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  • 海思uboot启动流程详细分析(二)

    1. 第二个start.S

    start_armboot开始,在startup.c中有包含#include <config.h>

    在config.h中:

    /* Automatically generated - do not edit */
    #define CONFIG_BOARDDIR board/hisilicon/hi3559av100
    #include <config_defaults.h>
    #include <config_uncmd_spl.h>
    #include <configs/hi3559av100.h>
    #include <asm/config.h>
    #include <config_fallbacks.h>
    

    hi3559av100.h中:

    #define CONFIG_SYS_TEXT_BASE            0x48800000
    

    hi3559av100.h中,看到了CONFIG_SYS_TEXT_BASE的宏

    /* CONFIG_SYS_TEXT_BASE needs to align with where ATF loads bl33.bin */
    #define CONFIG_SYS_TEXT_BASE		0x48800000
    

    查看u-boot.map在这里又来到了上一层的start.S中来,所以可以知道这两个是由两个文件组成的,一个是u-boot.bin和reg_info.bin,就是说两个不同的start.S的流程来合成一个最终的u-boot-hi3559av100.bin

    这个便是正常的流程了:

    本文将结合u-boot的“board—>machine—>arch—>cpu”框架,介绍u-boot中平台相关部分的启动流程。并通过对启动流程的简单分析,掌握u-boot移植的基本方法。

    2. 多平台架构

    这些问题的本质,是软件工程中的抽象和封装,以最简洁、最高效的方式,实现尽可能多的功能。u-boot作为一个跨平台、跨设备的bootloader,同样会面临这些问题。它的解决方案,就是“board—>machine—>arch—>cpu”框架,如下:

    image

    基于图片1的架构,u-boot和平台有关的初始化流程,显得比较直观、清晰:

    1)u-boot启动后,会先执行CPU(如armv8)的初始化代码。

    2)CPU相关的代码,会调用ARCH的公共代码(如arch/arm)。

    3)ARCH的公共代码,在适当的时候,调用board有关的接口。u-boot的功能逻辑,大多是由common代码实现,部分和平台有关的部分,则由公共代码声明,由board代码实现。

    4)board代码在需要的时候,会调用machine(arch/arm/mach-xxx)提供的接口,实现特定的功能。因此machine的定位是提供一些基础的代码支持,不会直接参与到u-boot的功能逻辑中。

    3. 平台相关部分的启动流程分析

    本文先不涉及u-boot和平台相关的Kconfig/Makefile部分,以ARM64为例,假定u-boot首先从“arch/arm/cpu/armv8/start.S”的_start接口开始执行。因此我们从_start开始分析。

    3.1 _start

    _start是u-boot启动后的第一个执行地址,对armv8来说,它只是简单的跳转到reset处执行,如下:

    .globl	_start
    _start:
    	b	reset
    

    3.2 reset

    reset:
    	/* Allow the board to save important registers */
    	b	save_boot_params
    .globl	save_boot_params_ret
    save_boot_params_ret:
    
    #ifdef CONFIG_SYS_RESET_SCTRL
    	bl reset_sctrl
    #endif
    	/*
    	 * Could be EL3/EL2/EL1, Initial State:
    	 * Little Endian, MMU Disabled, i/dCache Disabled
    	 */
    	adr	x0, vectors
    	switch_el x1, 3f, 2f, 1f
    3:	msr	vbar_el3, x0
    	mrs	x0, scr_el3
    	orr	x0, x0, #0xf			/* SCR_EL3.NS|IRQ|FIQ|EA */
    	msr	scr_el3, x0
    	msr	cptr_el3, xzr			/* Enable FP/SIMD */
    #ifdef COUNTER_FREQUENCY
    	ldr	x0, =COUNTER_FREQUENCY
    	msr	cntfrq_el0, x0			/* Initialize CNTFRQ */
    #endif
    	b	0f
    2:	msr	vbar_el2, x0
    	mov	x0, #0x33ff
    	msr	cptr_el2, x0			/* Enable FP/SIMD */
    	b	0f
    1:	msr	vbar_el1, x0
    	mov	x0, #3 << 20
    	msr	cpacr_el1, x0			/* Enable FP/SIMD */
    0:
    
