UBOOT学习笔记（五): UBOOT汇编启动阶段

Zenexus

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分类专栏： uboot & linux启动篇文章标签： linux arm

于 2025-03-29 23:46:25 首次发布

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1、 _start 入口

根据u-boot.lds可以了解到，所有程序的入口点都是 _start 符号， _start 位于u-boot-2020.01/arch/arm/lib/vectors.S函数里：

具体代码如下：

_start:
#ifdef CONFIG_SYS_DV_NOR_BOOT_CFG
	.word	CONFIG_SYS_DV_NOR_BOOT_CFG
#endif
	ARM_VECTORS
#endif /* !defined(CONFIG_ENABLE_ARM_SOC_BOOT0_HOOK) */

	.globl  _reset
	.globl	_undefined_instruction
	.globl	_software_interrupt
	.globl	_prefetch_abort
	.globl	_data_abort
	.globl	_not_used
	.globl	_irq
	.globl	_fiq

  .macro ARM_VECTORS
#ifdef CONFIG_ARCH_K3
	ldr     pc, _reset
#else
	b	reset
#endif
	ldr	pc, _undefined_instruction
	ldr	pc, _software_interrupt
	ldr	pc, _prefetch_abort
	ldr	pc, _data_abort
	ldr	pc, _not_used
	ldr	pc, _irq
	ldr	pc, _fiq
	.endm

因此，可以看出当发生复位时，硬件会自动跳转到_start地址，然后根据向量表执行b reset，进入reset处理函数（在start.S中定义）

2、reset

reset函数是U-Boot启动过程中最先执行的代码，负责将系统从硬件复位状态初始化到可以运行C代码的环境。下面我将详细分析reset函数的功能和执行流程。

1、reset函数整体流程

在这里插入图片描述

2、详细功能分解

（1）save_boot_params

reset:
b   save_boot_params       /* 跳转到引导参数保存 */

其中：

ENTRY(save_boot_params)
    b	save_boot_params_ret		@ back to my caller
ENDPROC(save_boot_params)
    .weak	save_boot_params

提供板级定制入口，允许保存从BootROM传递的启动参数（如内存配置、设备状态等）。默认弱符号实现直接返回，厂商可重写此函数。

save_boot_params_ret:

1、虚拟化支持检查（ARMv7 LPAE）
（1）检查CPU是否支持虚拟化扩展
#ifdef CONFIG_ARMV7_LPAE
	mrc	p15, 0, r0, c0, c1, 1		    /* 读取ID_PFR1寄存器 */
	and	r0, r0, #CPUID_ARM_VIRT_MASK	/* 提取虚拟化支持位 */
	cmp	r0, #(1 << CPUID_ARM_VIRT_SHIFT)
	beq	switch_to_hypervisor            /* 如果支持则切换到hypervisor模式 */
switch_to_hypervisor_ret:
#endif

2、处理器模式设置
（1）确保系统运行在特权级的SVC模式
（2）启动阶段禁用所有中断
（3）保留HYP模式的特殊情况处理
    mrs r0, cpsr                /* 读取当前程序状态寄存器 */
    and r1, r0, #0x1f           /* 提取模式位[4:0] */
    teq r1, #0x1a               /* 比较是否为HYP模式(0x1a) */
    bicne r0, r0, #0x1f         /* 如果不是HYP模式，清除模式位 */
    orrne r0, r0, #0x13         /* 设置为SVC模式(0x13) */
    orr r0, r0, #0xc0           /* 设置I/F位，禁用FIQ和IRQ */
    msr cpsr,r0                 /* 写回CPSR */

3、异常向量表配置
（1）允许向量表位于任意内存地址
（2）确保向量表地址正确对齐
#if !(defined(CONFIG_OMAP44XX) && defined(CONFIG_SPL_BUILD))
    mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0   /* 读取系统控制寄存器(SCTLR) */
    bic r0, #CR_V               /* 清除V位(bit13)，使用低地址异常向量 */
    mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0   /* 写回SCTLR */

#ifdef CONFIG_HAS_VBAR
    ldr r0, =_start             /* 获取_start地址 */
    mcr p15, 0, r0, c12, c0, 0  /* 设置VBAR(向量基址寄存器) */
#endif
#endif

4、进行CPU初始化
（1）调用函数cpu_init_cp15和cpu_init_crit分别初始化CP15和CRIT；
	/* the mask ROM code should have PLL and others stable */
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
#ifdef CONFIG_CPU_V7A
	bl	cpu_init_cp15
#endif
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT_ONLY
	bl	cpu_init_crit
#endif
#endif

