u-boot分析四 (程序入口start.S)

NXP

u-boot分析四 (程序入口start.S)

2019-07-12 13:29发布生成海报

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u-boot分析四 (程序入口start.S)

注：部分内容摘抄自网络，如有问题，请联络博主。

本文内容：了解以stars.S为开始的ARM汇编程序部分。

回顾前几篇博文，咱们见识过了u-boot的目录结构，另外简要分析了u-boot.lds脚本文件的link原理。而今天我们要来听听嵌入式程序君告诉咱们的第一句“话”。

正式开始之前，我们需要准备三样东西：

u-boot source code
常用ARM指令集
Source Insight(用于trace code，使用方法略过，不会问百度)

bootloader通常stage1和stage2两步骤，u-boot也不例外。

Stage1：依赖于CPU体系结构的代码（如设备初始化代码等）通常都放在这个程序段，且可以用汇编语言来实现；
stage2：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。

具体的说，

Stage1 start.S代码结构
u-boot的stage1代码通常放在start.S文件中，用汇编语言写成，其主要代码部分如下：
(1) 定义入口。由于一个可执行文件必须有一个入口点，并且只能有一个全局入口，通常这个入口放在ROM（Flash）的0x0地址。因此，必须通知编译器以使其知道这个入口，该工作可通过修改链接器脚本(.lds文件)来完成。
(2) 设置异常向量（Exception Vector）。
(3) 设置CPU的速度、时钟频率及终端控制寄存器。
(4) 初始化内存控制器。
(5) 将ROM中的代码复制到RAM中。
(6) 初始化堆栈。
(7) 转到RAM中执行，该工作可使用指令ldr pc来完成。
Stage2 C语言代码部分
./arch/arm/lib/board.c中的board_init_r()是C语言开始的函数，也是整个启动代码中C语言的主函数，同时还是整个u-boot(armboot)的主函数，该函数主要完成如下操作：
(1) 调用一系列的初始化函数。
(2) 初始化Flash设备。
(3) 初始化系统内存分配函数。
(4) 如果目标系统拥有NAND设备，则初始化NAND设备。
(5) 如果目标系统有显示设备，则初始化该类设备。
(6) 初始化相关网络设备，填写IP、MAC地址等。
(7) 进去命令循环（即整个boot的工作循环），接收用户从串口输入的命令，然后进行相应的工作。

事不宜迟，我们赶紧打开start.S：
./arch/arm/cpu/slsiap/s5p4418/start.S

/*
 * armboot - Startup Code for NXPxxxx/ARM Cortex CPU-core
 */

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

/*
 *************************************************************************
 *
 * Exception vectors as described in ARM reference manuals
 *
 * replace arm/lib/vectors.S
 *
 *************************************************************************
 */
    .globl  _stext  
    /*程序的全局入口，《u-boot分析 三》中u-boot.lds设置此入口地址为0x00000000*/
_stext:
    b   reset
    /*参阅《常用ARM指令集及汇编》可知，b为跳转指令，跳转到reset函数处，reset在后面*/

    /*ARM体系结构规定在上电复位后的起始位置，必须有8条连续的跳转指令，通过硬件实现。他们就是异常向量表*/
    /*ldr，用于加载32bit的立即数或一个地址值到指定寄存器*/
    ldr pc, _undefined_instruction /*未定义指令异常,0x04*/
    ldr pc, _software_interrupt    /*软中断异常,0x08*/
    ldr pc, _prefetch_abort        /*内存操作异常,0x0c*/
    ldr pc, _data_abort            /*数据异常,0x10*/
    ldr pc, _not_used              /*未使用,0x14*/
    ldr pc, _irq                   /*慢速中断异常,0x18*/
    ldr pc, _fiq                   /*快速中断异常,0x1c*/

