海思uboot启动流程详细分析

1. 前言

介绍u-boot启动流程中和具体版型(board)有关的部分,也即board_init_f/board_init_r所代表的、board有关初始化过程。该过程将持续u-boot的整个生命周期,直到main_loop(即传说中的命令行)。

注1:由于u-boot后初始化过程,基本上涉及到了所有的软件模块,因此本文不能一一分析,基本原则就是捡看着顺眼的、熟的下手了~。

2. Generic Board

u-boot的基本策略,就是声明一系列的API(如low_level_init、board_init_f、board_init_r等等),并在u-boot的核心逻辑中调用它们。平台的移植和开发者,所需要做的,就是根据实际情况,实现它们。

与此同时,为了减少开发的工作量,u-boot为大部分API提供了通用实现(一般通过CONFIG配置项或者若定义去控制是否编译)。以board_init_f和board_init_r两个板级的初始化接口为例,u-boot分别在common/board_f.c和common/board_r.c两个文件中提供了通用实现。查看common/Makefile可知:

# boards
obj-y += board_f.o
obj-y += board_r.o

可以看到这两个文件都会调用到;

3. _main

_main函数位于crt0_64.S中:

1)设置初始的堆栈

基址由CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR定义。

2)分配global data所需的空间

将堆栈16 bits对齐之后,调用board_init_f_alloc_reserve接口,从堆栈开始的地方,为u-boot的global data(struct global_data)分配空间。如下:

/* common/init/board_init.c */

ulong board_init_f_alloc_reserve(ulong top) 
{ 
        /* Reserve early malloc arena */ 
#if defined(CONFIG_SYS_MALLOC_F) 
        top -= CONFIG_SYS_MALLOC_F_LEN; 
#endif 
        /* LAST : reserve GD (rounded up to a multiple of 16 bytes) */ 
        top = rounddown(top-sizeof(struct global_data), 16);

        return top; 
}

需要注意的是,如果定义了CONFIG_SYS_MALLOC_F_LEN,则会先预留出early malloc所需的空间。

3)初始化global data

global data的空间分配后,调用board_init_f_init_reserve,初始化global data。所谓的初始化,无非就是一些清零操作,不过有几个地方需要注意:

1)如果不是ARM平台(!CONFIG_ARM),则可以调用arch_setup_gd接口,进行arch级别的设置。当然,前提是,对应的arch应该实现这个接口。 2)如果定义了CONFIG_SYS_MALLOC_F,则会初始化gd->malloc_base。

4)执行前置的(front)初始化操作

调用board_init_f接口,执行前置的初始化操作,会再后面的章节详细说明。

5)执行relocation操作,后面会详细说明。

6)清除BBS段

7)执行后置的(rear)初始化操作

调用board_init_r接口,执行前置的初始化操作,会再后面的章节详细说明。

4. global data介绍以及背后的思考

4.1 背景知识

我们看看board_init_r函数:

在uboot的common文件下有一个board_r.c文件: u-boot是一个bootloader,有些情况下,它可能位于系统的只读存储器(ROM或者flash)中,并从那里开始执行。 因此,这种情况下,在u-boot执行的前期(在将自己copy到可读写的存储器之前),它所在的存储空间,是不可写的,这会有两个问题: 1)堆栈无法使用,无法执行函数调用,也即C环境不可用。 2)没有data段(或者正确初始化的data段)可用,不同函数或者代码之间,无法通过全局变量的形式共享数据。

对于问题1,通常的解决方案是:

u-boot运行起来之后,在那些不需要执行任何初始化动作即可使用的、可读写的存储区域,开辟一段堆栈(stack)空间。 一般来说,大部分的平台(如很多ARM平台),都有自己的SRAM,可用作堆栈空间。如果实在不行,也有可借用CPU的data cache的方法(不再过多说明)。

对于问题2,解决方案要稍微复杂一些:

首先,对于开发者来说,在u-boot被拷贝到可读写的RAM(这个动作称作relocation)之前,永远不要使用全局变量。 其次,在relocation之前,不同模块之间,确实有通过全局变量的形式传递数据的需求。怎么办?这就是global data需要解决的事情。

4.2 global data

为了在relocation前通过全局变量的形式传递数据,u-boot设计了一个巧妙的方法:

1)定义一个struct global_data类型的数据结构,里面保存了各色各样需要传递的数据

该数据结构的具体内容,后面用到的时候再一个一个解释,这里不再详细介绍。具体可参考:include/asm-generic/global_data.h

2)堆栈配置好之后,在堆栈开始的位置,为struct global_data预留空间(可参考第3章中相关的说明),并将开始地址(就是一个struct global_data指针)保存在一个寄存器中,后续的传递,都是通过保存在寄存器中的指针实现

