第一课--OpenWRT uboot介绍 - 版本历史

Shengkai81@gmail.com：/* microWRT Uboot 启动分析 */

2015-03-17T08:43:22Z

‎microWRT Uboot 启动分析

Shengkai81@gmail.com：/* microWRT Uboot 启动分析 */

2015-03-17T08:42:12Z

‎microWRT Uboot 启动分析

2015年3月17日 (二) 08:40 Shengkai81@gmail.com

2015-03-17T08:40:08Z

2015年3月17日 (二) 08:36 Shengkai81@gmail.com

2015-03-17T08:36:21Z

Shengkai81@gmail.com：Created page with "{| style="width: 800px;" |- | 关于uboot的介绍，在网上有很多blog，并且很多文章都详细介绍了uboot的启动过程，这些启动过程大多是基于ARM c..."

2015-03-17T08:32:23Z

Created page with "{| style="width: 800px;" |- | 关于uboot的介绍，在网上有很多blog，并且很多文章都详细介绍了uboot的启动过程，这些启动过程大多是基于ARM c..."

新页面

{| style="width: 800px;"
|-
|
关于uboot的介绍，在网上有很多blog，并且很多文章都详细介绍了uboot的启动过程，这些启动过程大多是基于ARM core的S3C2440.
Uboot的作用简单概括就是设置硬件的初始状态，并引导kernel。其实在系统上电之后，uboot被运行之前还有一端代码，一般称为bootrom。
这部分内容对我们开发人员来说是不可见的，我们也不用关心。
我们只需要知道uboot是我们开始设计系统的第一步就可以了。

本篇教程主要基于microWRT介绍uboot的启动。MicroWRT所用过的芯片MTK7620A是一款MIPS 架构的芯片，
所以首先我们就要介绍mips处理器的架构。

==MIPS 处理器架构==

===地址空间映射===

MIPS 地址空间，这里说的是CPU的寻址空间，不是内存空间。内存只是映射在一部分地址空间上而已。
每个芯片的地址空间映射是很重要的，这些信息都会从datasheet中获得。Mips处理器的地址空间一般分为4段 (Kuseg、Kseg0、Kseg1、Kseg2)，其中:

Kseg0 (0x80000000 ~ 0x9fffffff) 为缓存段，直接映射在物理地址段上。在 CPU 复位时，缓存未被初始化，只有 Kseg1 能够被直接访问。

kseg1: 虚拟空间0xA000 0000 - 0xBFFF FFFF(512M): 这些地址通过把最高3位清零的方法来映射到相应的物理地址上，
与kseg0映射的物理地址一样。但kseg1是非cache存取的。kseg1是唯一的在系统重启时能正常工作的地址空间。
这也是为什么重新启动时的入口向量是0xBFC0 0000。这个向量相应的物理地址是0x1FC0 0000。
你将使用这段地址空间去存取你的初始化ROM。大多数人在这段空间使用I/O寄存器。

kseg2: 虚拟空间0xC000 0000 - 0xFFFF FFFF (1G): 这段地址空间只能在核心态下使用并且要经过MMU的转换。
在MMU设置好之前，不能存取这段区域。除非你在写一个真正的操作系统，一般来说你不需要使用这段地址空间。

综上可以看到，MIPS32 CPU下面的不经过MMU转换的内存窗口只有kseg0和kseg1 的512M的大小，而且这两个内存窗口映射到同一个512M的物理地址空间。
其余的3G虚拟地址空间需要经过MMU转换成物理地址，这个转换规则是由CPU 厂商实现的。换
句话说，在MIPS32 CPU下面访问高于512M的物理地址空间，必须通过MMU地址转换, 在 CPU 复位时，缓存未被初始化，只有 Kseg1 能够被直接访问。

基于MIPS的这种特殊设计，在移植uboot的时候，往往要对cache进行一些特殊设置。

===microWRT地址映射===

1. 物理段：

内存、Flash、IO寄存器等都被映射在物理段上访问时需要通过宏 KSEG0ADDR(_addr) 来通过 Kseg0 访问或 KSEG1ADDR(_addr) 来通过 Kseg1 访问。
物理地址一般不能直接访问，都需要通过 Kseg0 或 Kseg1 来访问。

2. 主要的映射范围：

DDR：0~0x0fffffff (这一段直接映射物理内存，一般通过带缓存的 Kseg0 来访问，以便加快速度)
I/O空间：0x10000000 ~ 0x1dffffff (这一段直接控制硬件，必须通过 Kseg1 来访问)
SPI Flash 空间：0x1f000000 ~ 0x1fffffff (这一段映射闪存的前 16MB 数据)