5、跳转到C环境
	bl	_main

（2）cpu_init_cp15

cpu_init_cp15函数是U-Boot启动过程中对ARM处理器最底层的初始化代码，负责配置CP15系统控制协处理器，为后续启动流程建立稳定的硬件环境。

ENTRY(cpu_init_cp15)
    /* 
     * 第一步：无效化所有缓存和TLB 
     * 确保启动时没有残留的旧缓存数据影响系统
     */
    mov	r0, #0			@ 准备MCR操作的零值
    mcr	p15, 0, r0, c8, c7, 0	@ 无效化所有TLB（地址转换缓存）
    mcr	p15, 0, r0, c7, c5, 0	@ 无效化指令缓存（I-Cache）
    mcr	p15, 0, r0, c7, c5, 6	@ 无效化分支预测数组
    mcr     p15, 0, r0, c7, c10, 4	@ 数据同步屏障（DSB），确保内存操作完成
    mcr     p15, 0, r0, c7, c5, 4	@ 指令同步屏障（ISB），清空流水线

    /*
     * 第二步：配置MMU和缓存控制
     * 设置系统控制寄存器(SCTLR)的关键位
     */
    mrc	p15, 0, r0, c1, c0, 0	@ 读取系统控制寄存器
    bic	r0, r0, #0x00002000	@ 清除V位(bit13)，使用低地址异常向量
    bic	r0, r0, #0x00000007	@ 清除CAM位(bit2-0)，关闭MMU和数据/指令缓存
    orr	r0, r0, #0x00000002	@ 设置A位(bit1)，启用对齐检查
    orr	r0, r0, #0x00000800	@ 设置Z位(bit11)，启用分支预测
#if CONFIG_IS_ENABLED(SYS_ICACHE_OFF)
    bic	r0, r0, #0x00001000	@ 清除I位(bit12)，禁用指令缓存
#else
    orr	r0, r0, #0x00001000	@ 设置I位(bit12)，启用指令缓存
#endif
    mcr	p15, 0, r0, c1, c0, 0	@ 写回系统控制寄存器

    ...
    
    /*
     * 第五步：设置临时栈
     * 为可能需要调用C函数的勘误处理准备运行环境
     */
#if defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK)
    ldr	r0, =(CONFIG_SPL_STACK)	@ SPL阶段使用专用栈
#else
    ldr	r0, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR) @ 正常U-Boot使用初始化栈
#endif
    bic	r0, r0, #7		@ 8字节对齐
    mov	sp, r0			@ 设置栈指针

    /*
     * 第七步：返回调用者
     */
    mov	pc, r5			@ 通过保存的lr返回
ENDPROC(cpu_init_cp15)

cpu_init_cp15函数主要的操作如下：

缓存和TLB初始化：通过CP15协处理器指令无效化I-Cache/D-Cache/TLB
MMU/缓存控制：配置系统控制寄存器，按需启用指令缓存和分支预测
运行环境准备：设置临时栈空间，为可能的C函数调用做准备

（3）cpu_init_crit

ENTRY(cpu_init_crit)
	/*
	 * Jump to board specific initialization...
	 * The Mask ROM will have already initialized
	 * basic memory. Go here to bump up clock rate and handle
	 * wake up conditions.
	 */
	b	lowlevel_init		@ go setup pll,mux,memory
ENDPROC(cpu_init_crit)
#endif

其中，lowlevel_init：

以下是直接在代码上添加的关键注释和整体功能总结：

/* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0+ */
/*
 * 底层初始化函数，设置栈以便调用C函数进行后续初始化
 * 注意：此时全局数据(GD)尚未可用
 */

#include <asm-offsets.h>
#include <config.h>
#include <linux/linkage.h>

/*-------------------------------------------
 * 定义弱符号s_init（板级早期初始化函数）
 * 默认实现为空，板级代码可覆盖实现
 *-----------------------------------------*/
.pushsection .text.s_init, "ax"
WEAK(s_init)    // 弱符号定义，可被板级代码覆盖
    bx    lr     // 默认直接返回
ENDPROC(s_init)
.popsection

/*-------------------------------------------
 * 主函数：lowlevel_init（底层初始化）
 * 核心功能：设置临时运行环境
 *-----------------------------------------*/
.pushsection .text.lowlevel_init, "ax"
WEAK(lowlevel_init)
    /* [关键1] 设置临时栈指针 */
#if defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK)
    ldr    sp, =CONFIG_SPL_STACK    // SPL阶段使用专用栈
#else
    ldr    sp, =CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR // 正常U-Boot使用初始化栈
#endif
    bic    sp, sp, #7    // 栈指针8字节对齐（符合AAPCS规范）

    /* [关键2] 全局数据区处理 */
#ifdef CONFIG_SPL_DM
    mov    r9, #0        // 使用设备树时不需GD（r9传统存放GD指针）
#else
    #ifdef CONFIG_SPL_BUILD
    ldr    r9, =gdata    // SPL阶段使用预定义的GD区域
    #else
    sub    sp, sp, #GD_SIZE // 正常U-Boot：在栈上分配GD空间
    bic    sp, sp, #7    // 重新对齐栈指针
    mov    r9, sp        // 设置GD指针
    #endif
#endif