对arm64平台来说,该指针保存在了X18寄存器中,如下:

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

上面board_init_f_alloc_reserve的返回值(x0)就是global data的指针。

/* arch/arm/include/asm/global_data.h */

#ifdef __clang__

#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR 
#define gd      get_gd()

static inline gd_t *get_gd(void) 
{ 
        gd_t *gd_ptr;

#ifdef CONFIG_ARM64 
        … 
        __asm__ volatile("mov %0, x18\n" : "=r" (gd_ptr)); 
#else 
       … 
}

#else

#ifdef CONFIG_ARM64 
#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR         register volatile gd_t *gd asm ("x18") 
#else 
… 
#endif

5. 前置的板级初始化操作

global data准备好之后,u-boot会执行前置的板级初始化动作,即board_init_f。所谓的前置的初始化动作,主要是relocation之前的初始化操作,也就是说:

执行board_init_f的时候,u-boot很有可能还在只读的存储器中。大家记住这一点就可以了! 注3:大家可能会觉得这里的f(front?)和r(rear?)的命名有点奇怪,我猜这个软件工程师应该是车迷,是不是借用了前驱和后驱的概念?不得而知啊。

对于ARM等平台来说,u-boot提供了一个通用的board_init_f接口,该接口使用u-boot惯用的设计思路:

u-boot将需要在board_init_f中初始化的内容,抽象为一系列API。这些API由u-boot声明,由平台的开发者根据实际情况实现。具体可参考本章后续的描述。

void board_init_r(gd_t *new_gd, ulong dest_addr)
{
#ifdef CONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOC
    int i;
#endif

#ifdef CONFIG_AVR32
    mmu_init_r(dest_addr);
#endif

#if !defined(CONFIG_X86) && !defined(CONFIG_ARM) && !defined(CONFIG_ARM64)
    gd = new_gd;
#endif

#ifdef CONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOC
    for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(init_sequence_r); i++)
        init_sequence_r[i] += gd->reloc_off;
#endif

    if (initcall_run_list(init_sequence_r))
        hang();

    /* NOTREACHED - run_main_loop() does not return */
    hang();
}

5.1 board_init_f

位于common/board_f.c中的board_init_f接口的实现非常简单,如下(省略了一些无用代码):

void board_init_f(ulong boot_flags) 
{ 
…

        gd->flags = boot_flags; 
        gd->have_console = 0;

        if (initcall_run_list(init_sequence_f)) 
                hang();
… 
}

对global data进行简单的初始化之后,调用位于init_sequence_f数组中的各种初始化API,进行各式各样的初始化动作。后面将会简单介绍一些和ARM平台有关的、和平台的移植工作有关的、比较重要的API。其它API,大家可以参考source code自行理解。

5.2 fdtdec_setup

#ifdef CONFIG_OF_CONTROL 
        fdtdec_setup, 
#endif

如果打开了CONFIG_OF_CONTROL,则调用fdtdec_setup,配置gd->fdt_blob指针(即device tree所在的存储位置)。对ARM平台来说,u-boot的Makefile会通过连接脚本,将dtb文件打包到u-boot image的“__dtb_dt_begin”位置处,因此不需要特别关心。

5.3 trace_early_init

#ifdef CONFIG_TRACE 
        trace_early_init, 
#endif

由CONFIG_TRACE配置项控制,暂且不用关注,后面用到的时候再分析。

5.4 initf_malloc

如果定义了CONFIG_SYS_MALLOC_F_LEN,则调用initf_malloc,初始化malloc有关的global data,如gd->malloc_limit、gd->malloc_ptr。

5.5 arch_cpu_init

cpu级别的初始化操作,可以在需要的时候由CPU有关的code实现。

5.6 initf_dm

driver model有关的初始化操作。如果定义了CONFIG_DM,则调用dm_init_and_scan初始化并扫描系统所有的device。如果定义了CONFIG_TIMER_EARLY,调用dm_timer_init初始化driver model所需的timer。

5.7 board_early_init_f

#if defined(CONFIG_BOARD_EARLY_INIT_F) 
        board_early_init_f, 
#endif

如果定义CONFIG_BOARD_EARLY_INIT_F,则调用board_early_init_f接口,执行板级的early初始化。平台的开发者可以根据需要,实现board_early_init_f接口,以完成特定的功能。

5.8 timer_init

初始化系统的timer。

该接口应该由平台或者板级的代码实现,初始化成功后,u-boot会通过其它的API获取当前的timestamp,后面用到的时候再详细介绍。

5.9 get_clocks

获取当前CPU和BUS的时钟频率,并保存在global data中:

gd->cpu_clk

gd->bus_clk

5.10 env_init

初始化环境变量有关的逻辑,不需要特别关注。

5.11 init_baud_rate

gd->baudrate = getenv_ulong("baudrate", 10, CONFIG_BAUDRATE);

