原创 mips架构u-boot 启动流程

u-boot的启动过程比较简单，大致做下面的工作：
1 cpu初始化
2 时钟，串口，内存（ddr ram）初始化
3 内存划分，分配栈，数据，配置参数，以及u-boot代码在内存中的位置。
4 对u-boot代码做relocate
5 初始化 malloc,flash,pci 以及外设（比如，网口）
6 进入命令行或者直接启动Linux kernel

基本上，这就是u-boot的启动要做的事情，我也曾经大致看过arm的启动代码，也是类似。
不过，这里以mips作为例子进行介绍。

启动涉及到几个文件： start.S， cache.S， lowlevel_init.S 和 board.c前三个都是汇编代码。

程序从start.S的_start开始执行。首先，初始化中断向量，寄存器清零，大致包括32个通用寄存器reg0-reg31和协处理器的一些寄存器：CP0_WATCHLO,CP0_WATCHHI,CP0_CAUSE， CP0_COUNT,CP0_COMPARE等等。

之后，配置寄存器CP0_STATUS，设置所使用的协处理器，中断以及cpu运行级别（核心级）。配置gp寄存器，把GOT段的地址赋给gp寄存器。（gp寄存器的用处会在后面relocate code的部分详细解释）
这时，开始执行lowlevel_init.S的lowlevel_init，主要目的是工作频率配置，比如cpu的主频，总线（AHB），DDR工作频率等。然后，调用cache.S的mips_cache_reset对cache进行初始化。接着调用cache.S的mips_cache_lock。这个调用的目的，起初让我不解，后来才知道。这时ddr ram并没有配置好，而如果直接调用c语言的函数必须完成栈的设置，而栈必定要在ram中。所以，只有先把一部分cache拿来当ram用。做法就是把一部分cache配置为栈的地址，锁定。这样，当读写栈的内存空间时，只会访问cache，而不会访问真的ram地址了。

这时，配置栈的地址，进行调用函数board_init_f（board.c）进入函数board_init_f后，首先做一系列初始化：
timer_init 时钟初始化
env_init 环境变量初始化（取得环境变量存放的地址）
init_baudrate 串口速率
serial_init 串口初始化
console_init_f 配置控制台
display_banner 显示u-boot启动信息，版本号等
checkboard 执行board相关的操作。
init_func_ram 初始化内存，配置ddr controller
这一系列工作完成后，串口和内存都已经可以用了。然后，就要把内存进行划分，在内存的最后一部分，留出u-boot代码大小的空间，准备把u-boot代码从flash搬移到这里。然后，是堆的空间，malloc的内存就来自于这里。紧接着放两个全局数据结构bd_infoglobal_data和环境变量boot_params。最后，是栈的空间。

内存划分好，就准备进行relocate code了。关于relocate code和其他启动过程下次再介绍。

上次讲到，内存划分好，准备进行relocate code。relocate code的意思是这样的。通常u-boot的执行代码肯定是在flash上（当调试的时候也可以放在ram上）。当启动起来以后，要把它从flash上搬移到ram里运行。这个工作就叫做relocate code。

但是，问题在于，flash上的地址和ram上的地址是不同的。当我们把代码从flash上搬移到ram上以后，当执行函数跳转时，代码里的函数地址还是flash上的地址，所以一跳就跳回去了。
这怎么办呢?
在u-boot里面用的是PIC（position-independent code）的方式解决这个问题。
简单介绍一下其原理。当你用PIC方式时，在用gcc编译时需加上 -fpic的选项。编译器会为你的可执行代码建立一个GOT(global offset table)的段。一个地址在GOT表中有一项，里面存放地址的信息，而在使用这个地址时，只要根据这个地址的编号（也可以叫做偏移量offset）找到表中相应的项目，就可以取得那个地址了。
而如果位置发生变化，只要对GOT表中的地址进行修改就可以了。
我们可以通过反汇编，看一个简单的函数调用例子：
lw t9,1088(gp)
jalr t9
这里，gp存放的就是GOT表的起始地址，而1088就是要调用函数的offset，也就是说GOT表的那个位置存放着它的地址。lw t9,1088(gp) 把函数地址放入t9， 然后调用就可以了。