/*.word的意思是将后边的符号所对应的32bit值赋予前面的符号*/
/*而如下的七条语句，后面的符号正好是对应的中断异常服务程序的入口地址*/
/*这七个中断服务程序位于./arch/arm/cpu/slsiap/s5p4418/vector.S*/
_undefined_instruction: .word undefined_instruction
_software_interrupt:    .word software_interrupt
_prefetch_abort:    .word prefetch_abort
_data_abort:        .word data_abort
_not_used:      .word not_used
_irq:           .word irq
_fiq:           .word fiq

    .balignl 16,0xdeadbeef
    /*16bytes对齐，并且使用0xdeadbeef填充*/

    /*.balignl是.balign的变体
    .align伪操作用于表示对齐方式：通过添加填充字节使当前位置满足一定的对齐方式。
    .balign的作用同.align。
    .align {alignment} {,fill} {,max}
    其中：
        alignment用于指定对齐方式，可能的取值为2的次幂，缺省为4。
        fill是填充内容，缺省用0填充。
        max是填充字节数最大值，如果填充字节数超过max，就不进行对齐*/

/*
 *************************************************************************
 *
 * Text and section base
 *
 *************************************************************************
 */

.globl TEXT_BASE
/*全局定义TEXT_BASE*/
TEXT_BASE:
    .word   CONFIG_SYS_TEXT_BASE
    /*TEXT_BASE使用.word赋予的值为CONFIG_SYS_TEXT_BASE，而CONFIG_SYS_TEXT_BASE是在
    u-boot/include/configs/s5p4418_urbetter.h中定义，值为0x42c00000*/

/*
 * These are defined in the board-specific linker script(u-boot.lds中定义)，可参看前面的博客
 */
.globl _bss_start_ofs
_bss_start_ofs:
    .word __bss_start - _stext

.globl _bss_end_ofs
_bss_end_ofs:
    .word __bss_end - _stext

.globl _end_ofs
_end_ofs:
    .word _end - _stext

/*
 *************************************************************************
 *
 * Reset handling
 *
 *************************************************************************
 */

    .globl reset
    /*这里便是reset函数的入口*/
    /*其实在CPU一上电以后就是跳到这里执行的*/

reset:
    bl  save_boot_params
    /*call save_boot_params，此函数在下面有定义，但是实际do nothing*/

    /*
     * set the CPU to SVC32 mode，即管理模式
     */
    /*对状态寄存器CPSR的修改要按照：读出-修改-写回的顺序来执行*/
    /*
    31  30  29  28 ----- 7   6   -   4   3   2   1   0
    N   Z   C   V        I   F       M4  M3  M2  M1 M0
                                     0   0   0   0   0     User26 模式
                                     0   0   0   0   1     FIQ26 模式
                                     0   0   0   1   0     IRQ26 模式
                                     0   0   0   1   1     SVC26 模式
                                     1   0   0   0   0     User 模式
                                     1   0   0   0   1     FIQ 模式
                                     1   0   0   1   0     IRQ 模式
                                     1   0   0   1   1     SVC 模式
                                     1   0   1   1   1     ABT 模式
                                     1   1   0   1   1     UND 模式
                                     1   1   1   1   1     SYS 模式
    */

    mrs r0, cpsr
    /*读出cpsr的值*/
    bic r0, r0, #0x1f
    /*清零低5位*/
    orr r0, r0, #0xd3
    /*0xd3，即1 1 0 1 0 0 1 1，即为SVC模式，禁止IRQ,FIQ中断(bit6,7)*/
    msr cpsr,r0
    /*写回cpsr使其生效*/

    /* the mask ROM code should have PLL and others stable */
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
/*UT4418 u-boot source code中没有define CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT，所以如下两条命令会执行*/
    bl  cpu_init_cp15
    /*bl为跳转指令，即call cpu_init_cp15函数，该函数在下面定义，主要功能是
    Invalidate L1 I/D，disable MMU stuff and I-cache*/

    bl  cpu_init_crit
    /*继续调用cpu_init_crit函数，函数定义在下面，该函数中只有一句函数，即b lowlevel_init，
    lowlevel_init函数的具体功能，此处先略过*/
#endif