获取当前使用串口波特率,可以有两个途径(优先级从高到低):从"baudrate"中获取;从CONFIG_BAUDRATE配置项获取。

5.12 serial_init

初始化serial,包括u-boot serial core以及具体的serial driver。该函数执行后,系统的串口(特别是用于控制台的)已经可用。

5.13 console_init_f

/* Called before relocation - use serial functions */ 
int console_init_f(void) 
{ 
        gd->have_console = 1;

#ifdef CONFIG_SILENT_CONSOLE 
        if (getenv("silent") != NULL) 
                gd->flags |= GD_FLG_SILENT; 
#endif

        print_pre_console_buffer(PRE_CONSOLE_FLUSHPOINT1_SERIAL);

        return 0; 
}

初始化系统的控制台,之后串口输出可用。大家可留意CONFIG_SILENT_CONSOLE配置项,如果使能,可以通过“silent”环境变量,控制u-boot的控制台是否输出。

5.14 fdtdec_prepare_fdt

#ifdef CONFIG_OF_CONTROL 
        fdtdec_prepare_fdt, 
#endif

如果定义了CONFIG_OF_CONTROL,调用fdtdec_prepare_fdt接口,准备device tree有关的内容。后续device tree的分析文章会详细介绍。

5.15 display_options/display_text_info/print_cpuinfo/show_board_info

通过控制台,显示一些信息,可用于debug。

5.16 misc_init_f

#if defined(CONFIG_MISC_INIT_F) 
        misc_init_f, 
#endif

如果使能了CONFIG_MISC_INIT_F,则调用misc_init_f执行misc driver有关的初始化。

5.17 init_func_i2c

#if defined(CONFIG_HARD_I2C) || defined(CONFIG_SYS_I2C) 
        init_func_i2c, 
#endif

如果使能了CONFIG_HARD_I2C或者CONFIG_SYS_I2C,则调用init_func_i2c执行i2c driver有关的初始化。

5.18 init_func_spi

#if defined(CONFIG_HARD_SPI) 
        init_func_spi, 
#endif

如果使能了CONFIG_HARD_SPI,则调用init_func_spi执行spi driver有关的初始化。

5.19 announce_dram_init

宣布我们要进行DDR的初始化动作了(其实就是一行打印)。

5.20 dram_init

#if defined(CONFIG_ARM) || defined(CONFIG_X86) || defined(CONFIG_NDS32) || \ 
                defined(CONFIG_MICROBLAZE) || defined(CONFIG_AVR32) 
        dram_init,              /* configure available RAM banks */ 
#endif

调用dram_init接口,初始化系统的DDR。dram_init应该由平台相关的代码实现。

如果DDR在SPL中已经初始化过了,则不需要重新初始化,只需要把DDR信息保存在global data中即可,例如:

gd->ram_size = …

5.21 testdram

#if defined(CONFIG_SYS_DRAM_TEST) 
        testdram, 
#endif /* CONFIG_SYS_DRAM_TEST */

如果定义了CONFIG_SYS_DRAM_TEST,则会调用testdram执行DDR的测试操作。可以在开发阶段打开,系统稳定后关闭。

5.22 DRAM空间的分配

DRAM初始化完成后,就可以着手规划u-boot需要使用的部分,如下图:

总结如下:

1)考虑到后续的kernel是在RAM的低端位置解压缩并执行的,为了避免麻烦,u-boot将使用DRAM的顶端地址,即gd->ram_top所代表的位置。其中gd->ram_top是由setup_dest_addr函数配置的。 2)u-boot所使用的DRAM,主要分为三类:各种特殊功能所需的空间,如log buffer、MMU page table、LCD fb buffer、trace buffer、等等;u-boot的代码段、数据段、BSS段所占用的空间(就是u-boot relocate之后的执行空间),由gd->relocaddr标示;堆栈空间,从gd->start_addr_sp处递减。 3)特殊功能以及u-boot所需空间,是由reserve_xxx系列函数保留的,具体可参考source code,这里不再详细分析。 4)reserve空间分配完毕后,堆栈紧随其后,递减即可。

5.23 setup_dram_config

调用dram_init_banksize接口(由具体的平台代码实现),初始化DDR的bank信息。

5.24 reloc_fdt

如果没有定义CONFIG_OF_EMBED,则先将device tree拷贝到图片1 new_fdt所在的位置,也就是device tree的relocation操作。

