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下面是文章内容，由于我懒得编辑图片了，所以文章看来会非常不爽，强烈推荐点击以上红色链接下载pdf版。
文件编号：DCC01
版本号号：1.0
ARM上电启动及Uboot代码分析
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2013.03.08 |
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1.1.1norflash和nandflash的异同... 5
摘要
网上关于ARM的bootloader（以Uboot为例）的启动顺序的资料有好多，可是对于Uboot的地址映射、体系结构级操作介绍非常少，都是直接開始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。同一时候分析代码对于cache、TLB等部件的操作过程。
下面内容以u-boot-2012.04.01源代码为例，从网上非常easy下载该版本号。
1 ARM上电取第一条指令流程
1.1 上电后的第一条指令在哪里？
首先明白：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。比如S3C2440芯片上电后PC值被硬件设计者规定为0x0；其它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，其它芯片在原理上相似。
S3C2440的启动时读取的第一条指令是在内存0x00地址处，无论是从nand flash还是nor flash启动。
可是上电后内存中是没有数据的，那么0x00地址处的指令是怎样放进去的？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。全部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，相似硬盘，可是能在当中执行程序；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比較适合频繁随即读写的场合。通经常使用于存储代码并直接在当中执行。nandflash用于存储资料。
仅仅要知道以上大概差别即可。下面说明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控制器自己主动把nandflash存储器中的0——4K内容载入到芯片内的起步石（Steppingstone。起步石这个机制是处理器中集成的功能，对程序猿透明），即内部SRAM缓冲器中，同一时候把内部SRAM的起始地址设置为0x0（不同的CPU上电后的PC值不尽同样。对不同的CPU该值也不尽同样）。然后把这段片内SRAM映射到nGCS0片选的空间。进而CPU開始从内部SRAM的0x0处開始取得第一条指令，该过程全部是硬件自己主动完毕，不须要程序代码控制。
也许你有个疑问，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中执行。
若想从nandflash启动，那么uboot最核心的代码必须放在前4k完毕。这4k代码要完毕ARM CPU的核心配置以及将剩余的代码复制到SDRAM中（若从norflash启动则没有4k这个大小的限制，可是还会在完毕最基本的设置后进入SDRAM中执行）。
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。这里就不须要片内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開始执行（也就是在Norfalsh中执行）。
须要说明的是。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、无论从norflash还是nandflash启动，S3C2440上电后的pc值为0x0
3、假设某芯片上电后PC值不是0x0。假如是0x38ff0000，那么从norflash启动时，硬件就要自己主动将其映射到0x38ff0000地址处；假设从nandflash启动。那么硬件就要自己主动将nandflash中的前4K内容载入到0x38ff0000地址处。
2 Uboot.lds链接脚本分析
2.1 为什么要分析uboot链接脚本？
由于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（执行域），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、在执行时在RAM中执行的起始地址。详细内容涉及装载域和执行域的概念。这里不详述。
2.2 连接代码详细分析
以u-boot-2012.04.01版本号为例。
总结：
1、SECTION后面的段都是依照顺序放到内存中的。比如text段后面跟着rodata段
2、该文件里没有指定段的载入地址（用AT命令），没指定的情况下载入地址和执行地址是同样的，也就是说在uboot.bin在rom和ram中的地址同样。
3 Uboot中start.S文件分析
3.1 start.S详细解释
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中继续执行。
（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） 自我复制到RAM中。并跳转到RAM中继续执行。
下面内容依照程序执行流程进行解说。以ARMv7架构为例。
3.1.1 _start
文本段第一条指令就是一条跳转指令：
依据1.1章的分析。假设uboot是烧写到norflash中的，那么一上电的_start标号肯定是在0x0处。假设uboot已经启动。程序执行过了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时程序猿指定的，详细数值见开发板的board/~/config.mk文件。
3.1.2 reset
CPSR的位域见ARM手冊。下图截图方便參考：
3.1.3 cpu_init_cp15
3.1.4 cpu_init_crit
3.1.5 lowlevel_init
3.1.6 s_init
3.1.7 call_board_init_f
3.1.8 board_init_f
3.1.9 relocate_code
为什么uboot代码须要relocate？见问题总结及解答。
3.1.10 clear_bss
3.1.11 jump_2_ram
3.2 本章小结
主要分析了uboot启动的第一阶段代码。
4 板级初始化及跳入Linux内核执行
4.1 board_init_r
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） 假设系统有mmc设备。则初始化mmc设备
（3） 假设系统有nand设备。则初始化nand设备
（4） 进入uboot命令循环或者直接開始执行linux内核。
眼下临时不须要详细分析该部分代码。后期若须要会加上。
千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。
“结论”曾经的全部正文内容都要编写在此行之前。
5 Uboot异常处理
5.1 Uboot异常向量表
紧跟b reset后面的就是异常向量表，发生异常后pc会被自己主动置为对应的值，进入对应异常处理程序。
5.1.1 异常处理入口函数
5.1.2 异常处理函数跳转
/*
* 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 //假设在uboot中启用了用户中断。则跳入对应处理函
//数执行
.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 //假设没有配置。则走还有一条路径。
.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*/
5.1.3 异常真正处理函数
// 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。该函数仅仅是
//挂起CPU，木有详细处理。
{
panic ("Resetting CPU ... ");
reset_cpu (0);
}
5.2 本章总结
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的其它架构有。有可能是由于uboot代码不够新的原因。Uboot中的ARM异常处理流程都同样。
[1]
[2]
[3]
千万不要删除行尾的分节符。此行不会被打印。
1、对于载入时地址和执行时地址不同的段。执行时它是怎么跳转到执行时地址的？
答： 连接地址<==>执行地址
存储地址<==>载入地址
（1）对于有操作系统时，执行地址与载入地址不同。在载入过程中装载器就把段载入到它应该去的连接地址处（也就是生成该段时的执行地址）
（2）对于uboot，执行地址与载入地址不同一时候。须要它自己（比如前4k代码）将自己载入到执行地址处执行。
Uboot.lds文件里起始地址是0x00，可是config.mk中的TEXT_BASE是0x57e00000，可是生成的uboot反汇编文件里。为什么start.s的第一条指令地址也是0x57e00000？不应该是0x00么？由于start.s的载入地址和执行地址都是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？
把全部uboot代码复制到内存新地址处。
在分析uboot的start.S中，看到一些指令，比方：
adr r0, _start
认为好像能够直接用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，相似于这样：
mov r0, _start
呢？
其原因主要是,
sub r0, pc, #172
这种代码。所处理的值。都是相对于PC的偏移量来说的。这种代码中，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。由于假设用mov指令：
mov r0, _start
那么就会被编译成这种代码：
mov r0, 0x33d00000
假设用了上面这种代码：
mov r0, 0x33d00000
那么，假设整个代码，即要执行的程序的指令。被移动到其它位置，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，这样包括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它位置，那么该行指令还是能够跳转到相对PC往前172字节的地方。也还是我们想要的_start的位置。这样包括的都是相对的偏移位置的代码，就叫做位置无关代码。其长处就是不用操心你的代码被移动，即使程序的基地址变了，全部的代码的相对位置还是固定的。程序还是能够正常执行的。
关于，之所以不用上面的：
mov r0, 0x33d00000
相似的代码。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 指令所同意的值。
【总结】
之所以用adr而不用mov。主要是为了生成地址无关代码。以及由于不方便推断一个数，是否是有效的mov的操作数。
3、为什么uboot代码须要relocate？
由于uboot启动时不在片外RAM中，为了加快执行，须要将uboot又一次复制到RAM中执行。
千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印！