Uboot启动流程分析(四)

1、前言

在前面的文章《Uboot启动流程分析(三)》中，链接如下：

https://www.cnblogs.com/Cqlismy/p/12006287.html

已经对init_sequence_f前半部分函数进行了简单分析，前半部分主要是对调试串口终端进行了初始化，以及输出了一些必要的字符串，接下来，本篇文章将对init_sequence_f后半部分函数进行分析，后半部分主要是对DRAM的内存进行分配，并对gd的相关结构体成员进行初始化，在init_sequence_f函数初始化列表中，已经执行到了setup_dest_addr()函数，后半部分初始化列表如下：

/* 初始化序列函数数组 */
static init_fnc_t init_sequence_f[] = {

　　...
　　...

    /*
     * Now that we have DRAM mapped and working, we can
     * relocate the code and continue running from DRAM.
     *
     * Reserve memory at end of RAM for (top down in that order):
     *  - area that won't get touched by U-Boot and Linux (optional)
     *  - kernel log buffer
     *  - protected RAM
     *  - LCD framebuffer
     *  - monitor code
     *  - board info struct
     */
    setup_dest_addr,/* 设置目的地址(gd->ram_size,gd->ram_top,gd->relocaddr) */
    reserve_round_4k,    /* 对gd->relocaddr做4K对齐 */

#if !(defined(CONFIG_SYS_ICACHE_OFF) && defined(CONFIG_SYS_DCACHE_OFF)) && 
        defined(CONFIG_ARM)
    reserve_mmu,    /* 留出mmu的TLB表位置 */
#endif

    reserve_trace,    /* 留出ddr调试追踪的内存 */

#if !defined(CONFIG_BLACKFIN)
    reserve_uboot,    /* 留出重定位uboot占用的位置 */
#endif

#ifndef CONFIG_SPL_BUILD
    reserve_malloc,    /* 留出malloc的内存位置和ENV的内存大小 */
    reserve_board,    /* 留出bd所占用的内存大小(80字节) */
#endif

    setup_machine,    /* 对于i.mx6ul该函数无效 */
    reserve_global_data,    /* 留出gd_t结构的内存大小(248字节) */
    reserve_fdt,    /* 留出设备树的内存大小(i.mx6ul没有用) */
    reserve_arch,    /* 空函数 */
    reserve_stacks,    /* 留出栈空间(16字节)并做16字节对齐 */
    setup_dram_config,    /* 设置DRAM的信息 */
    show_dram_config,    /* 显示DRAM的位置 */
    display_new_sp,    /* 显示新的sp位置 */
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
    reloc_fdt,    /* 重定位fdt(没有用) */
    setup_reloc,    /* 设置gd结构体的一些其他成员 */
    NULL,
};

2、board_init_f函数

程序将调用setup_dest_addr()函数，该函数的定义如下：

static int setup_dest_addr(void)
{
    /*
     * Subtract specified amount of memory to hide so that it won't
     * get "touched" at all by U-Boot. By fixing up gd->ram_size
     * the Linux kernel should now get passed the now "corrected"
     * memory size and won't touch it either. This has been used
     * by arch/powerpc exclusively. Now ARMv8 takes advantage of
     * thie mechanism. If memory is split into banks, addresses
     * need to be calculated.
     */
    gd->ram_size = board_reserve_ram_top(gd->ram_size);

#ifdef CONFIG_SYS_SDRAM_BASE
    gd->ram_top = CONFIG_SYS_SDRAM_BASE;
#endif
    gd->ram_top += get_effective_memsize();
    gd->ram_top = board_get_usable_ram_top(gd->mon_len);
    gd->relocaddr = gd->ram_top;

    /* 将gd->ram_size、gd->ram_top、gd->relocaddr的值打印 */
    printf("
gd->ram_size = %#lx
"
            "gd->ram_top = %#lx
"
            "gd->relocaddr = %#lx
",
            gd->ram_size, gd->ram_top, gd->relocaddr);

    return 0;
}

函数setup_dest_addr()用来设置目的地址，设置gd结构体中的ram_size成员、ram_top成员和relocaddr成员，我们可以使用printf()函数打印输出查看这些值，其中ram_size表示DRAM的大小，ram_top表示DRAM的最终地址，relocaddr表示uboot重定位的地址，添加打印输出后，重新烧写uboot，将板子上电，该函数调用后，输出的值如下：

