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Bootloader启动流程分析
Bootloader引导过程可以分为一个阶段、多个阶段。
通常多阶段的 Bootloader能提供更为复杂的功能以及更好的可移植性。从固态存储设备上启动的 Bootloader大多都是两阶段的启动过程。第一阶段使用汇编来实现,它完成一些依赖于CPU体系结构的初始化,并调用第二阶段的代码;第二阶段则通常使用C语言来实现,这样可以实现更复杂的功能,而且代码会有更好的可读性和可移植性。 一般而言,这两个阶段完成的功能可以如下分类:Bootloader第一阶段的功能
硬件设备初始化
首先需要设置时钟,设置MPLL(具体参见下面的FCLK HCLK PCLK 部分)。接着设置CLKDIVN地址为0x4C000014,写入0x05,表示设置分频系数为FCLK:HCLK:PCLK=1:4:8。接着,关闭看门狗,关中断,启动ICache,关闭DCACHE和TLB,关闭MMU(ICACHE为指令缓存,可以不关闭,指令直接操作的硬件,实际的物理地址。但是DCACHE就必须要关闭,此时MMU没有使能,虚拟地址映射不成功,SDRAM无法访问,DCACHE无数据)。具体代码如下:
/* 设置时钟 */
ldr r0, =0x4c000014
// mov r1, #0x03;
mov r1, #0x05; // FCLK:HCLK:PCLK=1:4:8
str r1, [r0]
/* 如果HDIVN非0,CPU的总线模式应该从“fast bus mode”变为“asynchronous bus mode” */
mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0 /* 读出控制寄存器 */
orr r1, r1, #0xc0000000 /* 设置为“asynchronous bus mode” */
mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0 /* 写入控制寄存器 */
/* MPLLCON = S3C2440_MPLL_200MHZ */
ldr r0, =0x4c000004
ldr r1, =S3C2440_MPLL_400MHZ
str r1, [r0]
/* 启动ICACHE */
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ read control reg
orr r0, r0, #(1<<12)
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ write it back
这里具体讲下是如何设置FCLK HCLK PCLK。 FCLK又称为内核时钟,是提供给ARM920T 的时钟。 HCLK又称为总线时钟,是提供给用于存储器控制器,中断控制器,LCD 控制器,DMA 和 USB 主机模块的 AHB总线(advanced high-performance bus)的时钟。 PCLK又称为I/O接口时钟,是提供给用于外设如WDT,IIS,I2C,PWM 定时器,MMC/SD 接口,ADC,UART,GPIO,RTC 和SPI的 APB (advanced peripherals bus)总线的时钟。
S3C2440 FLCK值为400MHz,HCLK值为100MHz、PCLK值为50MHz。那么这些值通过什么方法计算出来呢?S3C2440上的时钟源是12MHz,如果想让CPU工作在更高频率上,就需要通过PLL(锁相环)来提高主频。S3C2440上的PLL有两种,一种是MPLL,它是用来产生FCLK、HCLK、PCLK的高频工作时钟;还有一种是UPLL,用来为USB提供工作频率。S3C2440时钟体系如下:
开启MPLL的过程:
1、设置LOCKTIME变频锁定时间
2、设置FCLK与晶振输入频率(Fin)的倍数
3、设置FCLK,HCLK,PCLK三者之间的比例
从手册上可以看到,LOCKTIME的默认时间是0xFFFFFFFF,控制方法如图:
(刚设置好PLL时,系统认为这是PLL还没稳定,所有这时不用PLL的时钟,而用外部晶振做时钟,将PLL锁住,过了LOCKTIME后认为PLL已经稳定了,才使用PLL给系统提供时钟)
__asm__(
"mrc p15, 0, r1, c1, c0, 0\n" /* 读出控制寄存器 */
"orr r1, r1, #0xc0000000\n" /* 设置为“asynchronous bus mode” */