==microWRT Uboot 启动分析==

uboot的入口函数，我们可以从板子的lds文件里找到。一般都是start.s, 每个板子都有自己的lds文件，其主要用来说明编译生成的命令，
以及运行过程中用到的数据放置的位置。下面是个lds的例子。

OUTPUT_FORMAT(“elf32-tradbigmips”, “elf32-tradbigmips”, “elf32-tradbigmips”)
/* 这里是生成格式为elf。大端，mips */
OUTPUT_ARCH(mips)
/* 平台为mips */
ENTRY(_start) /* 入口点为_start */
SECTIONS
{
. = 0×00000000;
. = ALIGN(4);
.text : /* 这个是程序存放的地方 */
{
*(.text)
}

. = ALIGN(4); /* 表示以4字节对齐 */
.rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }

. = ALIGN(4);
.data : { *(.data) }

. = .;
_gp = ALIGN(16) + 0×7ff0;

.got : {
__got_start = .; /* 表示该处地址的值给__got_start */
*(.got)
__got_end = .;
}

.sdata : { *(.sdata) }

.u_boot_cmd : {
__u_boot_cmd_start = .;
*(.u_boot_cmd)
__u_boot_cmd_end = .;
}

uboot_end_data = .;
num_got_entries = (__got_end – __got_start) >> 2;

. = ALIGN(4);
.sbss (NOLOAD) : { *(.sbss) }
.bss (NOLOAD) : { *(.bss) . = ALIGN(4); }
uboot_end = .;
}

通过分析lds，我们就可以知道uboot的入口是start.s 文件，下面我就就来分析这个文件。限于篇幅的限制，下面给出了uboot运行的一个大概流程，没有对源码做详细分析。

首先从_start开始。前面是128个字（不是字节），是留给异常入口点的。
1. 最前面两个分别是硬复位和软复位，这两个都跳到reset处。
2. 下面就是清一些CP0（协处理器0，mips对CPU的控制都是通过它实现的）的一些主要位。
3. 然后是关闭cache
4. 下面这个比较有意思。为什么还非要跳一下呢？这样就可以知道代码的位置,而不是标号值。比如可能在RAM中或ROM中。
bal 1f
nop
.word _gp
1:
lw gp, 0(ra)
5. 这里执行lowlevel_init。这是第一个需要我们自己定义的函数。由于没有初始化堆栈，这里只能用汇编。我们看到在jalr后跟了个nop，这就是分支延迟槽，在这里什么也没有执行。
6. 下面执行了mips_cache_reset，它会来清理数据和指令的cache，并设置为正确的值。然后就可以打开cache了。
7. 由于我们的内存可能还没有始初化（有些人会有lowlevel_init中初始化，但有的人没有这样做）。但我们使用C函数的话，就需要堆栈，所以需要一个内存空间。于是这里执行了mips_cache_lock，将cache的地址锁定，就是将cache当内存用了。然后我们将堆栈的地址设定在我们锁定的cache的最高地址（因为堆栈是向下生长的）。这时我们就可以用C函数了，当然你还用不了malloc，也不可以太多的浪费堆栈。
8. 这里就跑到C的初始化函数中去了－－board_init_f。

对于mips，board_init_f在lib_mips/board.c下。在board_init_f()函数中，主要完成了一些功能初始化，和划分RAM。
再看一下都初始化了什么功能。初始化的函数都在init_fnc_t *init_sequence[]里。有些不同版本的uboot，会直接在上级函数里调用这些函数。
init_fnc_t *init_sequence[] = {
board_early_init_f, /* 一些必要，需在之前做的初始化，如想使用需定义CONFIG_BOARD_EARLY_INIT_F */
timer_init, /* 初始化时钟计数，cp0的 */
env_init, /* 环境变量保存在flash中 */
#ifdef CONFIG_INCA_IP
incaip_set_cpuclk, /* 根据cpuclk环境变量设定CPU主频 */
#endif
init_baudrate, /* 根据baudrate环境变量设定gd->baudrate */
serial_init, /* 设定串口速率，需要我们自己写（包括其它serial的） */
console_init_f, /* 设置gd->have_console=1，有CONFIG_SILENT_CONSOLE则查看silent */
display_banner, /* 打印uboot信息 */
checkboard, /* 检测板子，可以在这打印设备信息，需要我们自己写 */
init_func_ram, /* 设置gd->ram_size，initdram需要我们自己写 */
NULL, /* 最后这个空必须留着，检查结束 */
};

