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文件编号：DCC01
版本号：1.0
ARM上电启动及Uboot代码分析
部 门：
作 者：
联系方式：
日 期：
2013.03.08
时间
作者
主要修订内容
文件修订记录...
1
目录...
2
摘要...
4
1ARM上电取第一条指令流程...
5
1.1上电后的第一条指令在哪里？...
5
1.1.1norflash和nandflash的异同...
5
2Uboot.lds链接脚本分析...
7
2.1为什么要分析uboot链接脚本？...
7
2.2连接代码具体分析...
7
3Uboot中start.S文件分析...
9
3.1start.S详解...
9
3.1.1_start9
3.1.2reset9
3.1.3cpu_init_cp15.
11
3.1.4cpu_init_crit11
3.1.5lowlevel_init13
3.1.6s_init14
3.1.7call_board_init_f15
3.1.8board_init_f15
3.1.9relocate_code.
16
3.1.10clear_bss.
17
3.1.11jump_2_ram..
17
3.2本章小结...
18
4板级初始化及跳入Linux内核执行...
19
4.1board_init_r19
4.1.1三级标题...
19
4.2本章小结...
19
5Uboot异常处理...
20
5.1Uboot异常向量表...
20
5.1.1异常处理入口函数...
20
5.1.2异常处理函数跳转...
21
5.1.3异常真正处理函数...
22
5.2本章总结...
24
结论...
25
参考文献...
26
问题总结及解答...
27
附录...
29
网上关于ARM的bootloader（以Uboot为例）的启动顺序的资料有好多，但是对于Uboot的地址映射、体系结构级操作介绍很少，都是直接开始Start.s代码的阅读。本文拟详细分析Uboot从上电，到第一条指令的执行，同时分析代码对于cache、TLB等部件的操作过程。
以下内容以u-boot-2012.04.01源码为例，从网上很容易下载该版本。
首先明确：对于ARM芯片，启动时pc值由CPU设计者规定，不同的ARM CPU有不同的值，例如S3C2440芯片上电后PC值被硬件设计者规定为0x0；其他ARM芯片不一定是0x0。
第一章讲述的上电取第一条指令过程以S3C2440为例，该芯片是ARMv4T架构，其他芯片在原理上类似。
S3C2440的启动时读取的第一条指令是在内存0x00地址处，不管是从nand flash还是nor flash启动。
但是上电后内存中是没有数据的，那么0x00地址处的指令是如何放进去的？针对不同的flash（nandflash、norflash），操作方式是不同的，下面讲述从nandflash和norflash启动的不同流程。
1.1.1 norflash和nandflash的异同
nandflash：价格低，容量大，适合大容量数据存储，地址线和数据线共用I/O线，所有信息都通过一条线传送，类比于PC的硬盘，
norflash：价格贵，容量小，适合小容量的程序或数据存储，类似硬盘，但是能在其中运行程序；有独立地址线、数据线
sdram：主要用于程序执行时的程序存储、执行或计算，类比于PC的内存；
综上：norflash比较适合频繁随即读写的场合，通常用于存储代码并直接在其中运行。nandflash用于存储资料。
只要知道以上大概区别就行。以下说明ARM从两种flash启动方式的异同。
1.1.1.1 ARM从nandFlash启动
若从nandflash启动，上电后
nandflash控制器自动把nandflash存储器中的0——4K内容加载到芯片内的起步石（Steppingstone，
起步石这个机制是处理器中集成的功能，对程序员透明），即内部SRAM缓冲器中，同时把内部SRAM的起始地址设置为0x0（不同的CPU上电后的PC值不尽相同，对不同的CPU该值也不尽相同），然后把这段片内SRAM映射到nGCS0片选的空间，进而CPU开始从内部SRAM的0x0处开始取得第一条指令，
该过程全部是硬件自动完成，不需要程序代码控制。
或许你有个疑问，为什么不能直接把nandflash映射到0x0地址处？非要经过内部SRAM缓冲？
答案是，nandflash根本没有地址线，没法直接映射，必须使用SRAM做一个载体，通过SRAM把剩余的nandflash代码（即剩余的uboot启动代码）复制到SDRAM中运行。
若想从nandflash启动，那么uboot最核心的代码必须放在前4k完成。这4k代码要完成ARM CPU的核心配置以及将剩余的代码拷贝到SDRAM中（若从norflash启动则没有4k这个大小的限制，但是还会在完成最主要的设置后进入SDRAM中运行）。
1.1.1.2 ARM从norflash启动
若从norflash启动，则norflash直接被映射到内存的0x0地址处（就是
nGCS0，这里就不需要片内SRAM来辅助了，所以片内SRAM的起始地址不变，还是0x40000000），然后cpu从0x00000000开始执行（也就是在Norfalsh中执行）。
需要说明的是，uboot代码段（.text段）起始位置必须是与上电后PC值一致，即编译uboot时，TEXT_BASE宏必须设置成0x0 ，反汇编uboot文件后，文本段第一条指令的地址也是0.