从图中可以看到，DRAM的大小为256MB，DRAM的最终地址为0x90000000，而此时uboot重定位的地址被设置为在DRAM的最终地址0x90000000。

程序继续往下运行，调用函数reserve_round_4k()，该函数的定义如下：

/* Round memory pointer down to next 4 kB limit */
static int reserve_round_4k(void)
{
    gd->relocaddr &= ~(4096 - 1);
    return 0;
}

该函数是gd结构体中的relocaddr地址做4KB字节对齐，在setup_dest_addr()函数调用后，relocaddr的值被设置为0x90000000，已经是4KB字节对齐了，因此，该函数调用后，值不变，还是0x90000000。

接下来，调用函数reserve_mmu()，该函数的定义如下：

#if !(defined(CONFIG_SYS_ICACHE_OFF) && defined(CONFIG_SYS_DCACHE_OFF)) && 
        defined(CONFIG_ARM)
static int reserve_mmu(void)
{
    /* reserve TLB table */
    gd->arch.tlb_size = PGTABLE_SIZE;
    gd->relocaddr -= gd->arch.tlb_size;

    /* round down to next 64 kB limit */
    gd->relocaddr &= ~(0x10000 - 1); /* 对gd->relocaddr做64KB字节对齐 */

    gd->arch.tlb_addr = gd->relocaddr;

    printf("gd->arch.tlb_size = %#lx
"
            "gd->arch.tlb_addr = %#lx
"
            "gd->relocaddr = %#lx
",
            gd->arch.tlb_size, gd->arch.tlb_addr, gd->relocaddr);
    
    return 0;
}
#endif

该函数用于留出MMU的TLB表位置，留出该块内存后，对relocaddr地址做64KB字节对齐，调试输出如下所示：

从图中可以看到，MMU的TLB大小为0x4000，TLB的首地址为0x8fff0000，此时的relocaddr的值和TLB的首地址一样，也是0x8fff0000。

接下来，调用函数reserve_trace()，该函数用于留出uboot跟踪内存调试的地方，由于i.mx6ul的相关配置文件中没有定义相关宏，因此并没有分配出此块内存。

程序继续往下运行，将调用函数reserve_uboot()，该函数的定义如下所示：

static int reserve_uboot(void)
{
    /*
     * reserve memory for U-Boot code, data & bss
     * round down to next 4 kB limit
     */
    gd->relocaddr -= gd->mon_len;
    gd->relocaddr &= ~(4096 - 1);

    gd->start_addr_sp = gd->relocaddr;

    printf("gd->mon_len = %#lx
"
            "gd->relocaddr = %#lx
"
            "gd->start_addr_sp = %#lx
",
            gd->mon_len, gd->relocaddr, gd->start_addr_sp);

    return 0;
}

函数reserve_uboot()用于留出重定位后uboot代码所占用的内存位置，uboot所占用的内存位置空间由gd结构体中mon_len成员变量指定，调试输出如下所示：

从上图中可以看出，uboot重定位后代码所占用的内存大小为0xb4bb4，分配后uboot重定位内存位置后，对relocaddr的值做4KB字节对齐，此时relocaddr的值为0x8ff3b000，同时重新将gd结构体中的start_addr_sp成员变量设置和此时的relocaddr的值一样，也就是0x8ff3b000。