最后这个函数调用了relocate_code (addr_sp, id, addr)。注意，这个函数，准确的说不是函数（因为不能返回），是不返回的。

现在我们又回到start.S中了。我们可以看到，这里和C语言传递参数是用a0,a1,a2。relocate_code的工作就是将代码搬移到RAM中执行。这里做的工作是：
1. 移动gp指针
2. 复制代码到RAM中
3. 刷新一下cache
4. 跳到RAM代码当中去（in_ram）

in_ram的主要工作是：更新GOT;清空BSS段；最后跳到board_init_r。我们可以看到board_init_r最后一个参数是在分支延迟槽中赋值的。

这其实这里主要说一下GOTs(global offset tables)这个东东，这是uboot能跳转到不同空间运行的原理。uboot编译时用到了PIC（position-independent code）（也可以说成position-independent executable (PIE)）。这个其实是很早之前，在没有MMU的年代引进来的东西。为了在没有MMU时，不同进程也能同时运行，就需要他们的运行地址可以改变。GOTs用来保存所有的全局变量地址，所以我们只要改变GOTs的值就可以了。gp就是指向GOTs位置的指针。这个功能需要在gcc编译时指定-fpic。然后就像我们看到的，我们只要改变GOTs里的值，加上地址偏移就可以了。

下面再看一下board_init_r。这里的工作：
1. 复制cmd段的信息过来。这里只复制了cmd，name，usage，usage。帮助信息的字符串还在flash中。
2. 然后是初始化malloc功能。注意这里env有malloc的方式分配到了空间，并复制到RAM。
3. 再就是stdio，串口，入口函数，以及全局变最根据env的初始化了。
4. 再接着就是网络的初始化。eth_initialize(gd->bd)。对于mips，如果设了CONFIG_NET_MULTI。我们需要自己写board_eth_init和cpu_eth_init两个函数。只有前者返回值小于0时，我们才需要执行后者。
5. 最后进入main_loop()。
在这个函数中，主要是通过bootm 命令来启动kernel的。具体内容如下：
main_loop()
{
s = getenv ("bootcmd");
debug ("### main_loop: bootcmd=\"%s\"\n", s ? s : "<UNDEFINED>");

run_command (s, 0);
}

执行上面的bootcmd，第一步就是copy kernel 到 RAM 中。这里涉及到nand的读写 do_nand()

完成kernle的copy后，就接着执行bootm，实际的执行顺序为bootm -->do_bootm-->do_bootm_linux

do_bootm() --> 在文件cmd_bootm.c 中
{
bootm_start() --> 读取头部获得加载地址和入口地址

do_bootm_linux() --> 启动，当然要首先设置启动参数，然后跳到入口地址 bootm.c
设置参数
setup_start_tag (bd);
setup_serial_tag (&params);
setup_revision_tag (&params);
setup_memory_tags (bd); --> 这个是在start_armboot 的dram_init() 里设定好的。
setup_commandline_tag (bd, commandline); --> commandline 就是bootargs
if (images->rd_start && images->rd_end)
setup_initrd_tag (bd, images->rd_start, images->rd_end);
setup_videolfb_tag ((gd_t *) gd);
setup_end_tag (bd);

启动内核
theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params); --> 启动kernel后一去不复返了。
}

|}

@@ 第167行： / 第167行： @@
 只有前者返回值小于0时，我们才需要执行后者。
-. 最后进入main_loop()。
+. 最后进入main_loop()。在这个函数中，主要是通过bootm 命令来启动kernel的。具体内容如下：
-   在这个函数中，主要是通过bootm 命令来启动kernel的。具体内容如下：
    main_loop()
+   {
@@ 第193行： / 第193行： @@
         setup_videolfb_tag ((gd_t *) gd)
         setup_end_tag (bd)
         启动内核
         theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params); --> 启动kernel后一去不复返了。

