arm 启动方式(ARM上电后都干了哪些事)
关于本文配套的视频《uboot启动详解-1》《uboot启动详解-2》
前言
我们在前面的arm系列课程,已经讲解了arm的架构、汇编指令、异常、常用外设的控制器驱动,那么我们已经具备开发arm系列产品的基本技能。
本篇给大家介绍一款比较常用的bootloader:uboot,通过uboot的介绍以及源代码的详细分析,让大家把之前所有ARM相关的知识点融会贯通起来。
一、uboot1. 概念U-Boot 是一个主要用于嵌入式系统的引导加载程序,可以支持多种不同的计算机系统结构,包括PPC、ARM、AVR32、MIPS、x86、68k、Nios与MicroBlaze。这也是一套在GNU通用公共许可证之下发布的自由软件。
U-Boot不仅仅支持嵌入式Linux系统的引导,它还支持NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS, android嵌入式操作系统。其目前要支持的目标操作系统是OpenBSD, NetBSD, FreeBSD,4.4BSD, Linux, SVR4, Esix, Solaris, Irix, SCO, Dell, NCR, VxWorks, LynxOS, pSOS, QNX, RTEMS, ARTOS, android。
2. uboot基本功能U-Boot可支持的主要功能列表:
- 系统引导支持nfs挂载、RAMDISK(压缩或非压缩)形式的根文件系统;支持NFS挂载、从FLASH中引导压缩或非压缩系统内核;
- 基本辅助功能强大的操作系统接口功能;可灵活设置、传递多个关键参数给操作系统,适合系统在不同开发阶段的调试要求与产品发布,尤以Linux支持最为强劲;支持目标板环境参数多种存储方式,如FLASH、NVRAM、EEPROM;
- CRC32校验可校验FLASH中内核、RAMDISK镜像文件是否完好;
- 设备驱动串口、SDRAM、FLASH、以太网、LCD、NVRAM、EEPROM、键盘、USB、PCMCIA、PCI、RTC等驱动支持;
- 上电自检功能SDRAM、FLASH大小自动检测;SDRAM故障检测;CPU型号。
uboot命令比较多,下面只列举网络启动要用到的命令:
命令 含义 bootdelay 执行自动启动(bootcmd中的命令)的等候秒数 baudrate 串口控制台的波特率 netmask 以太网的网络掩码 ethaddr 以太网的MAC地址 bootfile 默认的下载文件名 printenv 打印Uboot环境变量 setenv 设置Uboot环境变量 ipaddr 本地的IP地址 serverip TFTP服务器端的IP地址 gateway 以太网的网关 bootcmd 自动启动时执行命令 bootargs 传递给Linux内核的启动参数 bootm 引导启动存储在内存中的程序映像。这些内存包括RAM和可以永久保存的Flash。
4. 配置参数举例以下以网络下载内核、网络挂载nfs为例。
1)ubuntu环境ubuntu ip:192.168.6.186
nfs配置:
配置文件如下:
/etc/exports
配置信息如下:
nfs
2)开发板设置开发板ip:192.168.6.187
配置命令:
setenvipaddr192.168.6.187;板子的ip
setenvserverip192.168.6.186;虚拟机的ip
setenvgatewayip192.168.1.1;网关
saveenv;保存配置
- 加载内核和设备树
setenvbootcmdtftp41000000uImage\;tftp42000000exynos4412-fs4412.dtb\;bootm41000000-42000000
