u-boot中SPL源代碼分析

[Author: Bo Shen <[email protected]>

[u-boot: 2014.01-rc1]

本文將使用sama5d3xek SPL實現做爲例子，具體代碼可查看：https://github.com/voiceshen/u-boot/tree/sama5d3xek_spl_spi_nand

u-boot SPL (second program loader), 對許多人來說也說很陌生。下面對此進行一個簡單介紹。

1. ARM SoC的啓動過程：

RomBoot --> SPL --> u-boot --> Linux kernel --> file system --> start application

(RomBoot是固化在SoC內部的。)

u-boot實現了一個新功能，能在編譯u-boot的同時生成SPL二進制文件。

2. SPL運行代碼go through

從u-boot-spl.lds鏈接文件可知，啓動代碼也是start.S。

(reset) <arch/arm/cpu/armv7/start.S> (b lowlevel_init: arch/arm/cpu/armv7/lowlevel_init.S)  (b _main) --> <arch/arm/lib/crt0.S> (bl board_init_f) --> <arch/arm/lib/spl.c> (board_init_r) --> <common/spl/spl.c> (jump_to_image_no_args去啓動u-boot) 到此SPL的生命週期結束。

簡單來講：SPL所做工作，一些硬件的初始化，然後讀取u-boot，最後調轉至u-boot。

3. 下面具體分析SPL的相關代碼。

<arch/arm/cpu/armv7/start.S>

110 reset:
111         bl      save_boot_params
112         /*
113          * disable interrupts (FIQ and IRQ), also set the cpu to SVC32 mode,
114          * except if in HYP mode already
115          */
116         mrs     r0, cpsr
117         and     r1, r0, #0x1f           @ mask mode bits
118         teq     r1, #0x1a               @ test for HYP mode
119         bicne   r0, r0, #0x1f           @ clear all mode bits
120         orrne   r0, r0, #0x13           @ set SVC mode
121         orr     r0, r0, #0xc0           @ disable FIQ and IRQ
122         msr     cpsr,r0
123
124 /*
125  * Setup vector:
126  * (OMAP4 spl TEXT_BASE is not 32 byte aligned.
127  * Continue to use ROM code vector only in OMAP4 spl)
128  */
129 #if !(defined(CONFIG_OMAP44XX) && defined(CONFIG_SPL_BUILD))
130         /* Set V=0 in CP15 SCTRL register - for VBAR to point to vector */
131         mrc     p15, 0, r0, c1, c0, 0   @ Read CP15 SCTRL Register
132         bic     r0, #CR_V               @ V = 0
133         mcr     p15, 0, r0, c1, c0, 0   @ Write CP15 SCTRL Register
134
135         /* Set vector address in CP15 VBAR register */
136         ldr     r0, =_start
137         mcr     p15, 0, r0, c12, c0, 0  @Set VBAR
138 #endif
139
140         /* the mask ROM code should have PLL and others stable */
141 #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
142         bl      cpu_init_cp15
143         bl      cpu_init_crit
144 #endif
145
146         bl      _main

111：如果沒有重新定義save_boot_params，則使用<arch/arm/cpu/armv7/start.S>中的save_boot_params。其不做任何事情，直接返回。

116~138: 看註釋即可明白。

141: 因爲SPL主要是對SoC進行初始化，所以不會定義CONFIG_SKIP_LOWLEVE_INIT, 即142，143行得以執行。

142: cpu_init_cpu15, 主要作用invalidate L1 I/D cache, disable MMU. 檢查是否需要workaround。

143: cpu_init_crit直接跳轉到lowlevel_init

下面看看lowlevel_init的實現：
<arch/arm/cpu/armv7/lowlevel_init.S>

18 ENTRY(lowlevel_init)
 19         /*
 20          * Setup a temporary stack
 21          */
 22         ldr     sp, =CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR
 23         bic     sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */
 24 #ifdef CONFIG_SPL_BUILD
 25         ldr     r9, =gdata
 26 #else
 27         sub     sp, #GD_SIZE
 28         bic     sp, sp, #7
 29         mov     r9, sp
 30 #endif
 31         /*
 32          * Save the old lr(passed in ip) and the current lr to stack
 33          */
 34         push    {ip, lr}
 35
 36         /*
 37          * go setup pll, mux, memory
 38          */
 39         bl      s_init
 40         pop     {ip, pc}
 41 ENDPROC(lowlevel_init)

22: 對stack pointer賦值成CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR

23: 確保sp是8字節對齊。

25：將gdata的地址存入到r9寄存器中。

39：跳轉到s_init。對Atmel sama5d3xek board, s_init定義在：<arch/arm/cpu/at91-common/spl.c> 此處暫時不分析。

然後返回到start.S處，接下來調用：bl _main到<arch/arm/lib/crt0.S>

58 ENTRY(_main)
59
60 /*
61  * Set up initial C runtime environment and call board_init_f(0).
62  */
63
64 #if defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK)
65         ldr     sp, =(CONFIG_SPL_STACK)
66 #else
67         ldr     sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
68 #endif
69         bic     sp, sp, #7      /* 8-byte alignment for ABI compliance */
70         sub     sp, #GD_SIZE    /* allocate one GD above SP */
71         bic     sp, sp, #7      /* 8-byte alignment for ABI compliance */
72         mov     r9, sp          /* GD is above SP */
73         mov     r0, #0
74         bl      board_init_f