"mcr p15, 0, r1, c1, c0, 0\n" /* 写入控制寄存器 */
);
为加载 Bootloader的第二阶段代码准备RAM空间(初始化内存空间)
lowlevel_init中设置相应BANK地址,主要用来设置SDRAM。内存是被映射在了0x30000000-0x40000000的位置,即bank6与bank7。那么在内存时序设置的时候,主要关心的,就是bank6与bank7。当然,bank0也是需要关注的,因为它是启动时,启动程序存放的位置。但是bank0是由OM[1:0],即板子上的那几个小开关中的两个来控制的,所以这里程序上是不用管它的。
SMRDATA:
.long 0x22011110 //BWSCON
.long 0x00000700 //BANKCON0
.long 0x00000700 //BANKCON1
.long 0x00000700 //BANKCON2
.long 0x00000700 //BANKCON3
.long 0x00000740 //BANKCON4
.long 0x00000700 //BANKCON5
.long 0x00018005 //BANKCON6
.long 0x00018005 //BANKCON7
.long 0x008C04F4 // REFRESH
.long 0x000000B1 //BANKSIZE
.long 0x00000030 //MRSRB6
.long 0x00000030 //MRSRB7
接下来设置栈地址指向NAND,准备初始化NANDFLASH。
ldr sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)//等于0x30000f80
bic sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */
bl nand_init_ll
初始化NANDFLASH,其中包括设置时序NFCONF,(参考芯片手册和2440手册设置nandflsh的启动时序)。TACLS表示的建立所用的时间,TWRPH0表示nWE写控制信号的持续时间,TWRPH1表示数据生效所用的时间,什么时候可以读数据。 最后就是使能NFCONT NAND Flash控制器,初始化ECC, 禁止片选。到这里,NANDFLASH的初始化就完成了。下面就可以进行重定位了。
void nand_init_ll(void)
{
#define TACLS 0
#define TWRPH0 1
#define TWRPH1 0
/* 设置时序 */
NFCONF = (TACLS<<12)|(TWRPH0<<8)|(TWRPH1<<4);
/* 使能NAND Flash控制器, 初始化ECC, 禁止片选 */
NFCONT = (1<<4)|(1<<1)|(1<<0);
}
复制 Bootloader的第二阶段代码到SDRAM空间中(重定位)
首先判断是NOR启动还是NAND启动,如果是NAND启动就直接拷贝数据。拷贝代码之前,要传递给拷贝函数三个参数,源,目的,长度。读取NAND的话要参考芯片手册的NAND读取数据的时序,选中NAND,发出读命令,发出地址,发出读命令,判断状态,读取数据,取消选中等。
bl copy_code_to_sdram
bl clear_bss //清除bss段(参考自制uboot章节)
void copy_code_to_sdram(unsigned char *src, unsigned char *dest, unsigned int len)
{
int i = 0;
/* 如果是NOR启动 */
if (isBootFromNorFlash())
{
while (i < len)
{
dest[i] = src[i];
i++;
}
}
else
{
//nand_init();
nand_read_ll((unsigned int)src, dest, len);
}
}
void clear_bss(void)
{
extern int __bss_start, __bss_end__;
int *p = &__bss_start;
for (; p < &__bss_end__; p++)
*p = 0;
}
最后要清除bss。bss段不占用空间,都是未初始化的全局变量或者已经初始化为零的变量,本来就是零,直接清零就好。不清零的话未初始化的变量可能会存在未知的数值。
设置好栈
设置栈跳转到SDRAM执行。
ldr pc,=call_board_init_f //绝对跳转,跳到SDRAM上执行
跳转到第二阶段代码的C入口点
跳转到SDRAM执行剩下的程序。
