U-boot启动流程——eloader

近日研究了一段时间的Eloader和U-boot的代码，大致分析了他们的启动的过程，并且将心得记录下来。

本文所讲述的启动内核代码分为两个阶段，是已经将代码分成两个不同的bin文件了：eloader.bin和u-boot.bin文件，eloader是用来启动u-boot的，然后u-boot就是我们所熟悉的启动linux的内核了。

首先先讲解一下eloader，其实我也搞不太清楚这个eloader和u-boot到底为什么要分开，而且eloader有没有给u-boot什么参数，慢慢研究吧！

一句一条的分析，知道的就会进行解释，不知道只能我们共同探讨了：

1. 首先来研究我们这个芯片的启动流程吧：

之前很多博客中写到过很多ARM芯片中的启动的过程，是可能直接将nand中的4K代码直接通过硬件方式，也就是所说的steppingstone，直接copy到RAM 0~4K处，然后开始在0x00000000处执行，还有的是直接在Nor-flash中执行，因为直接将nor-flash映射到0x00000000处直接执行。

但是此处的执行方式有一点点区别，这里并没有steppingstone，这里是将Serial Flash中0x3F0000~0x3FFFFF直接映射到0xFFFF0000~0xFFFFFFFF，然后程序就可以从0xFFFF0000开始执行了，就我自己的理解，就是在Serial Flash上直接运行的，因为我们这里所用的Serial Flash是直接在片上的，然而SDRAM不是在片上的，需要对它进行初始化之后才能使用，所以这里我认为就是直接在Serial Flash上直接进行运行的，而且对于CPU来说，Serial Flash上0x3F0000~0x3FFFFF，就是0xFFFF0000~0xFFFFFFFF。

那这样我们大家都同意程序运行的第一条程序是在0xFFFF0000处开始运行的，而且我会在后面会进行验证，此时我会将eloader.bin文件通过烧写器写到板子Serial flash0x3F0000处，也就是说程序运行的第一条程序就是运行eloader.bin的第一条指令。

2. 现在来分析源代码：

_TEXT_BASE:
	.word	TEXT_BASE

这里的TEXT_BASE在/Makefile中有定义

# entry point of text section
TEXT_BASE=0x0

_armboot_start:
	.word _start

/*
 * These are defined in the board-specific linker script.
 */
_bss_start:
	.word __bss_start

_bss_end:
	.word _end

上面程序中的几个参数是在/Nonsec_bl1.lds中有定义：

SECTIONS
{
	. = 0x0;


	. = ALIGN(4);
	.text	:
	{
		start.o	(.text)
		*(.text)
	}
	
	. = ALIGN(4);
	.rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }

	. = ALIGN(4);
	.data : { *(.data) }

	. = ALIGN(4);
	.got : { *(.got) }


	. = ALIGN(4);
	__bss_start = .;
	.bss : { *(.bss) }
	. = ALIGN(4);
	_end = .;


}

然后继续往下分析，首先将CPU设置为 SVC32 mode，然CPU处于一个比较强大的模式，可以操控更多的资源

mrs	r0, cpsr
bic	r0, r0, #0x1f
orr	r0, r0, #0xd3
msr	cpsr,r0

mrc	p15, 0, r0, c0, c0, 5   @get cpu id
and	r0, r0, #0x3

后面也有很多关于协处理器的操作的。

ldr  r1, =REG_RESET_STATUS
ldr  r3, [r1]
tst  r3, #0x10    @check if AP reset from suspend to memory status(STM)
bne  continue

ldr  r1, =REG_MCSBOOT_BASE
add  r1, r1, r0, lsl #2
ldr  r2, [r1]
cmp  r2, #0                  @ check if it's context restore
movne pc, r2

这里关于寄存器的设定，我可以找到它的寄存器在哪里，但是不知道作用是什么？

relocate:				@ relocate itself to RAM
adr	r0, _start		@ r0 <- current position of code
ldr	r1, _TEXT_BASE		@ test if we run from flash or RAM
cmp	r0, r1			@ don't reloc during debug
beq	stack_setup

这里不会进行relocate，因为此时_start=_TEXT_BASE=0，它会直接跳转到stack_setup去

stack_setup:
	ldr	r0, _stack_start	@ upper 128 KiB: relocated uboot
	sub	sp, r0, #12		@ leave 3 words for abort-stack
	bic	sp, sp, #7		@ 8-byte alignment for ABI compliance
	mov	r0, sp
	ldr	r1, =STACK_SIZE
	sub	r0, r0, r1
	cps	#18                     @ change to irq mode
	mov	sp, r0
	cps	#19

