uboot启动流程详解(5)-_main

最新推荐文章于 2025-05-30 01:41:28 发布

o倚楼听风雨o

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分类专栏： uboot 文章标签： u-boot relocate

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/silent123go/article/details/53198125

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前言

　　_main标号中主要调用的函数有三个，board_init_f，relocate_code，board_init_r，这里先贴出_main的代码并注释，然后对这三个函数的流程及原理进行详细介绍。

1、代码注释

ENTRY(_main)

/*
 * Set up initial C runtime environment and call board_init_f(0).
 */
/*
*这里首先为调用board_init_f准备一个临时堆栈，CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR这个宏
*就是cpu片上内存的高地址（片上内存的大小减去GD_SIZE）。然后将堆栈初始的地址保存在
*r9，所以r9就是gd的起始地址，后面需要靠r9访问gd中的成员。然后将r0赋值成0，r0就是
*要调用的board_init_f函数的第一个参数！
*/
#if defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK)
    ldr sp, =(CONFIG_SPL_STACK)
#else
    ldr sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
#endif
    bic sp, sp, #7  /* 8-byte alignment for ABI compliance */
    sub sp, sp, #GD_SIZE    /* allocate one GD above SP */
    bic sp, sp, #7  /* 8-byte alignment for ABI compliance */
    mov r9, sp      /* GD is above SP */
    mov r0, #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.
 */

/*
*这段代码的主要功能就是将uboot搬移到内存的高地址去执行，为kernel腾出低端空间，
*防止kernel解压覆盖uboot。
*adr这个指令非常有意识，可以自己问度娘了解以下。这里这三行代码
*adr    lr, here
*ldr    r0, [r9, #GD_RELOC_OFF]
*add    lr, lr, r0
*的功能就是，将relocate后的here标号的地址保存到lr寄存器，这样等到relocate
*完成后，就可以直接跳到relocate后的here标号去执行了。
*relocate_code函数的原理及流程，是uboot的重要代码，下面详解！
*/
    ldr sp, [r9, #GD_START_ADDR_SP] /* sp = gd->start_addr_sp */
    bic sp, sp, #7  /* 8-byte alignment for ABI compliance */
    ldr r9, [r9, #GD_BD]        /* r9 = gd->bd */
    sub r9, r9, #GD_SIZE        /* new GD is below bd */

    adr lr, here
    ldr r0, [r9, #GD_RELOC_OFF]     /* r0 = gd->reloc_off */
    add lr, lr, r0
    ldr r0, [r9, #GD_RELOCADDR]     /* r0 = gd->relocaddr */
    b   relocate_code
here:

/* Set up final (full) environment */
　　　　　/*
　　　　　*relocate完成后，uboot的代码被搬到了内存的顶部，所以必须重新设置异常向量表的
　　　　　*地址，c_runtime_cpu_setup这个函数的主要功能就是重新设置异常向量表的地址。
　　　　　*/
    bl  c_runtime_cpu_setup /* we still call old routine here */
　　　　　
　　　　　/*
　　　　　*在relocate的过程中，并没有去搬移bss段。bss段是auto-relocated的！为什么？
　　　　　*可以自己思考一下，又或许看完我后面介绍的relocate的原理后你会明白！
　　　　　*/
    ldr r0, =__bss_start    /* this is auto-relocated! */
    ldr r1, =__bss_end      /* this is auto-relocated! */

    mov r2, #0x00000000     /* prepare zero to clear BSS */
　　　　　
　　　　　/*
　　　　　*清空bss段。
　　　　　*/
clbss_l:cmp r0, r1          /* while not at end of BSS */
    strlo   r2, [r0]        /* clear 32-bit BSS word */
    addlo   r0, r0, #4      /* move to next */
    blo clbss_l
　　　　　
　　　　　/*
　　　　　*这两行代码无视之，点灯什么的，和这里要讲的uboot的原理及过程没有半毛钱关系。
　　　　　*/
    bl coloured_LED_init
    bl red_led_on
　　　　　/*
　　　　　*将relocate后的gd的地址保存到r1，然后调用board_init_r函数，进入uboot的新天地！
　　　　　*/
    /* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */
    mov     r0, r9                  /* gd_t */
    ldr r1, [r9, #GD_RELOCADDR] /* dest_addr */
    /* call board_init_r */
    ldr pc, =board_init_r   /* this is auto-relocated! */

    /* we should not return here. */

#endif

ENDPROC(_main)

