700044 Z0
a170111c: a1700048 .word 0xa1700048 fr3g(
a1701120: a1719d24 .word 0xa1719d24 EpcDe
a1701124: a171b070 .word 0xa171b070 XT&
======================================== :
上面//是我自己的注释。这表明，你的理解的确是正确的。 :}6
经过这个过程之后，我终于认识到自己的误解在哪里了。原来，我是把"汇编语言中LDR伪指令对符号的引用"与"C语言中对汇编程序中符号/常量/变量的引用"搞混淆了。我想说明以下几点：`[I
©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 WY
(1) readelf以及u-boot.map和System.map所给出的符号表中符号的值，实际上是表示符号所在的地址，而不是指符号本身的值。 E?F'R
©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 u
(2) 汇编语言中没有指针的概念，因此对符号的引用是"赤裸裸"的。例如： M"
========== wM
.globl _armboot_start J%
_armboot_start: .word _start d_
ldr r2, _armboot_start Kf
========== ,
实际上反汇编以后是： 466
============ ;/g-oE
a1700044 <_armboot_start>: }b
a1700044: a1700000 .word 0xa1700000 R
a1700074: e51f2038 ldr r2, [pc, #-56] ; a1700044 <_armboot_start> b b}/4
============ [7A
也就是说，_armboot_start是一个地址0xa1700044，其中的内容是0xa1700000，上面对_armboot_start的引用是直接将其替换为其表示的地址0xa1700044，而非其中的内容0xa1700000。这就是"赤裸裸"的引用。 m
©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 )bR;
(3) C语言则不同，对变量/符号/常量的引用必须要通过地址来寻址，不管是全局变量还是局部变量，不同的是局部变量在生命期结束后，所占的地址空间会被释放而已。即使是函数调用时的参数传递，虽然是将实参的值"拷贝"给形参，但"拷贝"的过程也是通过实参和形参的地址来对两者进行访问的。 p
所以，在C语言中的 "monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start" 这句话中对_armboot_star的引用，实际上是把它用作了指针，把它作为访问对象的地址来使用，通过这个地址即a1700044 来访问对应存储空间所存放的内容亦即0xa1700000，_bss_start也是同样的道理。所以这句话实际上是monitor_flash_len =[a1700048]-[0xa1700044]=a171b070-a1700000 = 1b070，这样就得到了正确的结果。 eNe#ij
©南开大学嵌入式系统与信息安全实验室学术论坛 -- 我的论坛，我的天地 MnK-47
现在，我们再回答最前面的问题：_start的值是什么？_start表示地址0xa1700000 ，在汇编语言中，对_start的"绝对引用"(这里是与用相对寻址进行跳转进行区别)就是将其替换为0xa1700000，但其中存放的内容的的确确就是"b reset"这条指令的机器码，所以如果在C语言中引用_start，得到的结果反而就是这个指令的机器码了。其实这个问题很简单，只是和C语言的引用搅在一起，一些概念被偷换了而已。 *