由于i.mx6ul中的配置文件中没有定义宏CONFIG_SPL_BUILD，因此，接下来将会调用函数reserve_malloc()，该函数的定义如下：

/* reserve memory for malloc() area */
static int reserve_malloc(void)
{
    gd->start_addr_sp = gd->start_addr_sp - TOTAL_MALLOC_LEN;

    printf("TOTAL_MALLOC_LEN = %#lx
"
            "gd->start_addr_sp = %#lx
",
            TOTAL_MALLOC_LEN, gd->start_addr_sp);
    
    return 0;
}

对于TOTAL_MALLOC_LEN宏的定义如下：

/* 对于imx6ul从nand flash启动 */

#define CONFIG_ENV_SECT_SIZE        (128 << 10)    /* 128KB */
#define CONFIG_ENV_SIZE            CONFIG_ENV_SECT_SIZE

/* Size of malloc() pool */
#define CONFIG_SYS_MALLOC_LEN        (16 * SZ_1M)　　/* 16MB */

#define TOTAL_MALLOC_LEN (CONFIG_SYS_MALLOC_LEN + CONFIG_ENV_SIZE)

从宏定义可以计算出TOTAL_MALLOC_LEN = 16MB + 128KB = 0x1020000，调试输出如下：

从上面的分析和输出可以知道，函数reserve_malloc()分配出了malloc的内存区域，分配的大小为0x1020000，包含了16MB的malloc内存池以及128KB的环境变量内存区域，malloc内存分配完成后，重新赋值gd结构体中的start_addr_sp成员变量，此时的start_addr_sp值为0x8ef1b000。

接下来，继续调用函数reserve_board()，该函数的定义如下：

/* (permanently) allocate a Board Info struct */
static int reserve_board(void)
{
    if (!gd->bd) {
        gd->start_addr_sp -= sizeof(bd_t);
        gd->bd = (bd_t *)map_sysmem(gd->start_addr_sp, sizeof(bd_t));
        memset(gd->bd, '', sizeof(bd_t));
        debug("Reserving %zu Bytes for Board Info at: %08lx
",
              sizeof(bd_t), gd->start_addr_sp);
    }

    printf("gd->bd = %#lx
"
            "gd->start_addr_sp = %#lx
",
            gd->bd, gd->start_addr_sp);
    
    return 0;
}

函数reserve_board()用于留出bd_t结构体的内存区域，该内存区域的大小为80Bytes，bd_t结构体用于描述Board的一些信息，对gd结构体中的bd成员重新赋值后，并对bd_t结构体的内存进行清零操作，调试输出如下所示：

从上图可以知道，此时gd结构体中的bd和start_addr_sp成员变量的值都为0x8ef1afb0。

接下来，调用函数setup_machine()设置机器ID，在以前的Linux版本，启动的时候会和这个机器ID进行匹配，如果匹配Linux就会正常启动，但是，目前基于imx6ul的BSP都是基于设备树的了，因此该函数并不会有效，直接返回0。

程序继续往下运行，将会调用reserve_global_data()函数，该函数的定义如下：

static int reserve_global_data(void)
{
    gd->start_addr_sp -= sizeof(gd_t);
    gd->new_gd = (gd_t *)map_sysmem(gd->start_addr_sp, sizeof(gd_t));
    debug("Reserving %zu Bytes for Global Data at: %08lx
",
            sizeof(gd_t), gd->start_addr_sp);

    printf("gd->new_gd = %#lx
"
            "gd->start_addr_sp = %#lx
",
            gd->new_gd, gd->start_addr_sp);
    
    return 0;
}

函数reserve_global_data()用于留出gd_t结构体的内存区域，分配的内存大小为248Bytes，分配完成后，并对gd结构体中的new_gd成员变量重新赋值，表示新的gd_t结构体的内存地址，调试输出如下：

从上图可以看到，将新的gd_t结构体内存分配后，此时的gd结构体的new_gd成员变量和start_addr_sp成员变量的值都为0x8ef1aeb8。

接下来，程序将会调用reserve_fdt()函数，留出设备树的内存区域，但是imx6ul的uboot中并没有用到设备树，因此该函数无效，并没有内存分配。

继续往下运行，将会调用reserve_arch()函数，对于imx6ul，该函数为空函数，没有内存分配，直接返回0。

程序继续运行，接下来调用reserve_stacks()函数，该函数的定义如下：

static int reserve_stacks(void)
{
    /* make stack pointer 16-byte aligned */
    gd->start_addr_sp -= 16;
    gd->start_addr_sp &= ~0xf;

    printf("gd->start_addr_sp = %#lx
", gd->start_addr_sp);