总结：
1、从norflash还是从nandflash启动，是由ARM的OM1和OM0引脚组合决定
2、不管从norflash还是nandflash启动，S3C2440上电后的pc值为0x0
3、如果某芯片上电后PC值不是0x0，假如是0x38ff0000，那么从norflash启动时，硬件就要自动将其映射到0x38ff0000地址处；如果从nandflash启动，那么硬件就要自动将nandflash中的前4K内容加载到0x38ff0000地址处。
因为u-boot.lds决定了u-boot可执行映像的链接方式，以及各个段的装载地址（装载域）和执行地址（运行域），也就是说，Uboot.lds文件指定uboot.bin可执行文件放到ROM中的哪个地址、在运行时在RAM中运行的起始地址，具体内容涉及装载域和运行域的概念，这里不详述。
以u-boot-2012.04.01版本为例。
总结：
1、SECTION后面的段都是按照顺序放到内存中的，例如text段后面跟着rodata段
2、该文件中没有指定段的加载地址（用AT命令），没指定的情况下加载地址和执行地址是相同的，也就是说在uboot.bin在rom和ram中的地址相同。
上面分析的链接脚本中已经规定，首先启动的文件是
arch/arm/cpu/armv7/start.S。对于uboot的start.S，主要做的事情就是系统的各个方面的初始化，然后复制剩余代码到RAM中继续运行。
（1） 设置CPU模式
（2） 关闭cache, MMU, TLBs
（3） 设置栈，pll, mux, memory
（4） 设置watchdog, muxing, and clocks
（5） 板级初始化
（6） 自我拷贝到RAM中，并跳转到RAM中继续运行。
以下内容按照程序执行流程进行讲解，以ARMv7架构为例。
文本段第一条指令就是一条跳转指令：
根据1.1章的分析，如果uboot是烧写到norflash中的，那么一上电的_start标号肯定是在0x0处，如果uboot已经启动，程序运行过了relocate（见后面），那么该标号就会被移动到TEXT_BASE标号处，该标号是编译uboot时程序员指定的，具体数值见开发板的board/~/config.mk文件。
CPSR的位域见ARM手册，下图截图方便参考：
3.1.5 lowlevel_init
3.1.8 board_init_f
为什么uboot代码需要relocate？见问题总结及解答。
主要分析了uboot启动的第一阶段代码。
该函数在u-boot-2012.04.01archarmcpuarmv7omap-commonspl.c中。
其功能是：
（1） 初始化内存分配函数
（2） 如果系统有mmc设备，则初始化mmc设备
（3） 如果系统有nand设备，则初始化nand设备
（4） 进入uboot命令循环或者直接开始执行linux内核。
目前暂时不需要详细分析该部分代码，后期若需要会加上。
千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。
紧跟b reset后面的就是异常向量表，发生异常后pc会被自动置为相应的值，进入相应异常处理程序。
/*
* exception handlers
*/
.align 5
undefined_instruction:
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl
do_undefined_instruction
.align 5
software_interrupt:
get_bad_stack_swi
bad_save_user_regs
bl
do_software_interrupt
.align 5
prefetch_abort:
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_prefetch_abort
.align 5
data_abort:
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_data_abort
.align 5
not_used:
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_not_used
#ifdef CONFIG_USE_IRQ //如果在uboot中启用了用户中断，则跳入相应处理函
//数运行
.align 5
irq:
get_irq_stack
irq_save_user_regs
bl do_irq
irq_restore_user_regs
.align 5
fiq:
get_fiq_stack
/* someone ought to write a more effective fiq_save_user_regs*/
irq_save_user_regs
bl do_fiq
irq_restore_user_regs
#else //如果没有配置，则走另一条路径。
.align 5
irq:
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_irq
.align 5
fiq:
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_fiq
#endif /* CONFIG_USE_IRQ */
#endif /* CONFIG_SPL_BUILD*/
// u-boot-2012.04.01archarmlibInterrupts.c
void do_undefined_instruction (struct pt_regs *pt_regs)
{
printf ("undefinedinstruction
");
show_regs (pt_regs);
bad_mode ();
}
void do_software_interrupt (struct pt_regs *pt_regs)
{
printf ("software interrupt
");
show_regs (pt_regs);
bad_mode ();
}
void do_prefetch_abort (struct pt_regs *pt_regs)
{
printf ("prefetchabort
");
show_regs (pt_regs);
bad_mode ();
}
void do_data_abort (struct pt_regs *pt_regs)
{
printf ("dataabort
");
show_regs (pt_regs);
bad_mode ();
}
void do_not_used (struct pt_regs *pt_regs)
{
printf ("notused
");
show_regs (pt_regs);
bad_mode ();
}
void do_fiq (struct pt_regs *pt_regs)
{
printf ("fastinterrupt request
");
show_regs (pt_regs);
bad_mode ();
}
#ifndef CONFIG_USE_IRQ
void do_irq (struct pt_regs *pt_regs)
{
printf ("interruptrequest
");
show_regs (pt_regs);
bad_mode ();
}
#endif
void bad_mode (void) //以上异常处理函数都跳转到bad_mode，该函数只是
//挂起CPU，木有具体处理。
{
panic ("Resetting CPU ...