call_board_init_f:
.globl base_sp
base_sp:
.long 0
ldr r0,=0x00000000
bl board_init_f
/*unsigned int id 的值存在r0中,正好给board_init_r使用*/
ldr r1, =_TEXT_BASE
/*重新设置栈到之前的位置 指向原来addr_sp += 128;*/
ldr sp,base_sp
/*调用第二阶段代码*/
bl board_init_r
Bootloader第二阶段的功能
初始化本阶段要使用到的硬件设备
为了方便开发,至少要初始化一个串口以便程序员与 Bootloader进行交互。
检测系统内存映射( memory map)
所谓检测内存映射,就是确定板上使用了多少内存、它们的地址空间是什么。由于嵌入式开发中 Bootloader多是针对某类板子进行编写,所以可以根据板子的情况直接设置,不需要考虑可以适用于各类情况的复杂算法。
将内核映象和根文件系统映象从 Flash上读到SDRAM空间中
Flash上的内核映象有可能是经过压缩的,在读到SDRAM之后,还需要进行解压。当然,对于有自解压功能的内核,不需要 Bootloader来解压。将根文件系统映象复制到SDRAM中,这不是必需的。这取决于是什么类型的根文件系统以及内核访问它的方法。
将内核存放在适当的位置后,直接跳到它的入口点即可调用内核。调用内核之前,下列条件要满足: (1)CPU寄存器的设置 R0=0(规定)。 R1=机器类型ID;对于ARM结构的CPU,其机器类型ID可以参见 linux/arch/arm tools/ mach-types R2=启动参数标记列表在RAM中起始基地址(下面会详细介绍如何传递参数)。 (2)CPU工作模式 必须禁止中断(IRQ和FIQ,uboot启动是一个完整的过程,没有必要也不能被打断) CPU必须为SVC模式(为什么呢?主要是像异常模式、用户模式都不合适。具体深入的原因自己可以查下资料)。 (3) Cache和MMU的设置 MMU必须关闭。 指令 Cache可以打开也可以关闭。 数据 Cache必须关闭。
为内核设置启动参数
Bootloader与内核的交互是单向的, Bootloader将各类参数传给内核。由于它们不能同时行,传递办法只有一个:Bootloader将参数放在某个约定的地方之后,再启动内核,内核启动后从这个地方获得参数。
除了约定好参数存放的地址外,还要规定参数的结构。Linu2.4x以后的内核都期望以标记列表( tagged_list)的形式来传递启动参数。标记,就是一种数据结构;标记列表,就是挨着存放的多个标记。标记列表以标记 ATAG CORE
开始,以标记 ATAG NONE
结束。
标记的数据结构为tag,它由一个 tag_header结构和一个联合(union)组成。 tag_ header结构表小标记的类型及长度,比如是表示内存还是表示命令行参数等。对于不同类型的标记使用不同的联合(union),比如表示内存时使用 tag_mem32,表示命令行时使用 tag_cmdline。
bootloader与内核约定的参数地址,设置内存的起始地址和大小,指定根文件系统在那个分区,系统启动后执行的第一个程序linuxrc,控制台ttySAC0等。
调用内核
调用内核就是uboot启动的最后一步了。到这里就uboot就完成了他的使命。
uboot启动内核详解
下面我们来展开说下uboot具体是如何调用内核的,引导内核启动的。
uboot与Linux内核之间的参数传递
我们知道,uboot启动后已经完成了基本的硬件初始化(如:内存、串口等),接下来它的主要任务就是加载Linux内核到开发板的内存,然后跳转到Linux内核所在的地址运行。
具体是如何跳转呢?做法很简单,直接修改PC寄存器的值为Linux内核所在的地址,这样CPU就会从Linux内核所在的地址去取指令,从而执行内核代码。
在前面我们已经知道,在跳转到内核以前,uboot需要做好以下三件事情:
(1) CPU寄存器的设置 R0=0。 R1=机器类型ID;对于ARM结构的CPU,其机器类型ID可以参见 linux/arch/arm tools/ mach-types R2=启动参数标记列表在RAM中起始基地址。 (2) CPU工作模式 必须禁止中断(IRQs和FIQs) CPU必须为SVC模式 (3) Cache和MMU的设置 MMU必须关闭 指令 Cache可以打开也可以关闭 数据 Cache必须关闭
其中上面第一步CPU寄存器的设置中,就是通过R0,R1,R2三个参数给内核传递参数的。(ATPCS规则可以参考)
为什么要给内核传递参数呢?