2、board_init_f

　　这个函数的主要功能就是初始化一些硬件设备(串口、定时器等)并且设置gd结构体中的成员。执行完后，gd中一些重要成员的指向如下图所示：
　　这里写图片描述
　　刚开始uboot在编译地址TEXT_BASE处执行，relocate完成后，uboot会被搬移到gd->relocaddr这个地址执行。gd->start_addr_sp是relocate完成后新的堆栈起始地址。接下来对其调用到的主要函数进行介绍。
　　
　　1、获取整个uboot的大小到gd->mon_len

static int setup_mon_len(void)
{
#ifdef __ARM__
    gd->mon_len = (ulong)&__bss_end - (ulong)_start;
#elif defined(CONFIG_SANDBOX)
    gd->mon_len = (ulong)&_end - (ulong)_init;
#else
    /* TODO: use (ulong)&__bss_end - (ulong)&__text_start; ? */
    gd->mon_len = (ulong)&__bss_end - CONFIG_SYS_MONITOR_BASE;
#endif
    return 0;
}

　　__bss_end ，_start这两个标号在链接脚本u-boot.lds中定义。__bss_end -_start uboot就是整个uboot的大小。如果对链接脚本不了解，可以参考《编译及连接过程》。
　　
　　2、获取环境变量的起始地址到gd->env_addr

int env_init(void)
{
    /* use default */
    gd->env_addr = (ulong)&default_environment[0];
    gd->env_valid = 1;

    return 0;
}

　　default_environment是全局初始化变量，保存在uboot的data段中！

　　3、设置gd->baudrate
　　从环境变量中获取波特率到gd->baudrate成员中。

static int init_baud_rate(void)
{
    gd->baudrate = getenv_ulong("baudrate", 10, CONFIG_BAUDRATE);
    return 0;
}

　　
　　4、获取内存的实际大小到gd->ram_size

int dram_init(void)
{
    gd->ram_size = get_ram_size((void *)PHYS_SDRAM, PHYS_SDRAM_SIZE);

    return 0;
}

　　5、获取gd->relocaddr
　　重新设置内存大小，预留出内存顶部的4K不用。
　　

static int setup_dest_addr(void)
{
    debug("Monitor len: %08lX\n", gd->mon_len);
    /*
     * Ram is setup, size stored in gd !!
     */
    debug("Ram size: %08lX\n", (ulong)gd->ram_size);
#if defined(CONFIG_SYS_MEM_TOP_HIDE)
    /*
     * Subtract specified amount of memory to hide so that it won't
     * get "touched" at all by U-Boot. By fixing up gd->ram_size
     * the Linux kernel should now get passed the now "corrected"
     * memory size and won't touch it either. This should work
     * for arch/ppc and arch/powerpc. Only Linux board ports in
     * arch/powerpc with bootwrapper support, that recalculate the
     * memory size from the SDRAM controller setup will have to
     * get fixed.
     */
    gd->ram_size -= CONFIG_SYS_MEM_TOP_HIDE;
#endif
#ifdef CONFIG_SYS_SDRAM_BASE
    gd->ram_top = CONFIG_SYS_SDRAM_BASE;
#endif
    gd->ram_top += get_effective_memsize();
    gd->ram_top = board_get_usable_ram_top(gd->mon_len);
    gd->relocaddr = gd->ram_top;
    debug("Ram top: %08lX\n", (ulong)gd->ram_top);
#if defined(CONFIG_MP) && (defined(CONFIG_MPC86xx) || defined(CONFIG_E500))
    /*
     * We need to make sure the location we intend to put secondary core
     * boot code is reserved and not used by any part of u-boot
     */
    if (gd->relocaddr > determine_mp_bootpg(NULL)) {
        gd->relocaddr = determine_mp_bootpg(NULL);
        debug("Reserving MP boot page to %08lx\n", gd->relocaddr);
    }
#endif
    return 0;
}

