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IC设计人员理解的Boot

已有 2690 次阅读| 2014-8-31 16:17

本人不是做驱动的，下面内容是查阅一些资料再加上自己的理解总结的，和大家讨论，欢迎指证！

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一、什么是Uboot

Uboot是德国DENX小组的开发用于多种嵌入式 cpu的bootloader程序, UBoot不仅仅支持嵌入式Linux系统的引导，当前，它还支持NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS嵌入式操作系统。UBoot除了支持PowerPC系列的处理器外，还能支持mips、 x86、arm、NIOS、XScale等诸多常用系列的处理器。

二、Uboot启动过程简介

多数bootloader都分为阶段1(stage1)和阶段2(stage2)两大部分，uboot也不例外。依赖于CPU体系结构的代码（如CPU初始化代码等）通常都放在阶段1中且通常用汇编语言实现，而阶段2则通常用C语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且有更好的可读性和移植性。

第一阶段的功能：

     1. 硬件设备初始化                 
     2. 加载U-Boot第二阶段代码到RAM空间                 
     3. 设置好栈                   
     4. 跳转到第二阶段代码入口     
          
  第二阶段的功能：

     1. 初始化本阶段使用的硬件设备
   2. 检测系统内存映射
   3. 将内核从Flash读取到RAM中
   4.为内核设置启动参数
   5. 调用内核

下面重点整理一些硬件相关的过程，以ARM926为例

1. 硬件设备初始化

   （1）设置异常向量表
   （2）将CPU的工作模式位设置为管理模式SVC
   （3）将中断禁止位和快中断禁止位置'1'，关闭IRQ和FIQ中断处理
   （4）关闭看门狗；
   （5）设置时钟相关寄存器MPLLCON,UPLLCON, CLKDIVN。

CPU上电几毫秒后，晶振输出稳定，FCLK=Fin（晶振频率），CPU开始执行指令。但实际上，FCLK可以用软件来启用PLL改变。设置PLL的寄存器后，CPU会停滞一段时间，等待频率稳定后再开始重新工作，中间停滞等待时间有的处理器通过寄存器设置，有的自动插入，总之这段时间CPU时钟不跳转，处于停滞状态，由硬件保障CPU的停止和恢复的正确性。
（6）关闭MMU，cache。

数据cache必须关闭，Bootloader主要是装载内核镜像，镜像数据必须真实写回SDRAM中，所以数据cache必须关闭，而对于指令cache，不存在强制性的规定，但在一般情况下，推荐关闭cache和MMU。
（7）初始化RAM控制寄存器

2. 复制U-Boot第二阶段代码到RAM

/* 判断U-Boot是否是下载到RAM中运行，若是，则不用再复制到RAM中了，这种情况通常在调试U-Boot时才发生 */

3. 设置堆栈，清除BSS段

4. 跳转到第二阶段代码入口

第二阶段的功能硬件工作人员关心较少，其中初始化本阶段使用的硬件设备主要和硬件有关，例如时钟、串口等外设。

三、重定位Relocate

BootLoader中的重定位（relocate）代码段是将BootLoader自身第二阶段的代码由Flash复制到SDRAM，以便跳转到SDRAM执行。之所以需要进行重定位是因为在Flash中执行速度比较慢，而系统复位后总是从0x00000000地址FLASH取指。

重定位代码，位于/U-Boot/cpu/s3c44b0/start.S ：

   relocate: /* relocate U-Boot to RAM */
   adrr0, _start /* r0 <- current position of code      */
   ldrr1, _TEXT_BASE    /* test if we run from flash or RAM    */
   cmp     r0, r1 /* don't reloc during debug         */
   beq     stack_setup
   ldrr2, _armboot_start
   ldrr3, _bss_start
   sub r2, r3, r2 /* r2 <- size of armboot    */
   add r2, r0, r2 /* r2 <- source end address */
copy_loop:    ldmia r0!, {r3-r10}     /* copy from source address [r0]   */
   stmia r1!, {r3-r10} /* copy to target address [r1] */
   cmp r0, r2 /* until source end address [r2]   */

ble copy_loop以上代码首先判断是否需要进行重定位（如果是调试状态，代码直接下载到SDRAM就不需要relocate），如果需要的话首先确定复制的源基址、源大小和目标基址，然后以r3 ~ r13为媒介，将BootLoader复制到SDRAM中。分析copy_loop很容易理解，这里主要分析relocate处的前两条指令：