    	/* Apply ARM core specific erratas */
    	bl	apply_core_errata
    
    	/*
    	 * Cache/BPB/TLB Invalidate
    	 * i-cache is invalidated before enabled in icache_enable()
    	 * tlb is invalidated before mmu is enabled in dcache_enable()
    	 * d-cache is invalidated before enabled in dcache_enable()
    	 */
    
    	/* Processor specific initialization */
    	bl	lowlevel_init
    

    1)reset SCTRL寄存器

    具体可参考reset_sctrl函数,由CONFIG_SYS_RESET_SCTRL控制,一般不需要打开。该配置项的解释如下:

    Reset the SCTRL register at the very beginning of execution to avoid interference from stale mappings set up by early firmware/loaders/etc.

    http://lists.denx.de/pipermail/u-boot/2015-April/211147.html

    2)根据当前的EL级别,配置中断向量、MMU、Endian、i/d Cache等。

    3)配置ARM的勘误表

    具体可参考apply_core_errata函数,由CONFIG_ARM_ERRATA_XXX控制,在项目的初期,可以不打开,后续根据实际情况打开)。

    就是ARM有一些bug,但可以通过软件的方法绕过去,由u-boot的代码注释可知,应该只有Cortex-A57才有。具体什么bug,我也没有去研究

    4)调用lowlevel_init的功能解释如下(具体可参考u-boot的readme文档):

    • purpose: essential init to permit execution to reach board_init_f()
       - no global_data or BSS
    
       - there is no stack (ARMv7 may have one but it will soon be removed)
    
       - must not set up SDRAM or use console
    
       - must only do the bare minimum to allow execution to continue to
    
               board_init_f()
    
       - this is almost never needed
    
       - return normally from this function
    

    海思的和原生uboot代码的start.S其实就是增加以下内容

    5)如果是多CPU的场景,处理其它的CPU的boot

    多CPU功能由CONFIG_ARMV8_MULTIENTRY控制,不需要打开。

    6)跳转到arm公共的_main中执行

    ARM64平台的_main位于crt0_64.S文件中,具体请参考下面的描述。

    3.3 _main

    crt0是C-runtime Startup Code的简称,意思就是运行C代码之前的准备工作。关于_main函数,crt0_64.S中有非常详细的注释(这一点要给u-boot点100个赞!),大家可以参考。该函数的定义如下:

    ENTRY(_main)
    
    /*
     * Set up initial C runtime environment and call board_init_f(0).
     */
    #if defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK)
    	ldr	x0, =(CONFIG_SPL_STACK)
    #else
    	ldr	x0, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
    #endif
    	bic	sp, x0, #0xf/* 16-byte alignment for ABI compliance */
    	mov	x0, sp
    	bl	board_init_f_alloc_reserve
    	mov	sp, x0
    	/* set up gd here, outside any C code */
    	mov	x18, x0
    	bl	board_init_f_init_reserve
    
    	mov	x0, #0
    	bl	board_init_f
    
    #if !defined(CONFIG_SPL_BUILD)
    /*
     * Set up intermediate environment (new sp and gd) and call
     * relocate_code(addr_moni). Trick here is that we'll return
     * 'here' but relocated.
     */
    	ldr	x0, [x18, #GD_START_ADDR_SP]/* x0 <- gd-="">start_addr_sp */
    	bic	sp, x0, #0xf/* 16-byte alignment for ABI compliance */
    	ldr	x18, [x18, #GD_BD]		/* x18 <- gd-="">bd */
    	sub	x18, x18, #GD_SIZE		/* new GD is below bd */
    
    	adr	lr, relocation_return
    	ldr	x9, [x18, #GD_RELOC_OFF]	/* x9 <- gd-="">reloc_off */
    	add	lr, lr, x9/* new return address after relocation */
    	ldr	x0, [x18, #GD_RELOCADDR]	/* x0 <- gd-="">relocaddr */
    	b	relocate_code
    
    relocation_return:
    