bootcmd:uboot2启动之后,首先先执行找到这个参数,执行后面的命令。 从tftp服务器下载内核镜像uImage到地址41000000,设备树文件exynos4412-fs4412.dtb到42000000,并通过命令bootm加载启动内核。
- 挂载nfs
setenvbootargsroot=/dev/nfsnfsroot=192.168.6.186:/rootfsrwconsole=ttySAC2,115200init=/linuxrcip=192.168.6.187
挂载nfs文件系统,
- root=/dev/nfs
- nfsroot=192.168.6.186:/rootfs nfs服务器地址192.168.6.186,目录为/rootfs,
- rw 文件系统操作权限为可续写
- console=ttySAC2,115200 串口名称和波特率
- init=/linuxrc 内核启动后运行的进程为linuxrc
- ip=192.168.6.187 开发板地址
要想了解exynos-4412的启动顺序,我们首先需要了解该soc的内存布局。
1. exynos-4412内存布局通常一款soc的内存在厂家设计的时候就已经规定死了,对于使用者来说,我们无法改变。
我们只关心和启动相关的一个地址,
- iROM 在soc内部,出厂时厂家固化了特定的程序,iROM中程序对应用户来说不可改变
- iRAM 在soc内部,速度较快,但空间不大
- DMC RAM控制器,位于SOC内部,用于驱动RAM,大容量的RAM都需要连接到该控制器
不同的厂家的启动顺序是不太一样的,本篇主要以三星的exynos-4412 soc为基础,讲解该基于该板子的uboot启动顺序。
根据上图,系统启动的大概顺序:
- iROM在SOC内部,是一个64KB的ROM,他树池化一些系统启动必须的功能。比如:时钟、栈。
- iROM负责从特殊的启动外设加载BL1的image到soc内部的256KB的SRAM中。启动的外设由操作按钮来决定的。根据不同按键的值,iROM将会对bl1 的image做不同的校验。
- BL1初始化系统时钟和DRAM控制器,然后从启动外设加载OS image到DRAM中。根据启动按钮的值的不同,BL1会对OS做不同的校验。
- 启动完成之后,BL1跳转到操作系统(kernel)。
iROM会根据OM 引脚的不同选择不同的启动设备,对应的OM寄存器需要提供对应的启动信息。
三、内核启动流程概述1. 内核启动流程 概述
如上图所示:
- 设备上电之后,先执行iROM中的出厂代码,先进行必要硬件的初始化 去执行uboot,
- 通常把kernel、设备树文件放到flash中
- 程序启动之后,往往先从flash启动,运行uboot
- 第一步:先进行硬件的初始化(svc模式栈、clock、内存、串口) 第二步:自搬移:把uboot从flash中拷贝到RAM中,跳转到RAM中执行剩下的uboot代码第三步:把内核拷贝到RAM中,执行内核,把控制权交给内核。
开发板从上电到启动内核的过程
四、uboot启动流程代码详解在三星的SoC中, 启动流程可以分为三个阶段BL0, BL1, BL2, BL3, 三星自己的手册对BL1的解释也不尽相同, 一种是将在iRAM中运行的程序都归结为BL1; 一种是将iRAM中三星加密的代码bl1.bin作为BL1, iRAM中剩余的部分作为BL2, 本文采用后者, 他们的主要分工如下:
- BL0: ARM的起始地址都是0地址, 三星的芯片一般将0地址映射到iROM中, BL0就是指iROM中固化的启动代码, 主要负责加载BL1
- BL1: 三星对于bootloader的加密代码bl1.bin, 要放在外设中uboot.bin的头上, 和一部分uboot.bin一起加载到iRAM中运行.