在此之前,uboot已经完成了硬件的初始化,可以说已经”适应了“这块开发板。然而,内核并不是对于所有的开发板都能完美适配的(如果适配了,可想而知这个内核有多庞大,又或者有新技术发明了,可以完美的适配各种开发板),此时对于开发板的环境一无所知。所以,要想启动Linux内核,uboot必须要给内核传递一些必要的信息来告诉内核当前所处的环境。
如何给内核传递参数?
因此,uboot就把机器ID通过R1传递给内核,Linux内核运行的时候首先就从R1中读取机器ID来判断是否支持当前机器。这个机器ID实际上就是开发板CPU的ID,每个厂家生产出一款CPU的时候都会给它指定一个唯一的ID,大家可以到uboot源码的arch\arm\include\asm\mac文件中去查看。
除了约定好参数存放的地址外,还要规定参数的结构。Linux2.4.x以后的内核都期望以标记列表(tagged_list)的形式来传递启动参数。标记,就是一种数据结构;标记列表,就是挨着存放的多个标记。标记列表以标记ATAG_CORE
开始,以标记ATAG_NONE
结束。
标记的数据结构为tag,它由一个tag_header结构和一个联合(union)组成。tag_header结构表示标记的类型及长度,比如是表示内存还是表示命令行参数等。对于不同类型的标记使用不同的联合(union),比如表示内存时使用tag_ mem32,表示命令行时使用 tag_cmdline。具体代码见arch\arm\include\asm\。
tag-> = ATAG_CORE;
tag-> = tag_size(tag_core);
tag->u.core.flags = params->u1.s.flags & FLAG_READONLY;
tag->u.core.pagesize = params->u1.s.page_size;
tag->u.core.rootdev = params->u1.s.rootdev;
tag = tag_next(tag);
涉及到的结构体定义如下
struct tag_header {
__u32 size;
__u32 tag;
};
/* The list must start with an ATAG_CORE node */
#define ATAG_CORE 0x54410001
struct tag_core {
__u32 flags; /* bit 0 = read-only */
__u32 pagesize;
__u32 rootdev;
};
其中tag_next,tag_size定义如下,指向当前标记的结尾
#define tag_next(t) ((struct tag *)((u32 *)(t) + (t)->))
#define tag_size(type) ((sizeof(struct tag_header) + sizeof(struct type)) >> 2)
(2)设置内存标记
t-> = ATAG_MEM;
t-> = tag_size(tag_mem32);
t->u.mem.start = CFG_GLOBAL_RAM_BASE;
t->u.mem.size = CFG_GLOBAL_RAM_SIZE;
t = tag_next(t);
相关结构体定义如下
#define ATAG_MEM 0x54410002
struct tag_mem32 {
__u32 size;
__u32 start; /* physical start address */
};
(3)设置命令行参数标记
命令行参数是一个字符串,一般用它来告诉内核挂载根文件系统的方式。由uboot的bootargs环境变量提供,它的内容有如下两种格式
root=nfs nfsroot=202.193.61.237:/work/nfs_root/first_fs ip=202.193.61.196 init=/linuxrc console=ttySAC0,115200
root=/dev/mtdblock2 ip=202.193.61.196 init=/linuxrc console=ttySAC0,115200
名称 | 含义 |
---|---|
root | 告诉Linux内核挂载根文件系统的方式,nfs表示以NFS服务的方式挂载根文件系统,/dev/mtdblock2表示根文件系统在MTD设置的第二个分区上。 |
nfsroot | 告诉Linux内核,以NFS方式挂载根文件系统时,根文件系统所在主机的P地址和路径 |
ip | 告诉Linux内核,启动后它的p地址 |
init | 告诉Linux内核,启动的第一个应用程序是根目录下的linuxrc程序 |
console | 告诉Linux区内核,控制台为ttySAC0,波特率为115200 |
tag = tag_next(tag);
tag-> = ATAG_CMDLINE;
tag-> = (strlen(params->commandline) + 3 +