　　6、设置gd->reloc_off
　　设置relocate的偏移量，并将旧gd中的内容拷贝到新gd中。

static int setup_reloc(void)
{
    gd->reloc_off = gd->relocaddr - CONFIG_SYS_TEXT_BASE;
    memcpy(gd->new_gd, (char *)gd, sizeof(gd_t));

    debug("Relocation Offset is: %08lx\n", gd->reloc_off);
    debug("Relocating to %08lx, new gd at %08lx, sp at %08lx\n",
          gd->relocaddr, (ulong)map_to_sysmem(gd->new_gd),
          gd->start_addr_sp);

    return 0;
}

3、relocate_code

3.1 原理介绍

　　u-boot在启动过程中，会把自己拷贝到RAM的顶端去执行。这一拷贝带来的问题是执行地址的混乱。代码的执行地址通常都是在编译时有链接地址指定的，如何保证拷贝前后都可以执行呢？
　　一个办法是使用拷贝到RAM后的地址作为编译时的链接地址，拷贝前所有函数与全局变量的调用都增加偏移量。（如VxWorks的bootloader）尽量减少拷贝前需要执行的代码量。
　　另一个办法是把image编译成与地址无关的程序，也就是PIC - Position independent code。编译器无法保证代码的独立性，它需要与加载器配合起来。U-boot自己加载自己，所以它自己就是加载器。PIC依赖于下面两种技术：
1）使用相对地址
2）加载器可以自动更新涉及到绝对地址的指令
　　对于PowerPC架构，u-boot只是在编译时使用了-fpic，这种方式会生成一个.got段来存储绝对地址符号。对于ARM架构，则是在编译时使用-mword-relocations，生成与位置无关代码，链接时使用-pie生成.rel.dyn段，该段中的每个条目被称为一个LABEL，用来存储绝对地址符号的地址。

3.2 调试过程

　　为了理解rel.dyn段的作用，在uboot源代码的common/main.c文件中，加入如下代码，并在main_loop函数中调用rel_dyn_test。

void test_func(void)  
{  
    printf("test func\n");  
}  

static void * test_func_val = test_func;  
static int test_val = 10;   

void rel_dyn_test()  
{  
    test_val = 20; 
    test_func(); 

    printf("test = 0x%x\n", test_func);  
    printf("test_func = 0x%x\n", test_func_val);       
}

　　然后重新编译uboot，并且对新生成的elf文件(u-boot)进行反汇编：
arm-fsl-linux-gnueabi-objdump -D u-boot > u-boot.huibian。然后在反汇编文件中找到对应的代码段、数据段以及rel.dyn段。如下：
代码段：

/*这里是test_func()函数的反汇编*/
87802fe0 <test_func>:
87802fe0:   e59f300c    ldr r3, [pc, #12]   ; 87802ff4 <test_func+0x14>
87802fe4:   e3a01007    mov r1, #7
87802fe8:   e59f0008    ldr r0, [pc, #8]    ; 87802ff8 <test_func+0x18>
87802fec:   e5831000    str r1, [r3]
87802ff0:   ea003a4a    b   87811920 <printf>/*注：以下两行为Lable1*/
87802ff4:   8784004c    strhi   r0, [r4, ip, asr #32]
87802ff8:   8783127f            ; <UNDEFINED> instruction: 0x8783127f


/*这里是rel_dyn_test函数的反汇编*/
878031c0 <rel_dyn_test>:
878031c0:   e59f302c    ldr r3, [pc, #44]   ; 878031f4 <rel_dyn_test+0x34>
878031c4:   e3a02014    mov r2, #20
878031c8:   e92d4010    push    {r4, lr}
878031cc:   e59f4024    ldr r4, [pc, #36]   ; 878031f8 <rel_dyn_test+0x38>
878031d0:   e5832000    str r2, [r3]
878031d4:   ebffff81    bl  87802fe0 <test_func>
878031d8:   e59f001c    ldr r0, [pc, #28]   ; 878031fc <rel_dyn_test+0x3c>
878031dc:   e1a01004    mov r1, r4
878031e0:   eb0039ce    bl  87811920 <printf>
878031e4:   e59f0014    ldr r0, [pc, #20]   ; 87803200 <rel_dyn_test+0x40>
878031e8:   e1a01004    mov r1, r4
878031ec:   e8bd4010    pop {r4, lr}
878031f0:   ea0039ca    b   87811920 <printf> /*注：以下四行为Lable2*/
878031f4:   87838c3c            ; <UNDEFINED> instruction: 0x87838c3c
878031f8:   87802fe0    strhi   r2, [r0, r0, ror #31]
878031fc:   8783129b            ; <UNDEFINED> instruction: 0x8783129b
87803200:   878312a8    strhi   r1, [r3, r8, lsr #5]

　　这些函数末尾存储变量地址的内存空间称为Label（编译器自动分配），这里记<test_func>的最后两行为Lable1，<rel_dyn_test>的最后四行为Lable2。等一下可以看到这些Lable的地址是存储在rel.dyn段中的。
数据段