    /* [关键3] 保存返回地址 */
    push    {ip, lr}      // ip保存原始lr，lr是当前返回地址

    /* [关键4] 调用板级早期初始化 */
    bl    s_init          // 调用板级特定初始化（可能是空实现）

    /* [关键5] 恢复返回地址并返回 */
    pop    {ip, pc}       // 恢复ip为原始lr，pc跳转返回
ENDPROC(lowlevel_init)
.popsection

整体功能总结

为U-Boot启动早期阶段建立最基本的运行环境
在全局数据(GD)和DRAM初始化之前提供临时栈空间
为板级特定初始化提供执行入口

一些细节总结：

（1）在imx6ull中，31行CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR有如下定义：

#define PHYS_SDRAM			MMDC0_ARB_BASE_ADDR

#define CONFIG_SYS_SDRAM_BASE		PHYS_SDRAM
#define CONFIG_SYS_INIT_RAM_ADDR	IRAM_BASE_ADDR
#define CONFIG_SYS_INIT_RAM_SIZE	IRAM_SIZE

#define CONFIG_SYS_INIT_SP_OFFSET \
	(CONFIG_SYS_INIT_RAM_SIZE - GENERATED_GBL_DATA_SIZE)
#define CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR \
	(CONFIG_SYS_INIT_RAM_ADDR + CONFIG_SYS_INIT_SP_OFFSET)

其中，IRAM_BASE_ADDR 与 IRAM_SIZE 的定义如下：

#define IRAM_BASE_ADDR			0x00900000
...
#if !(defined(CONFIG_MX6SX) || \
	defined(CONFIG_MX6UL) || defined(CONFIG_MX6ULL) || \
	defined(CONFIG_MX6SLL) || defined(CONFIG_MX6SL))
#define IRAM_SIZE                    0x00040000
#else
#define IRAM_SIZE                    0x00020000
#endif

因此CONFIG_MX6ULL被定义后，IRAM_SIZE为 0x00020000即128K

（2）函数中调用的s_init 判断Soc为is_mx6ull时，会直接返回

void s_init(void)
{
    ...
    if (is_mx6sx() || is_mx6ul() || is_mx6ull() || is_mx6sll())
        return;
    ...
}

此时函数一路返回路径为：

--> s_init 
    --> lowlevel_init
        --> cpu_init_crit
            --> save_boot_params_ret --> bl _main

总结：

从 _start 到 _main 的汇编阶段，主要做了以下几件事：
1、设置CPU运行模式为SVC模式，关闭FIQ和IRQ中断

原因：

（1）SVC 模式可以访问所有系统寄存器（如 MMU、缓存控制），U-Boot 需要初始化关键硬件（如内存控制器、时钟），必须运行在特权模式下

（2）在 U-Boot 初始化阶段关闭中断（通过设置 CPSR 的 I 和 F 位）是为了：

U-Boot 的硬件初始化（如 DDR 配置、时钟设置）必须是不可中断的，**
早期阶段，中断控制器（如 GIC、NVIC）可能尚未配置，此时响应中断会导致未定义行为（如死机）

2、****设置CP15协处理器的若干个寄存器，包括了设置异常向量表重定位并写入异常向量表的地址，失效Cache，关闭MMU，清除Cache

（1）重定位异常向量表是因为，我们知道异常向量表的地址是0x00000000，而Uboot是在DDR中运行的，DDR的起始地址肯定不是0x00000000，那么异常向量表必须重定位，这里只是配置好了重定位所需要的寄存器内容，实际的向量表重定位由后续的relocate_vector函数完成。

（2）关闭MMU是因为，MMU负责虚拟地址到实际物理地址的转换，此时还没有加载操作系统，操作的都是实际物理地址，不需要MMU来转换。

（3）清除Cache是因为，Cache的内容是从DDR中缓存过来的，起始阶段DDR中还没有我们加载的内容，此时从DDR中缓存内容到Cache中，如果CPU从Cache中取数据可能导致错误。

3、设置芯片内部的IRAM

划分出一部分用来作为堆栈（方便后续调用C函数），划分一部分用来存储uboot中的重要变量：struct global_data，这个结构体中包含了cpu的时钟频率信息，总线的时钟频率，uboot重定位的地址，外部DDR的大小，Uboot本身的大小的起始地址与终止地址，malloc内存池的大小和位置等等众多重要数据，这些结构体内部的变量是在后续的board_init_f()函数中被初始化的，这些变量被初始化完成以后，Uboot会根据其值进行重定位和一系列对外设的操作。

引用：

imx6ull uboot启动流程 - 流水灯 - 博客园