65: 重新對SP賦值

69: 確認sp是8字對齊

70：相當於保留一個global_data的大小。

71: 確認更新後的sp是8字對齊

72：r9指向global_data

73：r0賦值0

74：跳轉到board_init_f中運行。

board_init_f在<arch/arm/lib/spl.c>定義：

20 /*
21  * In the context of SPL, board_init_f must ensure that any clocks/etc for
22  * DDR are enabled, ensure that the stack pointer is valid, clear the BSS
23  * and call board_init_f.  We provide this version by default but mark it
24  * as __weak to allow for platforms to do this in their own way if needed.
25  */
26 void __weak board_init_f(ulong dummy)
27 {
28         /* Clear the BSS. */
29         memset(__bss_start, 0, __bss_end - __bss_start);
30
31         /* Set global data pointer. */
32         gd = &gdata;
33
34         board_init_r(NULL, 0);
35 }

26: board_init_f是一個弱函數，是可以被重新定義的。

29：對BSS段進行清零操作。

34: 跳轉到board_init_r

board_init_r在<common/spl/spl.c>中定義：

132 void board_init_r(gd_t *dummy1, ulong dummy2)
133 {
134         u32 boot_device;
135         debug(">>spl:board_init_r()\n");
136
137 #ifdef CONFIG_SYS_SPL_MALLOC_START
138         mem_malloc_init(CONFIG_SYS_SPL_MALLOC_START,
139                         CONFIG_SYS_SPL_MALLOC_SIZE);
140 #endif
141
142 #ifndef CONFIG_PPC
143         /*
144          * timer_init() does not exist on PPC systems. The timer is initialized
145          * and enabled (decrementer) in interrupt_init() here.
146          */
147         timer_init();
148 #endif
149
150 #ifdef CONFIG_SPL_BOARD_INIT
151         spl_board_init();
152 #endif

135: 輸出debug信息：>>spl:board_init_r();

137~140: 如果定義了：CONFIG_SYS_SPL_MALLOC_START, 則進行memory的malloc池初始化。以後調用malloc就在這個池子裏面分配內存。

142~148: 如果沒有定義：CONFIG_PPC, 則進行timer的初始化：timer_init() <arm/arm/cpu/armv7/at91/time.c>

150~150: CONFIG_SPL_BOARD_INIT, 則調用spl_board_init(). 這是board相關的定義，<board/atmel/sama5d3xek/sama5d3xek.c>

一切就緒後，就要檢查從什麼設備來啓動了。這裏就貼出RAM，MMC， NAND相關代碼

154         boot_device = spl_boot_device();
155         debug("boot device - %d\n", boot_device);
156         switch (boot_device) {
157 #ifdef CONFIG_SPL_RAM_DEVICE
158         case BOOT_DEVICE_RAM:
159                 spl_ram_load_image();
160                 break;
161 #endif
162 #ifdef CONFIG_SPL_MMC_SUPPORT
163         case BOOT_DEVICE_MMC1:
164         case BOOT_DEVICE_MMC2:
165         case BOOT_DEVICE_MMC2_2:
166                 spl_mmc_load_image();
167                 break;
168 #endif
169 #ifdef CONFIG_SPL_NAND_SUPPORT
170         case BOOT_DEVICE_NAND:
171                 spl_nand_load_image();
172                 break;
173 #endif

154: 獲取spl_boot_device,即從什麼設備啓動。

157～161：如果定義了CONFIG_SPL_RAM_DEVICE, 則執行spl_ram_load_image()，其就是將image下載到ram中。

162～168：如果定義了CONFIG_SPL_MMC_SUPPORT, 則執行spl_mmc_load_image()，其就是將image從mmc/sd裏面讀取到ram中。

169～173：如果定義了CONFIG_SPL_NAND_SUPPORT, 則執行spl_nand_load_image(), 其就是將image從nand flash中讀取到ram中。

當要啓動的image位於RAM中後，我們就可以啓動之。

213         switch (spl_image.os) {
214         case IH_OS_U_BOOT:
215                 debug("Jumping to U-Boot\n");
216                 break;
217 #ifdef CONFIG_SPL_OS_BOOT
218         case IH_OS_LINUX:
219                 debug("Jumping to Linux\n");
220                 spl_board_prepare_for_linux();
221                 jump_to_image_linux((void *)CONFIG_SYS_SPL_ARGS_ADDR);
222 #endif
223         default:
224                 debug("Unsupported OS image.. Jumping nevertheless..\n");
225         }
226         jump_to_image_no_args(&spl_image);
227 }

213: 判斷image的類型。

214：如果是u-boot,則直接到227去運行u-boot。

218：如果是Linux，則到221去啓動Linux.

至此，SPL結束它的生命，控制權交於u-boot或Linux。