");
reset_cpu (0);
}
总结uboot下异常处理流程，发现ARMv7下的uboot没有实现异常处理，ARM的其他架构有，有可能是因为uboot代码不够新的原因。Uboot中的ARM异常处理流程都相同。
结论
参考文献
[1]
[2]
[3]
千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。
问题总结及解答
1、对于加载时地址和运行时地址不同的段，运行时它是怎么跳转到运行时地址的？
答： 连接地址<==>运行地址
存储地址<==>加载地址
（1）对于有操作系统时，运行地址与加载地址不同，在加载过程中装载器就把段加载到它应该去的连接地址处（也就是生成该段时的运行地址）
（2）对于uboot，运行地址与加载地址不同时，需要它自己（例如前4k代码）将自己加载到运行地址处执行。
Uboot.lds文件中起始地址是0x00，但是config.mk中的TEXT_BASE是0x57e00000，但是生成的uboot反汇编文件中，为什么start.s的第一条指令地址也是0x57e00000？不应该是0x00么？因为start.s的加载地址和运行地址都是0x00啊！？
答：Uboot.lds的0x00：
跟在SECTION后面的第一条
location counter，总是默认初始化为0。config.mk中的TEXT_BASE就是ROM在CPU上的地址，也就是说，不同的CPU已经规定了不同的ROM地址
2、关于为何不能直接用mov指令，而非要用adr伪指令？
把所有uboot代码拷贝到内存新地址处。
在分析uboot的start.S中，看到一些指令，比如：
adr r0, _start
觉得好像可以直接用mov指令实现即可，为啥还要这么麻烦地，去用ldr去实现？
关于此处的代码，为何要用adr指令：
adr r0, _start
其被编译器编译后，会被翻译成：sub r0, pc, #172
而不直接用mov指令直接将_start的值赋值给r0，类似于这样：
mov r0, _start
呢？
其原因主要是,
sub r0, pc, #172
这样的代码，所处理的值，都是相对于PC的偏移量来说的，这样的代码中，没有绝对的物理地址值，都是相对的值，利用产生位置无关代码。因为如果用mov指令：
mov r0, _start
那么就会被编译成这样的代码：
mov r0, 0x33d00000
如果用了上面这样的代码：
mov r0, 0x33d00000
那么，如果整个代码，即要执行的程序的指令，被移动到其他位置，那么
mov r0, 0x33d00000
这行指令，执行的功能，就是跳转到绝对的物理地址，而不是跳转到相对的_start的位置了，就不能实现我们想要的功能了，这样包含了绝对物理地址的代码，也就不是位置无关的代码了。
与此相对，这行指令：
sub r0, pc, #172
即使程序被移动到其他位置，那么该行指令还是可以跳转到相对PC往前172字节的地方，也还是我们想要的_start的位置，这样包含的都是相对的偏移位置的代码，就叫做位置无关代码。其优点就是不用担心你的代码被移动，即使程序的基地址变了，所有的代码的相对位置还是固定的，程序还是可以正常运行的。
关于，之所以不用上面的：
mov r0, 0x33d00000
类似的代码，除了上面说的，不是位置无关的代码之外，其还有个潜在的问题，那就是，关于mov指令的源操作数，此处即为0x33d00000，不一定是合法的mov 指令所允许的值。
【总结】
之所以用adr而不用mov，主要是为了生成地址无关代码，以及由于不方便判断一个数，是否是有效的mov的操作数。
3、为什么uboot代码需要relocate？
因为uboot启动时不在片外RAM中，为了加快运行，需要将uboot重新拷贝到RAM中运行。
附录
千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印！
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