    /*
     * let the architecture-specific code tailor gd->start_addr_sp and
     * gd->irq_sp
     */    
    return arch_reserve_stacks();
}

函数reserve_stacks()用于留出栈区域的内存大小，大小为16Bytes，内存分配后，对gd结构体中的start_addr_sp成员变量做16B字节对齐，arch_reserve_stacks()函数是irq相关的东西，对于imx6ul并没有分配内存空间，此函数无效，栈分配和16B字节对齐后，调试输出如下：

从上图可以看到，此时gd结构体中的start_addr_sp成员变量值为0x8ef1ae90。

完成了内存栈的分配的后，接下来调用setup_dram_config()设置DRAM的一些配置信息，主要是设置DRAM的起始地址和大小，该函数的定义如下：

static int setup_dram_config(void)
{
    /* Ram is board specific, so move it to board code ... */
    dram_init_banksize();

    printf("gd->bd->bi_dram[0].start = %#lx
"
            "gd->bd->bi_dram[0].size = %#lx
",
            gd->bd->bi_dram[0].start, gd->bd->bi_dram[0].size);

    return 0;
}

函数调用后，输出如下：

从上图中可以看到，DRAM的起始地址为0x80000000，大小为0x10000000，也就是256MB。

接下来，调用show_dram_config()函数显示DRAM的配置信息，该函数调用后，将会将的DRAM的大小以字符串的形式输出，也就是输出"256MB"。

程序继续往下运行，调用display_new_sp()函数显示新的sp指针的值，该函数的定义如下：

static int display_new_sp(void)
{
    printf("New Stack Pointer is: %#lx
", gd->start_addr_sp);

    return 0;
}

其实，就是直接输出gd结构体中start_addr_sp成员变量的值，输出如下：

New Stack Pointer is: 0x8ef1ae90

该值，和前面栈分配后的值一样，该值就是新的sp指针值，为0x8ef1ae90。

接下来，调用函数INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET和reloc_fdt()，作用是复位看门狗和重定位设备树，对于imx6ul这两个都是空函数，没有用到设备树。

程序继续往下运行，将调用函数setup_reloc()设置gd结构体中一些成员变量，是和重定位相关的，该函数定义如下：

static int setup_reloc(void)
{
    if (gd->flags & GD_FLG_SKIP_RELOC) {
        debug("Skipping relocation due to flag
");
        return 0;
    }

#ifdef CONFIG_SYS_TEXT_BASE
    gd->reloc_off = gd->relocaddr - CONFIG_SYS_TEXT_BASE;
#endif
    memcpy(gd->new_gd, (char *)gd, sizeof(gd_t));

    printf("Relocation Offset is: %#lx
", gd->reloc_off);
    printf("Relocating to %#lx, new gd at %#lx, sp at %#lx
",
            gd->relocaddr, (ulong)map_to_sysmem(gd->new_gd),
            gd->start_addr_sp);

    return 0;
}

对于CONFIG_SYS_TEXT_BASE宏的定义在include/configs/mx6_common.h配置文件中，该值为：

#define CONFIG_SYS_TEXT_BASE    0x87800000

该函数的输出如下所示：

从上图可以看到，uboot重定位的偏移为0x873b000，重定位的新地址为gd结构中的成员变量relocaddr，也就是0x8ff3b000，此外，新的gd_t结构体首地址为0x8ef1aeb8，新的sp指针在0x8ef1ae90，和上面栈分配时候的内存地址一样。

到这里，board_init_f()函数就执行完成了，DRAM的最后内存配示意图如下所示：

DRAM内存分配完成后，接下来就是开始uboot的重定位了。

3、小结

本篇文章主要是对board_init_f()函数的后半部分进行分析，并对uboot重定位之前的DRAM内存分配进行了简单的分析。