- BL2: 从(nand/sd/usb)中拷贝的uboot.bin头最大14K到iRAM中代码中除去bl1.bin后剩余的部分, 负责设置CPU为SVC模式, 关闭MMU, 关闭中断, 关闭iCache, 关闭看门狗, 初始化DRAM,初始化时钟, 初始化串口, 设置栈, 校验BL2并将其搬移到DRAM高位地址, 重定位到DRAM中执行BL3
- BL3:是指在代码重定向后在内存中执行的uboot的完整代码, 负责初始化外设,更新向量表, 清BSS, 准备内核启动参数, 加载并运行OS内核
可以借助下图理解这个流程
img
我们常说的uboot是一个两阶段bootloader,就是指上述的BL2和BL3. BL2主要做硬件直接相关的初始化,使用汇编编写;BL3主要为操作系统的运行准备环境,主要用C编写,这里以ARM平台为例分析其启动流程。下面是启动过程中主要涉及的文件
arch/arm/cpu/armv7/start.S board/samsung/myboard/lowlevel_init.S arch/arm/lib/crt0.S arch/arm/lib/board.c arch/samsung/myboard/myboard.c
1. BL2BL2的主要文件和任务流程如下
arch/arm/cpu/armv7/start.S \1. 设置CPU为SVC模式 \2. 关闭MMU \3. 关闭Cache \4. 跳转到lowlevel_init.S low_level_init board/samsung/origen/lowlevel_init.S \5. 初始化时钟 \6. 初始化内存 \7. 初始化串口 \8. 关闭看门狗 \9. 跳转到crt0.S _main arch/arm/lib/crt0.S \10. 设置栈 \11. 初始化C运行环境 \12. 调用board_init_f() arch/arm/lib/board.c \13. board_init_f对全局信息GD结构体进行填充 arch/arm/lib/crt0.S \14. 代码重定位------------BL2的最后的工作, 执行完就进入DRAM执行BL2
2. lds文件要想了解uboot整个项目的代码流程,必须首先了解链接脚本【链接脚本参考《7. 从0开始学ARM-GNU伪指令,lds使用》】。
该文件决定了uboot最终生成的镜像文件,各个段的布局。
uboot链接脚本如下:
u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/u-boot.lds
文件内容:
26OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm","elf32-littlearm","elf32-littlearm")
27OUTPUT_ARCH(arm)
28ENTRY(_start)
29SECTIONS
30{
31.=0x00000000;
32
33.=ALIGN(4);
34.text:
35{
36__image_copy_start=.;
37CPUDIR/start.o(.text*)
38*(.text*)
39}
40
41.=ALIGN(4);
42.rodata:{*(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*)))}
43
44.=ALIGN(4);
45.data:{
46*(.data*)
47}
48
49.=ALIGN(4);
50
51.=.;
52
53.=ALIGN(4);
54.u_boot_list:{
55#include<u-boot.lst>
56}
57
58.=ALIGN(4);
59
60__image_copy_end=.;
61
62.rel.dyn:{
63__rel_dyn_start=.;
64*(.rel*)
65__rel_dyn_end=.;
66}
67
68.dynsym:{
69__dynsym_start=.;
70*(.dynsym)
71}
72
73_end=.;
74
75/*
76*Deprecated:thisMMUsectionisusedbypxaatpresentbut
77*shouldnotbeusedbynewboards/CPUs.
78*/
79.=ALIGN(4096);
80.mmutable:{
81*(.mmutable)
82}
83
84.bss__rel_dyn_start(OVERLAY):{
85__bss_start=.;
86*(.bss*)
87.=ALIGN(4);
88__bss_end__=.;
89}
90
91/DISCARD/:{*(.dynstr*)}
92/DISCARD/:{*(.dynamic*)}
93/DISCARD/:{*(.plt*)}
94/DISCARD/:{*(.interp*)}
95/DISCARD/:{*(.gnu*)}
96}
97
核心内容解释:
27OUTPUT_ARCH(arm):该镜像运行在arm架构的硬件上
28ENTRY(_start):程序的入口是_start
29SECTIONS
30{
31.=0x00000000;:程序的链接地址,不是运行地址【uboot一定是位置无关码】
34.text:
35{
36__image_copy_start=.;:宏对应整个程序编译好后首地址,自搬移代码的初始位置
37CPUDIR/start.o(.text*):第一个目标文件CPUDIR/start.o中的代码段
38*(.text*):剩下的目标文件的代码段
39}
60__image_copy_end=.;:自搬移代码的结束为止
BSS全局未初始化变量、全局初始化为0的变量所在的段:
84.bss__rel_dyn_start(OVERLAY):{
85__bss_start=.;
88__bss_end__=.;
89}
代码只分析到uboot命令行,函数main_loop()位置。
4. 启动代码详细分析
_start入口位于以下文件:
u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/armv7/start.S
第二阶段
第二阶段代码从_main开始:
以上代码详细解释,请结合视频同步学习。
五、uboot启动的几个关键知识点- 如何判断第一条机器指令的位置?