关于_start_start和STACK_SIZE会在Start.S中有定义：

#define STACK_SIZE 0x10000

_stack_start:
        .word 0x80000

这里为了调用C函数，设置简单的栈。可以同cps对cpsr寄存器进行设置，相当于用到了mrs指令。

clear_bss:
	ldr	r0, _bss_start		@ find start of bss segment
	ldr	r1, _bss_end		@ stop here
	mov	r2, #0x00000000		@ clear value
clbss_l:
	str	r2, [r0]		@ clear BSS location
	cmp	r0, r1			@ are we at the end yet
	add	r0, r0, #4		@ increment clear index pointer
	bne	clbss_l			@ keep clearing till at end

这里是为了初始化_bss段，bss段是存储的未初始化静态变量的，已经初始化的静态变量会存放在.data段中。

然后通过下面指令就跳转到main函数中：

ldr	pc, _start_armboot	@ jump to C code

_start_armboot:
        .word	main

相当于直接将，main函数的地址给到pc寄存器中，就会跳转到main函数了。
3. main函数

3.1 load_timing_table()：

board_id = *(unsigned int*)BOARD_INFO_ADDR;
cpu_freq = *(unsigned int*)(BOARD_INFO_ADDR+4);
timing_tbl_size = *(unsigned int*)(BOARD_INFO_ADDR+8);
timing_tbl = (sdram_timing_t*)(BOARD_INFO_ADDR+0xc);

这里是直接在Serial flash中读入一些板级数据和初始化sdram的寄存器的地址和值？之前有人问过我，为什么这里还没有对SDRAM进行初始化，就可以读出SDRAM的值，这里不是SDRAM，我们将timing_table.bin烧录到的是Serial Flash0x3F8000中，不是SDRAM中。

然后将board_id写入到寄存器中：

writel(board_id, (void*)0xd839341c);

0xd8390000~0xd839ffff属于PMU里面的，然后0xd839341c是控制PMU 中MCBOOT （keep the address for system recover）

3.2利用timing_table.bin读出来的值对SDRAM进行初始化init_sdram_timing()：

size = timing_tbl_size;
for (i=0; i<size; i++) {
<span style="white-space:pre">	</span>if ((timing_tbl[i].address < 0xd839d200) || (timing_tbl[i].address > 0xd839d2ff)) continue;
        writel(timing_tbl[i].value, timing_tbl[i].address);
	if (timing_tbl[i].delay) {
		delay(timing_tbl[i].delay);
        }
}

这里都是涉及到底层的SDRAM寄存器的操作，有对MPLL，DLL和MIU一些寄存器的设定。

/* enable peripheral clock */
writel(0xffffffff, (void *) 0xd8130250);
writel(0xffffffff, (void *) 0xd8130254);

这两句是设定clock enable register0和clock enable register1，0xd8130000~0xd813ffff是属于PMC(Power Management Controller)寄存器组的。

下面这一句完全不懂是什么？并且没有找到相关的技术手册：

/* now AXI fabric decoder not correct, 
     * close remap register this will open 
     * when final AXI fabric OK 
     */
writel(0, (void *)0xd8120500);

3.3通过读出来的数据改变cpu的频率switch_cpu_freq()；

3.4 handle_stm()这个函数完全不知道干了什么；

3.5 memory_auto_tune()；这里是与MIU寄存器相关的设定

3.6 pmc_writel(pmc_readl(0x250) | (1<<2), 0x250)：

这里是使能UART1 clock，是属于PMC的一部分。

3.7 初始化UART1 的GPIO口：

elite_gpio_pinmux_set(0);
elite_gpio_func_en(93, 0); //TXD
elite_gpio_func_en(94, 0); //RXD
elite_gpio_pullupdown_ctrl0_set(93, ELITE_PINCONF_PULL_UP); //TXD
elite_gpio_pullupdown_ctrl0_set(94, ELITE_PINCONF_PULL_DOWN); //RXD

第一句是pin-sharing selection register。

后面几句是设置UART1 TXD/RXD Signale GPIO Enable和UART1RXD/TXD Signal pull-up/down control0

3.8 串口初始化serial_init() -> serial_setbrg()：

这里有一个很重要的结构体，就是pUart_Reg，它将关于串口寄存器的值都包含进来了：

typedef struct _UART_REG_ {
    volatile unsigned long URTDR;             /* Transmit data register */
    volatile unsigned long URRDR;             /* Receive data register */
    volatile unsigned long URDIV;             /* UART clock divisor & Bard rate divisor */
    volatile unsigned long URLCR;             /* Line control register */
    volatile unsigned long URICR;             /* IrDA control register */
    volatile unsigned long URIER;             /* Interrupt enable register */
    volatile unsigned long URISR;             /* Interrupt status register */
    volatile unsigned long URUSR;             /* Status register */
    volatile unsigned long URFCR;             /* Fifo control register */
    volatile unsigned long URFIDX;            /* Fifo index register */
    volatile unsigned long URBKR;             /* Break signal count value register */
    volatile unsigned long URTOD;             /* UART time out divisor register */
    volatile unsigned long Resv30_FFF[0x3F4]; /* 0x0030 - 0x0FFF Reserved */
    volatile unsigned char TXFifo[32];        /* 0x1000 - 0x101F 16x8 bit asynchronous Fifo */
    volatile unsigned char RXFifo[32];        /* 0x1020 - 0x103F 16x10 bit asynchronous Fifo */
} UART_REG, *PUART_REG;