@@ 第169行： / 第169行： @@
 . 最后进入main_loop()。
     在这个函数中，主要是通过bootm 命令来启动kernel的。具体内容如下：
-   main_loop()
+  main_loop()
-−
+  {
-        s = getenv ("bootcmd");
+     s = getenv ("bootcmd");
-     	debug ("### main_loop: bootcmd=\"%s\"\n", s ? s : "<UNDEFINED>");
+     debug ("### main_loop: bootcmd=\"%s\"\n", s ? s : "<UNDEFINED>");
+     run_command (s, 0);
-	run_command (s, 0);
-  完成kernle的copy后，就接着执行bootm，实际的执行顺序为bootm -->do_bootm-->do_bootm_linux
+执行上面的bootcmd，第一步就是copy kernel 到 RAM 中。这里涉及到nand的读写 do_nand()
    do_bootm() --> 在文件cmd_bootm.c 中
@@ 第193行： / 第191行： @@
         if (images->rd_start && images->rd_end)
           setup_initrd_tag (bd, images->rd_start, images->rd_end)
-	 setup_videolfb_tag ((gd_t *) gd)
+       setup_videolfb_tag ((gd_t *) gd)
-	 setup_end_tag (bd)
+       setup_end_tag (bd)
-         启动内核
+       启动内核
-         theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params); --> 启动kernel后一去不复返了。
+       theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params); --> 启动kernel后一去不复返了。
+   }
 |}

@@ 第96行： / 第96行： @@
 . 最前面两个分别是硬复位和软复位，这两个都跳到reset处。
 . 下面就是清一些CP0（协处理器0，mips对CPU的控制都是通过它实现的）的一些主要位。
 . 然后是关闭cache。
 . 下面这个比较有意思。为什么还非要跳一下呢？这样就可以知道代码的位置,而不是标号值。比如可能在RAM中或ROM中。
@@ 第107行： / 第110行： @@
 . 这里执行lowlevel_init。这是第一个需要我们自己定义的函数。由于没有初始化堆栈，这里只能用汇编。我们看到在jalr后跟了个nop，这就是分支延迟槽，在这里什么也没有执行。
 . 下面执行了mips_cache_reset，它会来清理数据和指令的cache，并设置为正确的值。然后就可以打开cache了。
-. 由于我们的内存可能还没有始初化（有些人会有lowlevel_init中初始化，但有的人没有这样做）。但我们使用C函数的话，就需要堆栈，所以需要一个内存空间。于是这里执行了mips_cache_lock，将cache的地址锁定，就是将cache当内存用了。然后我们将堆栈的地址设定在我们锁定的cache的最高地址（因为堆栈是向下生长的）。这时我们就可以用C函数了，当然你还用不了malloc，也不可以太多的浪费堆栈。
 . 这里就跑到C的初始化函数中去了－－board_init_f。
@@ 第132行： / 第140行： @@
 现在我们又回到start.S中了。我们可以看到，这里和C语言传递参数是用a0,a1,a2。relocate_code的工作就是将代码搬移到RAM中执行。这里做的工作是：
 . 移动gp指针
 . 复制代码到RAM中
 . 刷新一下cache
 . 跳到RAM代码当中去（in_ram）
 in_ram的主要工作是：更新GOT;清空BSS段；最后跳到board_init_r。我们可以看到board_init_r最后一个参数是在分支延迟槽中赋值的。
-这其实这里主要说一下GOTs(global offset tables)这个东东，这是uboot能跳转到不同空间运行的原理。uboot编译时用到了PIC（position-independent code）（也可以说成position-independent executable (PIE)）。这个其实是很早之前，在没有MMU的年代引进来的东西。为了在没有MMU时，不同进程也能同时运行，就需要他们的运行地址可以改变。GOTs用来保存所有的全局变量地址，所以我们只要改变GOTs的值就可以了。gp就是指向GOTs位置的指针。这个功能需要在gcc编译时指定-fpic。然后就像我们看到的，我们只要改变GOTs里的值，加上地址偏移就可以了。
+这其实这里主要说一下GOTs(global offset tables)这个东东，这是uboot能跳转到不同空间运行的原理。uboot编译时用到了PIC（position-independent code）
 . 复制cmd段的信息过来。这里只复制了cmd，name，usage，usage。帮助信息的字符串还在flash中。
 . 然后是初始化malloc功能。注意这里env有malloc的方式分配到了空间，并复制到RAM。
 . 再就是stdio，串口，入口函数，以及全局变最根据env的初始化了。
 . 再接着就是网络的初始化。eth_initialize(gd->bd)。对于mips，如果设了CONFIG_NET_MULTI。我们需要自己写board_eth_init和cpu_eth_init两个函数。 只有前者返回值小于0时，我们才需要执行后者。
 . 最后进入main_loop()。
     在这个函数中，主要是通过bootm 命令来启动kernel的。具体内容如下：
@@ 第163行： / 第184行： @@
+   {
       bootm_start()  --> 读取头部获得加载地址和入口地址
       do_bootm_linux() --> 启动，当然要首先设置启动参数，然后跳到入口地址  bootm.c
             设置参数
-           setup_start_tag (bd)
+       setup_start_tag (bd)
-	   setup_serial_tag (&params)
+       setup_serial_tag (&params)
-	   setup_revision_tag (&params)
+       setup_revision_tag (&params)
-	   setup_memory_tags (bd) --> 这个是在start_armboot 的dram_init() 里设定好的。
+       setup_memory_tags (bd) --> 这个是在start_armboot 的dram_init() 里设定好的。
-	   setup_commandline_tag (bd, commandline)  --> commandline 就是bootargs
+       setup_commandline_tag (bd, commandline)  --> commandline 就是bootargs
-	   if (images->rd_start && images->rd_end)
+       if (images->rd_start && images->rd_end)
-		setup_initrd_tag (bd, images->rd_start, images->rd_end)
+         setup_initrd_tag (bd, images->rd_start, images->rd_end)
-	   setup_videolfb_tag ((gd_t *) gd)
+	 setup_videolfb_tag ((gd_t *) gd)
-	   setup_end_tag (bd)
+	 setup_end_tag (bd)
-           启动内核
+         启动内核
-           theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params); --> 启动kernel后一去不复返了。
+         theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params); --> 启动kernel后一去不复返了。
+   }
 |}