87838c3c <test_val>:
87838c3c:   0000000a    andeq   r0, r0, sl

8784004c <jimmy_val>:
8784004c:   00000000    andeq   r0, r0, r0

rel.dyn段

/*Lable1的rel.dyn段*/
8783b4a0:   87802ff4            ; <UNDEFINED> instruction: 0x87802ff4
8783b4a4:   00000017    andeq   r0, r0, r7, lsl r0
8783b4a8:   87802ff8            ; <UNDEFINED> instruction: 0x87802ff8
8783b4ac:   00000017    andeq   r0, r0, r7, lsl r0

/*Lable2的rel.dyn段*/
8783b4c8:   878031f4            ; <UNDEFINED> instruction: 0x878031f4
8783b4cc:   00000017    andeq   r0, r0, r7, lsl r0
8783b4d0:   878031f8            ; <UNDEFINED> instruction: 0x878031f8
8783b4d4:   00000017    andeq   r0, r0, r7, lsl r0
8783b4d8:   878031fc            ; <UNDEFINED> instruction: 0x878031fc
8783b4dc:   00000017    andeq   r0, r0, r7, lsl r0
8783b4e0:   87803200    strhi   r3, [r0, r0, lsl #4]
8783b4e4:   00000017    andeq   r0, r0, r7, lsl r0

　　接下来看一下test_val = 20;这条c语句对应的汇编代码为：

ldr r3, [pc, #44] -----(1)
mov r2, #20       -----(2)
str r2, [r3]      -----(3)

　　由于arm的流水线架构，所以执行第(1)条指令时pc是指向第(3)条指令的，再加上44(也就是再往下数11条指令，因为一条指令4个字节)，即指向了地址为<878031f4>的语句，然后将其内容加载到r3中(即r3=0x87838c3c，对照上面的数据段，可知这就是变量test_val的地址)；接着将立即数20放到r2；最后将r2的内容放到以r3为地址的空间。
　　也就是说，代码在取符号(全局变量、函数等)的时候，会使用相对地址的方法去函数末尾的Lable中取到该符号的地址(说明白点，就是这些Lable存储了要查找符号的地址)，然后再根据该地址读取符号的内容。所以当data段搬移时，Lable中的内容也要跟着改变！而这些Lable的地址保存在rel.dyn段中，所以代码relocate时要用到rel.dyn段，对Lable中的内容进行修改！

3.3 代码分析

ENTRY(relocate_code)
        /*
        *拷贝__image_copy_start到__image_copy_end之间的内容到新地址，即只拷贝了代码段
        *和data段，没有拷贝bss段和rel.dyn段。
        */
    ldr r1, =__image_copy_start /* r1 <- SRC &__image_copy_start */
    subs    r4, r0, r1      /* r4 <- relocation offset */
    beq relocate_done       /* skip relocation */
    ldr r2, =__image_copy_end   /* r2 <- SRC &__image_copy_end */

copy_loop:
    ldmia   r1!, {r10-r11}      /* copy from source address [r1]    */
    stmia   r0!, {r10-r11}      /* copy to   target address [r0]    */
    cmp r1, r2          /* until source end address [r2]    */
    blo copy_loop

    /*
     * fix .rel.dyn relocations
     */
    /*
    *根据rel.dyn段设置Lable的内容，relocate后运行地址和编译地址不一致还能跑，
    *全靠这里啦。
    */
    ldr r2, =__rel_dyn_start    /* r2 <- SRC &__rel_dyn_start */
    ldr r3, =__rel_dyn_end  /* r3 <- SRC &__rel_dyn_end */
fixloop:
    ldmia   r2!, {r0-r1}        /* (r0,r1) <- (SRC location,fixup) */
    and r1, r1, #0xff
    cmp r1, #23         /* relative fixup? */
    bne fixnext

    /* relative fix: increase location by offset */
    add r0, r0, r4
    ldr r1, [r0]
    add r1, r1, r4
    str r1, [r0]
fixnext:
    cmp r2, r3
    blo fixloop

relocate_done:

#ifdef __XSCALE__
    /*
     * On xscale, icache must be invalidated and write buffers drained,
     * even with cache disabled - 4.2.7 of xscale core developer's manual
     */
    mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0   /* invalidate icache */
    mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4  /* drain write buffer */
#endif

    /* ARMv4- don't know bx lr but the assembler fails to see that */

#ifdef __ARM_ARCH_4__
    mov        pc, lr
#else
    bx        lr
#endif

ENDPROC(relocate_code)