知道了PIC的原理，解释u-boot relocate code的方法就简单了。
简单的说就把u-boot的执行代码直接从flash里copy到ram的相应区域。
然后，把GOT表中的地址都加上一个偏移量，这个偏移量就是flash里的地址与ram里的地址的差。
还有其他一些工作比如：设置新的栈指针，从flash代码里跳转到ram代码里 等等。

之后，就进入board.c的board_init_r函数，在这个函数里初始化 malloc,flash,pci 以及外设（比如，网口），最后进入命令行或者直接启动Linux kernel。
这样，u-boot的启动工作就完成了。

流程分析
***************************************************
1.最开始系统上电后
ENTRY(_start)程序入口点是 _start board/mingddie/u-boot.lds

2._start: cpu/mips/start.S

3. la t9, board_init_f 将函数board_init_f地址赋予t9
j t9 跳转到t9寄存器中保存的地址指向的指令
即跳转到RAM 中执行 C 代码
这里会打印一些信息。

3.1 board_init_f() lib_mips/board.c
初始化外部内存
relocate_code() 回到cpu/mips/start.S中继续执行

4.la t9,board_init_r cpu/mips/start.S
j t9 将函数board_init_r地址赋予t9
跳转到t9寄存器中保存的地址指向的指令
即跳转到RAM 中执行 C 代码
这里会打印一些信息
4.1 board_init_r() 函数 lib_mips/board.c

4.2 main_loop() common/main.c
s=getenv ("bootcmd") 取得环境变量中的启动命令行,如bootcmd=bootm 0xbf020000
run_command (s, 0); //执行这个命令行 ,即bootm

4.3 do_bootm() common/cmd_bootm.c
// printf ("## Booting image at %08lx ...\n", addr); //比如

5. bootm 启动内核
5.1 do_bootm_linux() lib_mips/mips_linux.c

函数解析
***************************************************
1.board_init_f()

1.1
void board_init_f(ulong bootflag)
{
for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr)
{ if ((*init_fnc_ptr)() != 0)
{ hang (); }
}
//调用init_sequence 函数队列，对板子进行一些初始化，详细见后面
初始化external memory，初始化堆栈用cache作堆栈，为
relocate_code (addr_sp, id, addr); //回到cpu/mips/start.S 中
/* NOTREACHED - relocate_code() does not return */
}

1.2
typedef int (init_fnc_t) (void);
init_fnc_t *init_sequence[] =
{ clx_board_init, //初始化GPIO，CPU速度，PLL，SDRAM 等
timer_init, //时钟初始化
env_init, //环境变脸初始化
incaip_set_cpuclk, //根据环境变量设置CPU 时钟
init_baudrate, //初始化串口波特率
serial_init, /* serial communications setup */
console_init_f, //串口初始化，后面才能显示
display_banner, //在屏幕上输出一些显示信息
checkboard,
init_func_ram,
NULL,
};

2.board_init_r()
（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），接受用户从串口输入的命令，然后进行相应的工作
void board_init_r (gd_t *id, ulong dest_addr)
{
/* configure available FLASH banks */ //配置可用的flash单元
size = flash_init(); //初始化flash
display_flash_config (size); //显示flash 的大小
/* initialize malloc() area */
mem_malloc_init();
malloc_bin_reloc();
puts ("NAND:");
nand_init(); /* go init the NAND */ //NAND初始化
/* relocate environment function pointers etc. */
env_relocate(); //初始化环境变量
/* board MAC address */
s = getenv ("ethaddr"); //以太网MAC地址
for (i = 0; i < 6; ++i) {
bd->bi_enetaddr = s ? simple_strtoul (s, &e, 16) : 0;
if (s)
s = (*e) ? e + 1 : e;
}
/* IP Address */
bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr("ipaddr");
pci_init(); //pci初始化配置
/** leave this here (after malloc(), environment and PCI are working) **/
/* Initialize devices */
devices_init ();
jumptable_init ();
/* Initialize the console (after the relocation and devices init) */
console_init_r (); //串口初始化
/* miscellaneous platform dependent initialisations */
misc_init_r ();
puts ("Net: ");
eth_initialize(gd->bd);
/* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again. */
for (;;) {
main_loop (); //循环执行，试图自动启动，接受用户从串口输入的命令，然后进行相应的工作，设置延时时间，确定目标板是进入下载模式还是启动加载模式
}
/* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */
}