然后在serial_setbrg()这个函数里面就是这个结构体的值赋值就好了。
3.9 将u-boot.bin从Serial Flash拷贝到SDRAM中去load_os_image()：

3.9.1 初始化SPI sf_init()：

reg_base = ELITE_SPI_FLASH_REG_BASE;   
writeb(0x00, (void *)(reg_base + SPI_RD_WR_CTRL));
phy_flash_base = 0xffffffff - SPI_FLASH_SIZE + 1;
for (i = 0; i < 32; i++)
{
        if ((SPI_FLASH_SIZE >> i) == 0x8000)
            phy_flash_size = i;
}
writel(phy_flash_base | (phy_flash_size << 8), (void *)(reg_base + CHIP_SEL_0_CFG));
writel(0x00000000, (void *)(reg_base + SPI_IF_CFG));

需要对SPI相关的寄存器进行操作，这里有人就会问为什么前面不需要初始化Serial Flash就可以用到里面的内容，因为这里是初始化SPI总线，是要将Serial Flash 与SDRAM联系起来或是传递数据用的。

3.9.2 将存储在Serial Flash中的u-boot.bin拷贝到SDRAM 0x3F80000处sf_read(OS_FLASH_OFFSET, OS_MEM_ADDR, OS_IMAGE_SIZE)：

writel(0XFFFFFFFF, (void *)(reg_base + SPI_ERROR_STATUS));
writel(readl((void *)(reg_base + SPI_IF_CFG))|(1 << 6), (void *)(reg_base + SPI_IF_CFG));
while (len > 0) 
{
        if (len > 32)
            burst_size = 32;
        else 
            burst_size = len;

        writeb(0x3, (void*)(reg_base + SPI_PROG_CMD_WBF));
        writeb((offset>>16) & 0xff, (void*)(reg_base + SPI_PROG_CMD_WBF+1));
        writeb((offset>>8) & 0xff, (void*)(reg_base + SPI_PROG_CMD_WBF+2));
        writeb(offset & 0xff, (void*)(reg_base + SPI_PROG_CMD_WBF+3));
        writel((0x4<<24)|(burst_size<<16)|(chip_index<<1)|0x1, (void*)(reg_base + SPI_PROG_CMD_CTRL));

        while(readl((void *)(reg_base + SPI_ERROR_STATUS)) & (1 << 31));

        /* wait data ready */
        while (readl((void*)(reg_base + SPI_PROG_CMD_CTRL)) & (1 << 0));

        for (i = 0; i < burst_size; i++) 
            *(unsigned char*)(buf + i) = readb((void*)(reg_base + SPI_PROG_CMD_RBF+i));

        len -= burst_size;
        offset += burst_size;
        buf += burst_size;
        
}

writel(readl((void *)(reg_base + SPI_IF_CFG)) & ~(1 << 6), (void *)(reg_base + SPI_IF_CFG));

首先会传递命令0x03到SPI_PROG_CMD_WBF中，告诉它我要进行读命令了，然后继续传递地址到此命令中去，然后在从SPI_PROG_CMD_RBF中读出刚刚写进去的地址中的内容，一次性读取4个字节的内容。然后将这些值传递到SDRAM 0x3F80000处，进而完成了u-boot.bin的拷贝工作。

3.10 直接跳转到0x3F80000，进入到u-boot.bin中的第一条指令处：

#define OS_MEM_ADDR 0x3f80000
typedef void (*bl2)(void);
bl2 bl2_entry;
bl2_entry = (bl2*)OS_MEM_ADDR;
bl2_entry();

首先定义了一个函数指针，然后将这个指针的值赋予0x3F80000，然后直接调用这个指针函数，就相当于直接跳转到这个指针处，也就是0x3F80000。然后在此之前会遇到几行代码：

__asm__ volatile("dsb");
__asm__ volatile("isb");

这个是内嵌到C语言中的汇编代码， dsb值指数据同步隔离，isb是指指令同步隔离，意思等待之前的数据和指令全部执行完毕之后，才能进行后面的操作；

/* turn off car mode */
*(volatile unsigned int*)REG_CAR_SETTING = 1;

这里这个寄存器有两种mode：car mode和normal mode

这个我不知道是干嘛用的？

3.11 验证eloader的代码运行地址

ldr	pc, _start_armboot	@ jump to C code

在这条代码之前加入：

mov	r0, pc

将pc当前的值，给到r0处，这时候r0就是调用main()函数传递进来的第一个参数，在main()函数中加入：

void main(unsigned int temp)
{
        printf("Miles: temp = %x\n", temp);
}

这样就会将pc的值传递到temp，并打印出来，结果为0xFFFF0108，说明是直接运行在Serial Flash上的。