5.25 setup_reloc

计算relocation有关的信息,主要是 gd->reloc_off,计算公式如下:

gd->reloc_off = gd->relocaddr - CONFIG_SYS_TEXT_BASE;

其中CONFIG_SYS_TEXT_BASE是u-boot relocation之前在(只读)memory的位置(也是编译时指定的位置),gd->relocaddr是relocation之后的位置,因此gd->reloc_off代表u-boot relocation操作之后的偏移量,后面relocation时会用到。

同时,该函数顺便把global data拷贝到了图片1所示的“new global data”处,其实就是global data的relocation。

6. u-boot的relocation

前面讲过,u-boot是有可能在只读的memory中启动的。简单起见,u-boot假定所有的启动都是这样,因此u-boot的启动逻辑,都是针对这种情况设计的。在这种情况下,基于如下考虑:

1)只读memory中执行,代码需要小心编写(不能使用全局变量,等等)。

2)只读memory执行速度通常比较慢。

u-boot需要在某一个时间点,将自己从“只读memory”中,拷贝到可读写的memory(如SDRAM,后面统称RAM,注意和SRAM区分,不要理解错了)中继续执行,这就是relocation(重定位)操作。

relocation的时间点,可以是“系统可读写memory始化完成之后“的任何时间点。根据u-boot当前的代码逻辑,是在board_init_f执行完成之后,因为board_init_f中完成了很多relocation有关的准备动作,具体可参考第5章的描述。

u-boot relocation的代码如下(以arm64为例):

/* https://github.com/wowotechX/u-boot/blob/x_integration/arch/arm/lib/crt0_64.S */

        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:

逻辑比较简单:

1)从global data中取出relocation之后的堆栈基址,16-byte对齐后,保存到sp中。

2)将新的global data的指针,保存在x18寄存器中。

3)计算relocation之后的执行地址(relocation_return处),计算的方法就是当前的relocation_return位置加上gd->reloc_off。

4)以relocation的目的地址(gd->relocaddr)为参数,调用relocate_code执行实际的relocation动作,就是将u-boot的代码段、data段、bss段等数据,拷贝到新的位置(gd->relocaddr)。

7. 后置的板级初始化操作

relocate完成之后,真正的C运行环境才算建立了起来,接下来会执行“后置的板级初始化操作”,即board_init_r函数。board_init_r和board_init_f的设计思路基本一样,也有一个很长的初始化序列----init_sequence_r,该序列中包含如下的初始化函数(逻辑比较简单,这里不再涉及细节,权当列出index吧):

注5:老规矩,红色字体标注的函数是比较重要的函数。

1)initr_trace,初始化并使能u-boot的tracing system,涉及的配置项有CONFIG_TRACE。

2)initr_reloc,设置relocation完成的标志。

3)initr_caches,使能dcache、icache等,涉及的配置项有CONFIG_ARM。

4)initr_malloc,malloc有关的初始化。

5)initr_dm,relocate之后,重新初始化DM,涉及的配置项有CONFIG_DM。

6)board_init,具体的板级初始化,需要由board代码根据需要实现,涉及的配置项有CONFIG_ARM。

7)set_cpu_clk_info,Initialize clock framework,涉及的配置项有CONFIG_CLOCKS。

8)initr_serial,重新初始化串口(不太明白什么意思)。

9)initr_announce,宣布已经在RAM中执行,会打印relocate后的地址。

10)board_early_init_r,由板级代码实现,涉及的配置项有CONFIG_BOARD_EARLY_INIT_R。

11)arch_early_init_r,由arch代码实现,涉及的配置项有CONFIG_ARCH_EARLY_INIT_R。

12)power_init_board,板级的power init代码,由板级代码实现,例如hold住power。

13)initr_flash、initr_nand、initr_onenand、initr_mmc、initr_dataflash,各种flash设备的初始化。

14)initr_env,环境变量有关的初始化。

15)initr_secondary_cpu,初始化其它的CPU core。

16)stdio_add_devices,各种输入输出设备的初始化,如LCD driver等。

17)interrupt_init,中断有关的初始化。

18)initr_enable_interrupts,使能系统的中断,涉及的配置项有CONFIG_ARM(ARM平台u-boot实在开中断的情况下运行的)。

19)initr_status_led,状态指示LED的初始化,涉及的配置项有CONFIG_STATUS_LED、STATUS_LED_BOOT。

20)initr_ethaddr,Ethernet的初始化,涉及的配置项有CONFIG_CMD_NET。

21)board_late_init,由板级代码实现,涉及的配置项有CONFIG_BOARD_LATE_INIT。

22)等等…

23)run_main_loop/main_loop,执行到main_loop,开始命令行操作。

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