#ifdef CONFIG_RELOC_TO_TEXT_BASE
/*u-boot/include/configs/s5p4418_urbetter.h中define CONFIG_RELOC_TO_TEXT_BASE*/

relocate_to_text:
/*程序继续执行，此程序段便是要将ROM中的code copy到TEXT_BASE处，即从0x0开始的数据copy到0x42c00000处*/

    /*
     * relocate u-boot code on memory to text base
     * for nexell arm core (add by jhkim)
     */

    adr r0, _stext              /* r0 <- current position of code   */
    ldr r1, TEXT_BASE           /* test if we run from flash or RAM */
    cmp r0, r1                  /* don't reloc during debug         */
    beq clear_bss

    ldr r2, _bss_start_ofs
    add r2, r0, r2              /* r2 <- source end address         */

copy_loop_text:
    ldmia   r0!, {r3-r10}       /* copy from source address [r0]    */
    stmia   r1!, {r3-r10}       /* copy to   target address [r1]    */
    cmp r0, r2                  /* until source end addreee [r2]    */
    ble copy_loop_text

    ldr r1, TEXT_BASE           /* restart at text base */
    mov pc, r1
    /*程序从TEXT_BASE处开始执行*/

clear_bss:
    ldr r0, _bss_start_ofs
    ldr r1, _bss_end_ofs
    ldr r4, TEXT_BASE           /* text addr */
    add r0, r0, r4
    add r1, r1, r4
    mov r2, #0x00000000         /* clear */

clbss_l:str r2, [r0]            /* clear loop... */
    add r0, r0, #4
    cmp r0, r1
    bne clbss_l

#ifdef CONFIG_MMU_ENABLE
/*同样在u-boot/include/configs/s5p4418_urbetter.h中已经define*/

    bl  mmu_turn_on
    /*ROM到RAM的copy完成后，继续调用 mmu_turn_on函数，此函数位于/u-boot/arch/arm/cpu/slsiap/s5p4418/mmu_asm.S
    主要功能是打开MMU，详细过程需要进一步trace code*/
#endif

    ldr sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
    /*u-boot/include/configs/s5p4418_urbetter.h中
    define CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR = CONFIG_SYS_TEXT_BASE，即0x42c00000*/

    bic sp, sp, #7
    /* 8-byte alignment for ABI compliance */

    sub sp, #GD_SIZE
    /* allocate one GD above SP */

    bic sp, sp, #7
    /* 8-byte alignment for ABI compliance */

    mov r9, sp
    /* GD is above SP */

    mov r0, #0
    bl  board_init_f
    /*call board_init_f, /u-boot/arch/arm/lib/board.c*/

    mov sp, r9
    /* SP is GD's base address */

    bic sp, sp, #7
    /* 8-byte alignment for ABI compliance */

    sub sp, #GENERATED_BD_INFO_SIZE
    /* allocate one BD above SP */

    bic sp, sp, #7
    /* 8-byte alignment for ABI compliance */

    mov r0, r9
    /* gd_t *gd */

    ldr r1, TEXT_BASE
    /* ulong text */

    mov r2, sp
    /* ulong sp */

    bl  gdt_reset
    /*调用gdt_reset函数初始化gdt，u-boot/arch/arm/cpu/slsisp/s5p4418/Cpu.c*/

    /* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */
    mov r0, r9                          /* gd_t */
    ldr r1,  =(CONFIG_SYS_MALLOC_END)   /* dest_addr for malloc heap end */
    /* call board_init_r */
    ldr pc, =board_init_r
    /* this is auto-relocated! */
    /*board_init_r变开始进入Stage2，/u-boot/arch/arm/lib/board.c*/

#else   /* CONFIG_RELOC_TO_TEXT_BASE */

    bl  _main
#endif

/*------------------------------------------------------------------------------*/