sizeof(struct tag_header)) >> 2;
strcpy(tag->u.cmdline.cmdline, params->commandline);
tag = tag_next(tag);
相关结构体定义如下
/* command line: \0 terminated string */
#define ATAG_CMDLINE 0x54410003
struct tag_cmdline {
char cmdline[1]; /* this is the minimum size */
};
(4)设置结束标记
tag-> = ATAG_NONE;
tag-> = 0;
我们明白了运行Linux区内核的时候,uboot需要给内核的传递的参数,接下来我们就来看看如何从uboot中跳到Linux内核。
uboot跳转到Linux内核
在uboot中可以使用go和bootm来跳转到内核,这两个命令的区别如下:
(1) go命令仅仅修改pc的值到指定地址
格式:go addr
(2) bootm命令是uboot专门用来启动uImage格式的Linux内核,它在修改pc的值到指定地址之前,会设置传递给Linux内核的参数,用法如下:
格式:bootm addr
uboot中bootm命令实现
bootm命令在uboot源码common中实现,它的功能如下:
(1)读取uImage头部,把内核拷贝到合适的地方。
(2)把参数给内核准备好。
(3)引导内核。
当我们使用我们在uboot使用bootm命令后,bootm命令会从uImage头中读取信息后,发现是Linux内核,就会调用do_bootm_linux()函数,函数的具体实现boo中
int do_bootm_linux(int flag, int argc, char *argv[], bootm_headers_t *images)
{
/* No need for those on ARM */
if (flag & BOOTM_STATE_OS_BD_T || flag & BOOTM_STATE_OS_CMDLINE)
return -1;
if (flag & BOOTM_STATE_OS_PREP) {
boot_prep_linux(images);
return 0;
}
if (flag & BOOTM_STATE_OS_GO) {
boot_jump_linux(images);
return 0;
}
boot_prep_linux(images);
boot_jump_linux(images);
return 0;
}
do_bootm_linux 函数最终会 跳转执行 boot_prep_linux 和 boot_jump_linux 函数,首先分析 boot_prep_linux 函数(位于 boo 文件中):
static void boot_prep_linux(bootm_headers_t *images)
{
char *commandline = getenv("bootargs"); //从环境变量中获取 bootargs 的值
。。。。。。。
setup_board_tags(¶ms);
setup_end_tag(gd->bd); //将 tag 参数保存在指定位置
} else {
printf("FDT and ATAGS support not compiled in - hanging\n");
hang();
}
do_nonsec_virt_switch();
}
从代码可以看出来,boot_prep_linux,主要功能是将 tag 参数保存到指定位置,比如 bootargs 环境变量 tag,串口 tag,接下来分析 boot_jump_linux 函数(位于 boo 文件中):
static void boot_jump_linux(bootm_headers_t *images, int flag)
{
unsigned long machid = gd->bd->bi_arch_number; //获取机器id (在 board/samsung/jz2440 中设置,为 MACH_TYPE_SMDK2410(193))
char *s;
void (*kernel_entry)(int zero, int arch, uint params);
unsigned long r2;
int fake = (flag & BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO);
kernel_entry = (void (*)(int, int, uint))images->ep; //获取 kernel的入口地址,此处应为 30000000
s = getenv("machid"); //从环境变量里获取机器id (本例中还未在环境变量里设置过机器 id)
if (s) { //判断环境变量里是否设置机器id
