uboot啓動流程之上電啓動到第一次準備好C語言執行環境

本文以ast2500evb板子爲例來說明uboot的啓動過程：

 

在uboot/Makefile中，我們知道uboot.bin依賴uboot, uboot是由各種*.o鏈接而成，使用的鏈接指令碼爲uboot/board/ast2500evb/u-boot.lds.

在uboot/board/ast2500evb/u-boot.lds定義了程式的入口_start, 且其地址爲0x00000000.

Arm上電後，從reset vector address處取指令來run。

所以，當我們編出u-boot.bin檔案時，需要將其燒寫到flash的0地址處，且falsh要對映到arm的0地址處。從u-boot.lds的描述看，在flash 0地址處是符號_start.

這個_start定義可以由uboot/Makefile中的$(OBJS)來確定。

uboot/Makefile

其中$(CPUDIR)定義在uboot/config.mk中。

uboot/config.mk

$(ARCH), $(CPU)定義在由make xxx_config產生的uboot/include/config.mk中。

所以，對於ast2500evb板子來說，u-boot.bin的入口_start定義在uboot/arch/arm/cpu/arm1176/start.S

Start.S的入口符號_start，直接來個跳轉指令.

程式直接跳轉到reset處執行。(跳轉指令後面的ldr指令是cpu要求的，載入例外處理程式的指令，如軟中斷，快速中斷，中斷等)

我們來看一下reset做什麼了。

‘reset’ located the same file with ‘_start’(uboot/arch/arm/cpu/arm1176/start.S)

幾個指令介紹下:

mrs, msr:

bic, orr:

‘reset’ 操作主要是修改cpsr的值。

150行載入cpsr暫存器的值到暫存器r0；

151行清除bit0-bit5；

152行設定M域爲0b10011,即supervisor模式，設定I,F,T位，即disable中斷，disable快速中斷，設定ARM指令模式;

cpsr暫存器的結構如下:

設定完cpsr暫存器後，到cpu_init_crit:

從上述程式碼看，主要是設定協處理器，arm1176協處理器的作用如下:

178行，設定r0暫存器爲0；

179行，使得I-cache和D-cache失效(也叫重新整理I-cache和D-cache)；

180行，使得I-TLB和D-TLB失效(也叫重新整理指令TLB和數據TLB)，TLB全稱translation lookaside buffer.

處理完cache和TLB後，處理MMU：

185行，讀取協處理器p15的控制暫存器c1。

p15協處理器c1暫存器結構：

186行，清除V,R,S位。

清除V位，表明異常向量基地址使用c12 secure or non-sercure vector base address register設定的基地址。

187行，清除C,A,M位，即，disable L1-D-cache, disable MMU。

188行，設定A位，即，使能alignment fault checking.

189行，設定I位，即使能L1 I-cache.

設定好協處理器p15的c1暫存器(控制暫存器域)數據後，跳轉到mmu_disable。

201行，將前面的協處理器p15的c1暫存器(控制暫存器域)設定過的數據重新匯入到協處理器p15的c1暫存器(控制暫存器域)，此時上面的對協處理器p15的c1暫存器(控制暫存器域)的設定就生效了，即disable了MMU, enable了L1 I-cache。

接下去，就到了237行了。

這裏使用了bl指令來跳轉到lowlevel_init處執行，bl和b指令的區別是，b指令是無條件跳轉，即跳轉後，不會回到b指令的下一條指令處；而bl指令使用了link register(r14)儲存了bl指令下一條指令的地址，即當bl指令跳轉後返回時，會執行bl指令的下一條指令，即 ‘bl     _main’。

我們接着看lowlevel_init處程式碼：

結合uboot/Makefile我們知道lowlevel_init所在的檔案：

uboot/Makefile:

uboot/arch/arm/cpu/arm1176/ast2500/Makefile

lowlevel_init在uboot/arch/arm/cpu/arm1176/ast2500/platform.S

294行，儲存lr，即儲存’b _main’指令地址到r4暫存器。

300-301行，僞指令，載入0x1e600000, 0xaeed1a03到暫存器r0和r1。

302行，將0x aeed1a03寫到地址0x1e600000處。

這個0x1e600000地址是個什麼東西？它是AHBC protection key register:

AHB(high performance bus)爲系統匯流排，即ARM 連線使用的匯流排。

如上圖AHBC00的描述，向AHBC00(0x1e600000, AHBC protection key register)寫入0x aeed1a03就是設定unlocked.

305行，是向0x1e600084地址處(AHBC84: Interrupt Control/Status Register)寫入0x00010000。

向AHBC84寫入0x00010000，即向bit16 寫入1，相當於清除該位，即清除匯流排鎖中斷狀態。

308行，向0x1e600088地址處(AHBC88: AHB Bus Target Disable Control Register)寫入0.

向AHBC88寫入0，相當於disable上圖顯示的所有功能，比如，target SPI2/SPI3, VIC。即，此時，cpu不可通過匯流排存取這些。

類似地：

312行通過寫0x1688a8a8到SCU(system control unit)暫存器SCU00(protection key register)

這裏，就相當於設定unlock SCU registers.

318行，通過SCU70暫存器來檢查eSPI(enhanced SPI)是否由flash attach.

319行，如果有flash attach, 即SCU70 bit26爲1，則跳轉到bypass_first_reset.