    /*
     * Set up final (full) environment
     */
    	bl	c_runtime_cpu_setup	/* still call old routine */
    
    /* TODO: For SPL, call spl_relocate_stack_gd() to alloc stack relocation */
    
    /*
     * Clear BSS section
     */
    	ldr	x0, =__bss_start	/* this is auto-relocated! */
    	ldr	x1, =__bss_end	/* this is auto-relocated! */
    	mov	x2, #0
    clear_loop:
    	str	x2, [x0]
    	add	x0, x0, #8
    	cmp	x0, x1
    	b.lo	clear_loop
    
    	/* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */
    	mov	x0, x18			/* gd_t */
    	ldr	x1, [x18, #GD_RELOCADDR]	/* dest_addr */
    	b	board_init_r		/* PC relative jump */
    
    	/* NOTREACHED - board_init_r() does not return */
    
    #endif /* !CONFIG_SPL_BUILD */
    
    ENDPROC(_main)
    

    功能可总结为(大部分翻译自crt0_64.S中的注释):

    1)设置C代码的运行环境,为调用board_init_f接口做准备。包括:

    a)设置堆栈(C代码的函数调用,堆栈是必须的)。如果当前的编译是SPL(由CONFIG_SPL_BUILD定义),可单独定义堆栈基址(CONFIG_SPL_STACK),否则,通过CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR定义堆栈基址。
    
    b)调用board_init_f_alloc_reserve接口,从堆栈开始的地方,为u-boot中大名鼎鼎的GD ('global data') 数据结构,分配空间。
    
    c)调用board_init_f_init_reserve接口,对GD进行初始化。
    

    2)调用board_init_f函数,完成一些前期的初始化工作,例如:

    a)点亮一个Debug用的LED灯,表示u-boot已经活了。
    
    b)初始化DRAM、DDR等system范围的RAM等。
    
    c)计算后续代码需要使用的一些参数,包括relocation destination、the future stack、the future GD location等。
    

    注5:关于u-boot的relocation操作,后续会有专门的文章介绍。

    3)如果当前是SPL(由CONFIG_SPL_BUILD控制),则_main函数结束,直接返回。如果是正常的u-boot,则继续执行后续的动作。

    4)根据board_init_f指定的参数,执行u-boot的relocation操作。

    5)清除BBS段。

    6)调用board_init_r函数,执行后续的初始化操作(已经不再本文的讨论范围了,具体请参考后续的分析文章)。

    4. 总结

    4.1 SPL功能

    SPL是Secondary Program Loader的简称,之所以称作secondary,是相对于ROM code来说的。SPL是u-boot中独立的一个代码分支,由CONFIG_SPL_BUILD配置项控制,是为了在正常的u-boot image之外,提供一个独立的、小size的SPL image,通常用于那些SRAM比较小(或者其它限制)、无法直接装载并运行整个u-boot的平台。

    如果使用了SPL功能,u-boot的启动流程通常是:

    ROM code加载SPL并运行;
    
    SPL进行必要的初始化之后,加载u-boot并运行;
    
    u-boot进行后续的操作。
    

    因此,如果使用SPL功能,需要尽可能的减少SPL的代码量,以减小它的size。

    4.2 配置项总结

    经过第3章的流程分析,我们可以总结出和“平台相关部分的启动流程”有关的配置项,记录如下:

    CONFIG_SYS_RESET_SCTRL,控制是否在启动的时候reset SCTRL寄存器,一般不需要打开;
    
    CONFIG_ARM_ERRATA_XXX,控制ARM core的勘误信息,一般不需要打开;
    
    CONFIG_GICV2、CONFIG_GICV3,控制GIC的版本,用到的时候再说明;
    
    CONFIG_ARMV8_MULTIENTRY,控制是否在u-boot中使用多CPU,一般不需要;
    
    CONFIG_SPL_BUILD,是否是能SPL的编译,需要的话可以打开;
    
    CONFIG_SPL_STACK,如果配置了CONFIG_SPL_BUILD,是否为SPL image配置单独的stack(SP基址),如果需要,通过该配置项配置,如果不需要,则使用CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR;
    
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