1. adrr0, _start adr是一条伪指令，汇编器总是试图为它产生add/sub这样的指令，（在这里）以pc为基址装载目标寄存器。以下是arm-elf-objdump产生的反汇编代码： c700048: e24f0050 sub r0, pc, #80 ; 0x50e24f0050是指令对应的机器码，c700048是存放该机器码的地址（十六进制表示）。这个地址是怎么来的呢？在/U-Boot/config.mk中有问题的答案： LDFLAGS += -Bstatic -T $(LDSCRIPT) -Ttext $(TEXT_BASE) $(PLATFORM_LDFLAGS)上面的宏指定连接时的命令行参数，-Ttext设定了.text段的地址，而TEXT_BASE在/U-Boot/board/.../config.mk中定义为0x0C700000。这些信息最后都以硬编码的方式记录在程序映像文件中，程序的入口_start = TEXT_BASE = 0x0C700000 ： Disassembly of section .text:0c700000 <_start>: c700000: ea00000a b c700030 ...但是，程序映像是烧写到Flash中并开始执行的，而Flash的地址从0x00000000开始。于是，程序映像的第一条指令对齐到0x00000000处。相应的，这条adr指令的地址应对齐到0x00000048处，执行后r0等于0。

2. ldr r1, _TEXT_BASE 以下是arm-elf-objdump产生的反汇编代码： c70004c: e51f1034 ldr r1, [pc, #-52] ; c700020 <_TEXT_BASE>由此可见，这里的ldr并不是简单的将_TEXT_BASE地址处的4字节装载到r1，而同样是以pc为基址计算得到源地址的。这里的pc = 0x4c + 8 = 0x54，于是该指令把0x54 – 52 = 0x20处的4字节（即TEXT_BASE，亦即0x0C700000）装载到r1。

3. 源大小的确定

通过上面的分析，我们已经有了一个概念：程序的实际执行地址与连接时指定的加载地址可能是不一样的。我们已经得到BootLoader代码开始的运行时开始地址，存放于r0，还需要计算它的运行时结束地址。运行时结束地址 = 运行时开始地址 + 代码段大小。代码段大小由.bss段的期望开始地址 - .text段的期望开始地址获得。小结通过连接时的-Ttext选项，将.text段的地址硬编码到程序映像中。虽然程序映像在Flash中执行，其实际执行地址与期望执行地址不一致，但在relocate之前，通过以pc为基址进行相对寻址，使得这些代码的执行与其实际装载的地址无关。

三、重映射Remap

从Remap这个英文单词的构成不难看出，它是对此前已确立的存储器映射的再次修改。从本质上讲，Map和Remap是一样的，都是将地址编码资源分配给存储器块，只不过二者产生的时间不同：前者在系统上电的时刻发生，是任何计算机系统都必需的；而后者在系统上电后稳定运行的时刻发生，对计算机系统设计人员来说是可选的。典型的8位单片机系统中，就没有使用Remap技术。

Remap通常始于系统的Bootload过程。具体执行动作为：Bootload将FLASH中的异常向量复制到SDRAM块的一端，然后执行Remap命令，将位于SDRAM异常向量块映射到异常向量表地址空间(原FLASH地址)上。此后，系统若产生异常，CPU将从SDRAM中读取异常向量。Remap的目的就是让CPU可以快速跳入异常处理程序，获得最佳的实时异常响应。（中断向量表的设置要看当前CPU运行的模式。如果是实模式的话，中断向量表就在物理地址00000000h开始。如果是保护模式就复杂了，要用lgdt之类的命令来加载表，教写操作系统的书会有说的。）

Remap由处理器硬件实现，它会允许把内存地址空间的某一段映射到某个位置，ARM中常见的是在上电复位的时候自动把引导加载程序锁在FLASH的地址映射到0x00000000，在引导加载的过程中由软件通过设置某个内存重映射寄存器，然后把主存地址重映射到0x00000000。在这种重映射的情况下，访问映射的地址相当于直接访问对应的FLASH或者主存的地址。

四、Boot与硬件

通常Bootloader存储在Nor Flash上，可以直接运行。那能不能从NAND Flash启动呢？原则上不行，因为NAND Flash读写需要驱动程序的支持，Boot没完成前驱动程序不可用。但是为了解决这个问题，有些处理器在硬件上做了特殊处理，例如三星的S3C2440 有一个内部的 SDRAM 缓存称为“Steppingstone”,当上电的时候，Nand Flash 的首 4kbyte 会被自动导入到 Steppingstone 并且开始执行。所以，从NAND Flash启动只要保证它不超过4kbyte就好了。

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有的硬件系统与上述的有些差别，比如我公司设计的一款芯片，Bootloader第一段代码固化在芯片内部的ROM，Bootloader第二段代码固话在芯片外设SPI接口的Flash存储中，上电后先进行RomBoot，RomBoot执行Relocate任务，将Flash中的代码复制到DRAM中，然后切换时钟后跳转到DDR中执行，Remap最后完成。