我們假定沒有flash attach，接下去看程式碼：

0x1e785xxx爲看門狗定時器暫存器基址。

0x1e785010爲WDT10: WDT1 Timeout Status Register。

324行，判斷到當前爲止，是否發生過看門狗定時器發生過超時事件。沒有，則跳轉到start_first_reset.

 

start_first_reset第一個宏ASTMMC_INIT_RESET_MODE_FULL是沒有定義的，我們直接看358開始的程式碼：

從357行開始到364行，都是在設定下面 下麪相關的暫存器：

基址0x1e78:7xxx和0x1e78:8xxx:

程式先設定virtual UART, virtual UART的功能描述如下:

我們來看一下程式碼怎麼設定的：

361行設定FIFO Control Register爲0b111, 即，reset VUART的FIFO.

接下去，設定VUART其他暫存器，直到設定PUART0x1e788000.

R2爲0，這裏就是disable UART的pass through.

接下去，設定PUART其他暫存器，直到LPC controller: 0x1e789000.

基址0x1e78:9xxx:

388行，對暫存器HICR2清零。

基址0x1e62:0xxx:

這個是設定firmwars SPI flash的，即ast2500evb存放uboot的flash。

基址0x1e78:5xxx:

517行，reset各種controller.

520行復位整個系統。

523行就是一直等待看門狗定時器超時後系統復位reset。復位之後，程式碼又從_start開始執行。

系統復位後，再次執行到lowlevel_init時：

這時，324行判斷時，發現系統看門狗定時器發生過超時事件，故不跳轉。程式就執行325行了。

325行之後，接着做一些設定，最終跳轉到bypass_first_reset處執行。

我們接着看bypass_first_reset.

首先設定定時器。

這裏寫0XAE，即設定暫存器TMC38的bit0爲1，即separate mode.

538行這裏寫TMC3C暫存器’1’。

結合533和538行可知，這裏是將定時器的計數清零，並且disable掉。

547行，將定時器enable起來。

558行，設定dram初始化爲SOC Firmware.

接下去，設定USB等，以及設定DDR記憶體。

Bypass_USB_init會向debug的UART口輸出列印：DRAM Init-V

對於ddr4，再輸出字元」4」

我們接着看DDR4。

0x1e6e0004爲sdram的設定暫存器MCR04.

1168行設定MCR04爲0x313, 即設定一次最大可寫入的memory size爲1G.

接下去設定記憶體的時序等資訊。

設定完後，輸出一個字元」0」

ASTMMC_DDR4_MANUAL_RPU沒有使能，跳過這段。

如1315行的註釋描述的程式後面最的事情，我們不詳細看了，跳過。

程式執行軌跡: ddr_phy_init_process  ->  ddr_phy_init_success  ->  ddr4_phyinit_done  ->  Calibration_End

Calibration_End就是check一下DRAM size：

之後init DRAM cache.

Init DRAM cache後做一堆的check，然後跳轉到set_scratch.

Set_scratch做一堆設定，比如MAC設定等，最後將之前儲存的lr傳給pc，這樣pc就跑到了_main處了。

這個_main定義在哪裏？我們來看uboot/Makefile

uboot/Makefile

uboot/arch/arm/lib/Makefile

故，_main爲定義在uboot/arch/arm/lib/crt0.S中。

從註釋來看，_main是要準備C語言執行環境的，即要設定好棧指針(SP).

83行設定了sp地址爲CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR。

這個CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR在哪定義?

在crt0S的25行include了config.h, 這個config.h爲uboot/include/config.h.

我們從Makefile中可知，標頭檔案的搜尋路徑：

uboot/config.mk(被uboot/arch/arm/lib/Makefile包含)

uboot/include/config.h

在uboot/include/config.h的9行include了uboot/include/configs/ast2500evb.h.

uboot/include/configs/ast2500evb.h

在uboot/include/configs/ast2500evb的行9 include了configs/common.cfg.

在這個uboot/include/configs/common.cfg中定義了CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR。

上述定義中的CONFIG_SYS_SDRAM_BASE定義在uboot/include/configs/ast2500evb.h中，如下：

由上面的定義可知，這個板子的SDRAM在CPU的地址空間爲基址0x80000000(2G), 當前階段的棧指針爲0x80000000 + 16K, 即此時棧的大小爲16K. 2G之前是排給flash的(注意，這個CONFIG_SYS_SDRAM_BASE在uboot/include/configs/ast.cfg中也定義多了，但是被uboot/include/configs/ast2500evb.h覆蓋)。

我們回到uboot/arch/arm/lib/crt0.S繼續分析程式碼：

設定好棧指針後，我們在棧頂預留GD_SIZE的記憶體給struct global_data.

GD_SIZE定義在uboot/include/generated/generic-asm-offsets.h

Crt0.S在26行包含了標頭檔案uboot/include/asm-offsets.h, 而asm-offsets.h在3行包含了標頭檔案generated/generic-asm-offsets.h

uboot/arch/arm/lib/crt0.S

uboot/include/asm-offsets.h

uboot/include/generated/generic-asm-offsets.h

crt0.S在預留了struct global_data結構後，將這個結構的地址給r8儲存，並設定r0爲0(board_init_f的參數),之後跳轉到board_init_f這個C函數處理(C語言使用的堆疊環境構建好了，雖然棧只有12K – GD_SIZE這麼大小)。