strict_strtoul(s, 16, &machid); //如果设置则用环境变量里的机器id
printf("Using machid 0x%lx from environment\n", machid);
}
debug("## Transferring control to Linux (at address %08lx)" \
"...\n", (ulong) kernel_entry);
bootstage_mark(BOOTSTAGE_ID_RUN_OS);
announce_and_cleanup(fake);
if (IMAGE_ENABLE_OF_LIBFDT && images->ft_len)
r2 = (unsigned long)images->ft_addr;
else
r2 = gd->bd->bi_boot_params; //获取 tag参数地址,gd->bd->bi_boot_params在 setup_start_tag 函数里设置
if (!fake) kernel_entry(0, machid, r2); } //进入内核
通过分析可以看出,最终进入内核的函数为 :
kernel_entry(0, machid, r2)
到这里bootm就成功给内核传递了参数,并跳转到了内核。关于go命令的实现可以自己参考内核,在cmd_boot.c文件中,所不同的是,go命令实现的时候没有设置参数,只是简单的跳转执行。如果想要使用go来跳转到Linux内核,我们需要做简单的修改,有兴趣的可以自己研究下,这里就不展开讲了。
至此,uboot就启动了内核。启动内核后就是挂载根文件系统了,下篇将具体介绍是如何挂载根文件系统的。 构建根文件系统
内核镜像格式vmlinuz和zImage和uImage
最后插讲下内核的不同映像格式的区别:
(1)uboot经过编译直接生成的elf格式的可执行程序是u-boot,这个程序类似于windows下的exe格式,在操作系统下是可以直接执行的。但是这种格式不能用来烧录下载。我们用来烧录下载的是u-boot.bin,这个东西是由u-boot使用arm-linux-objcopy工具进行加工(主要目的是去掉一些无用的)得到的。这个u-boot.bin就叫镜像(image),镜像就是用来烧录到iNand中执行的。
(2)linux内核经过编译后也会生成一个elf格式的可执行程序,叫vmlinux或vmlinuz,这个就是原始的未经任何处理加工的原版内核elf文件;嵌入式系统部署时烧录的一般不是这个vmlinuz/vmlinux,而是要用objcopy工具去制作成烧录镜像格式(就是u-boot.bin这种,但是内核没有.bin后缀),经过制作加工成烧录镜像的文件就叫Image(制作把78M大的精简成了7.5M,因此这个制作烧录镜像主要目的就是缩减大小,节省磁盘)。
(3)原则上Image就可以直接被烧录到Flash上进行启动执行(类似于u-boot.bin),但是实际上并不是这么简单。实际上linux的作者们觉得Image还是太大了所以对Image进行了压缩,并且在image压缩后的文件的前端附加了一部分解压缩代码。构成了一个压缩格式的镜像就叫zImage。(因为当年Image大小刚好比一张软盘(软盘有2种,1.2M的和1.44MB两种)大,为了节省1张软盘的钱于是乎设计了这种压缩Image成zImage的技术)。
(4)uboot为了启动linux内核,还发明了一种内核格式叫uImage。uImage是由zImage加工得到的,uboot中有一个工具,可以将zImage加工生成uImage。注意:uImage不关linux内核的事,linux内核只管生成zImage即可,然后uboot中的mkimage工具再去由zImage加工生成uImage来给uboot启动。这个加工过程其实就是在zImage前面加上64字节的uImage的头信息即可。
(5)原则上uboot启动时应该给他uImage格式的内核镜像,但是实际上uboot中也可以支持zImage,是否支持就看x210_中是否定义了LINUX_ZIMAGE_MAGIC这个宏。所以大家可以看出:有些uboot是支持zImage启动的,有些则不支持。但是所有的uboot肯定都支持uImage启动。
(6)如果直接在kernel底下去make uImage会提供mkimage command not found。解决方案是去uboot/tools下cp mkimage /usr/local/bin/,复制mkimage工具到系统目录下。再去make uImage即可。
通过上面的介绍我们了解了内核镜像的各种格式,如果通过uboot启动内核,Linux必须为uImage格式。
大家的鼓励是我继续创作的动力,如果觉得写的不错,欢迎关注,点赞,收藏,转发,谢谢!
本文参考:<嵌入式Linux应用开发完全手册>
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