@@ 第46行： / 第46行： @@
 I/O空间：0x10000000 ~ 0x1dffffff (这一段直接控制硬件，必须通过 Kseg1 来访问)
 SPI Flash 空间：0x1f000000 ~ 0x1fffffff (这一段映射闪存的前 16MB 数据)
 ==microWRT Uboot 启动分析==
@@ 第66行： / 第65行： @@
        *(.text)
+     }
    . = ALIGN(4); /* 表示以4字节对齐 */
    .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }
    . = ALIGN(4);
    .data : { *(.data) }
    . = .;
    _gp = ALIGN(16) + 0×7ff0;
    .got : {
    __got_start = .; /* 表示该处地址的值给__got_start */
@@ 第81行： / 第76行： @@
    __got_end = .;
+   }
    .sdata : { *(.sdata) }
    .u_boot_cmd : {
    __u_boot_cmd_start = .;
@@ 第89行： / 第82行： @@
    __u_boot_cmd_end = .;
+   }
    uboot_end_data = .;
    num_got_entries = (__got_end – __got_start) >> 2;
    . = ALIGN(4);
    .sbss (NOLOAD) : { *(.sbss) }
@@ 第103行： / 第94行： @@
 首先从_start开始。前面是128个字（不是字节），是留给异常入口点的。
 . 最前面两个分别是硬复位和软复位，这两个都跳到reset处。
 . 下面就是清一些CP0（协处理器0，mips对CPU的控制都是通过它实现的）的一些主要位。
-. 然后是关闭cache
+. 然后是关闭cache。
 . 下面这个比较有意思。为什么还非要跳一下呢？这样就可以知道代码的位置,而不是标号值。比如可能在RAM中或ROM中。
    bal 1f
    nop
@@ 第112行： / 第105行： @@
 :
    lw gp, 0(ra)
 . 这里执行lowlevel_init。这是第一个需要我们自己定义的函数。由于没有初始化堆栈，这里只能用汇编。我们看到在jalr后跟了个nop，这就是分支延迟槽，在这里什么也没有执行。
 . 下面执行了mips_cache_reset，它会来清理数据和指令的cache，并设置为正确的值。然后就可以打开cache了。
@@ 第172行： / 第166行： @@
       do_bootm_linux() --> 启动，当然要首先设置启动参数，然后跳到入口地址  bootm.c
             设置参数
-            setup_start_tag (bd);
+            setup_start_tag (bd)
-	   setup_serial_tag (&params);
+	   setup_serial_tag (&params)
-	   setup_revision_tag (&params);
+	   setup_revision_tag (&params)
-	   setup_memory_tags (bd); --> 这个是在start_armboot 的dram_init() 里设定好的。
+	   setup_memory_tags (bd) --> 这个是在start_armboot 的dram_init() 里设定好的。
-	   setup_commandline_tag (bd, commandline);  --> commandline 就是bootargs
+	   setup_commandline_tag (bd, commandline)  --> commandline 就是bootargs
 	   if (images->rd_start && images->rd_end)
-		setup_initrd_tag (bd, images->rd_start, images->rd_end);
+		setup_initrd_tag (bd, images->rd_start, images->rd_end)
-	   setup_videolfb_tag ((gd_t *) gd);
+	   setup_videolfb_tag ((gd_t *) gd)
-	   setup_end_tag (bd);
+	   setup_end_tag (bd)
             启动内核