链接脚本决定了内存的布局。
uboot链接脚本如下:
u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/u-boot.lds
文件内容:
28ENTRY(_start)
29SECTIONS
30{
31.=0x00000000;
32
uboot的入口是_start 链接地址是0x00000000
- uboot如何搬运代码? 代码位于:
u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/armv7/start.S
搬移代码如下:
ENTRY(relocate_code)
movr4,r0/*saveaddr_sp*/
movr5,r1/*saveaddrofgd*/
movr6,r2/*saveaddrofdestination*/
adrr0,_start
cmpr0,r6
moveqr9,#0/*norelocation.relocationoffset(r9)=0*/
beqrelocate_done/*skiprelocation*/
movr1,r6/*r1<-scratchforcopy_loop*/
ldrr3,_image_copy_end_ofs
addr2,r0,r3/*r2<-sourceendaddress*/
copy_loop:
ldmiar0!,{r9-r10}/*copyfromsourceaddress[r0]*/
stmiar1!,{r9-r10}/*copytotargetaddress[r1]*/
cmpr0,r2/*untilsourceendaddress[r2]*/
blocopy_loop
详情参考第四章,第3节。
- uboot中,如何判断此次开机是从断电状态开机还是从休眠状态启动的?
board/samsung/fs4412/lowlevel_init.S
代码如下:
41lowlevel_init:
54/*AFTRwakeupreset*/
55ldrr2,=S5P_CHECK_DIDLE
56cmpr1,r2
57beqexit_wakeup
58
59/*LPAwakeupreset*/
60ldrr2,=S5P_CHECK_LPA
61cmpr1,r2
62beqexit_wakeup
63
64/*Sleepwakeupreset*/
65ldrr2,=S5P_CHECK_SLEEP
66cmpr1,r2
67beqwakeup_reset
112wakeup_reset:
113blsystem_clock_init
114blmem_ctrl_asm_init
115bltzpc_init
116
117exit_wakeup:
118/*Loadreturnaddressandjumptokernel*/
119ldrr0,=(EXYNOS4_POWER_BASE INFORM0_OFFSET)
120
121/*r1=physicaladdressofexynos4210_cpu_resumefunction*/
122ldrr1,[r0]
123
124/*Jumptokernel*/
125movpc,r1
由上可知,当手机因为各种原因进入休眠时,会将当前程序执行的上下文保护起来,并向一些pmic的寄存器中写入指定的数据,以表明此次是因为何种原因进入休眠。
而手机并没有完全断电,而是处于一个低功耗模式下,此时启动RAM仍然有数据,所以在此启动后,只需要从特殊的寄存器中读取相应的值,就可以知道之前是因为什么原因休眠,进而回复休眠之前的上下文即可。
- uboot代码搬到ram之后,代码的运行地址发生了变化,如何保证程序跳转不会出错?
除了要保证uboot代码是基于地址无关的,此外.rel.dyn帮我们解决了,其实主要还是编译器帮我们做了很多工作。
位置无关码参考《15. 从0开始学ARM-位置无关码》
- 设备启动的时候,有可能直接从ram启动, 如何知道当前是从flah启动还是ram启动的?
文件:
board/samsung/fs4412/lowlevel_init.S
代码:
lowlevel_init:
85/*
86*IfU-bootisalreadyrunninginram,noneedtorelocateU-Boot.
87*MemorycontrollermustbeconfiguredbeforerelocatingU-Boot
88*inram.
89*/
90ldrr0,=0x0ffffff/*r0<-MaskBits*/
91bicr1,pc,r0/*pc<-currentaddrofcode*/
92/*r1<-unmaskedbitsofpc*/
93ldrr2,_TEXT_BASE/*r2<-originalbaseaddrinram*/
94bicr2,r2,r0/*r2<-unmaskedbitsofr2*/
95cmpr1,r2/*comparer1,r2*/
96beq1f/*r0==r1thenskipsdraminit*/
原理: RAM地址空间是:0x40000000-0xA0000000 0xA0000000-0x00000000 而iROM/iRAM地址的bit:28-31均是0,所以只需要读取出执行到lowlevel_init时pc的值,判断其bit:28-31是否是0即可知道现在代码是否运行在RAM中。
文中用到的源码、datasheet、交叉编译工具可以关注GH,后台回复 【uboot2013】即可获得。
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