ENTRY(c_runtime_cpu_setup)
/*
 * If I-cache is enabled invalidate it
 */
#ifndef CONFIG_SYS_ICACHE_OFF
    mcr p15, 0, r0, c7, c5, 0   @ invalidate icache
    mcr     p15, 0, r0, c7, c10, 4  @ DSB
    mcr     p15, 0, r0, c7, c5, 4   @ ISB
#endif
/*
 * Move vector table
 */
    /* Set vector address in CP15 VBAR register */
    ldr     r0, =_stext
    mcr     p15, 0, r0, c12, c0, 0  @Set VBAR

    bx  lr

ENDPROC(c_runtime_cpu_setup)

/*************************************************************************
 *
 * void save_boot_params(u32 r0, u32 r1, u32 r2, u32 r3)
 *  __attribute__((weak));
 *
 * Stack pointer is not yet initialized at this moment
 * Don't save anything to stack even if compiled with -O0
 *
 *************************************************************************/
ENTRY(save_boot_params)
    bx  lr          @ back to my caller
ENDPROC(save_boot_params)
    .weak   save_boot_params

/*************************************************************************
 *
 * cpu_init_cp15
 *
 * Setup CP15 registers (cache, MMU, TLBs). The I-cache is turned on unless
 * CONFIG_SYS_ICACHE_OFF is defined.
 *
 *************************************************************************/
ENTRY(cpu_init_cp15)
    /*
     * Invalidate L1 I/D
     */
    /*MRC，协处理器寄存器到ARM寄存器的数据传输指令。MRC将协处理器寄存器中的数据传送到
    ARM处理器的寄存器中。若协处理器不能成功执行该操作，将产生未定义异常中断*/

    mov r0, #0
    /*set up for MCR*/
    mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0
    /*invalidate TLBs，使TLBs无效*/
    mcr p15, 0, r0, c7, c5, 0
    /*invalidate icache，使icache无效*/
    mcr p15, 0, r0, c7, c5, 6
    /*invalidate BP array*/

    /*如下两条命令，参考http://blog.csdn.net/itxiebo/article/details/50957808
    了解即可，甚至可以直接跳过分析*/
    dsb
    isb

    /*
     * disable MMU stuff and caches
     */
    mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
    bic r0, r0, #0x00002000 
    /*clear bits 13 (--V-)*/
    bic r0, r0, #0x00000007
    /*clear bits 2:0 (-CAM)*/
    orr r0, r0, #0x00000002
    /*set bit 1 (--A-) Align*/
    orr r0, r0, #0x00000800
    /*set bit 11 (Z---) BTB*/
#ifdef CONFIG_SYS_ICACHE_OFF
    bic r0, r0, #0x00001000
    /*clear bit 12 (I) I-cache*/
#else
    orr r0, r0, #0x00001000
    /*set bit 12 (I) I-cache*/
#endif
    mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
    mov pc, lr
    /*back to my caller，返回调用处*/
ENDPROC(cpu_init_cp15)

#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
/*************************************************************************
 *
 * CPU_init_critical registers
 *
 * setup important registers
 * setup memory timing
 *
 *************************************************************************/
ENTRY(cpu_init_crit)
    /*
     * Jump to board specific initialization...
     * The Mask ROM will have already initialized
     * basic memory. Go here to bump up clock rate and handle
     * wake up conditions.
     */
    b   lowlevel_init
    /*go setup pll,mux,memory*/
    /*u-boot/arch/arm/cpu/slsiap/s5p4418/low_init.S*/

ENDPROC(cpu_init_crit)
#endif

回顾全文，我们总结一下start.S都干了些什么？

首先定义程序入口_stext
然后定义了异常向量表
一堆初始化，e.g. PLL, MUX, Memory等
Copy代码从ROM到RAM
MMU on
最后跳转到C入口

参考博客：
http://blog.chinaunix.net/uid-22891435-id-380150.html

完

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