1.1 U-Boot 工作過程
U-Boot啓動內核的過程可以分爲兩個階段，兩個階段的功能如下：
（1）第一階段的功能
Ø 硬件設備初始化
Ø 加載U-Boot第二階段代碼到RAM空間
Ø 設置好棧
Ø 跳轉到第二階段代碼入口
（2）第二階段的功能
Ø 初始化本階段使用的硬件設備
Ø 檢測系統內存映射
Ø 將內核從Flash讀取到RAM中
Ø 爲內核設置啓動參數
Ø 調用內核
1.1.1 U-Boot啓動第一階段代碼分析
第一階段對應的文件是cpu/arm920t/start.S和board/samsung/mini2440/lowlevel_init.S。
U-Boot啓動第一階段流程如下：
圖 2.1 U-Boot啓動第一階段流程
根據cpu/arm920t/u-boot.lds中指定的連接方式：
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
. = 0x00000000;
. = ALIGN(4);
.text :
{
cpu/arm920t/start.o (.text)
board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o (.text)
board/samsung/mini2440/nand_read.o (.text)
*(.text)
}
… …
}
第一個鏈接的是cpu/arm920t/start.o，因此u-boot.bin的入口代碼在cpu/arm920t/start.o中，其源代碼在cpu/arm920t/start.S中。下面我們來分析cpu/arm920t/start.S的執行。
1. 硬件設備初始化
（1）設置異常向量
cpu/arm920t/start.S開頭有如下的代碼：
.globl _start
_start: b start_code /* 復位 */
ldr pc, _undefined_instruction /* 未定義指令向量 */
ldr pc, _software_interrupt /* 軟件中斷向量 */
ldr pc, _prefetch_abort /* 預取指令異常向量 */
ldr pc, _data_abort /* 數據操作異常向量 */
ldr pc, _not_used /* 未使用 */
ldr pc, _irq /* irq中斷向量 */
ldr pc, _fiq /* fiq中斷向量 */
/* 中斷向量表入口地址 */
_undefined_instruction: .word undefined_instruction
_software_interrupt: .word software_interrupt
_prefetch_abort: .word prefetch_abort
_data_abort: .word data_abort
_not_used: .word not_used
_irq: .word irq
_fiq: .word fiq
.balignl 16,0xdeadbeef
以上代碼設置了ARM異常向量表，各個異常向量介紹如下：
表 2.1 ARM異常向量表
|
地址
|
異常
|
進入模式
|
描述
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0x00000000
|
復位
|
管理模式
|
復位電平有效時，產生復位異常，程序跳轉到復位處理程序處執行
|
|
0x00000004
|
未定義指令
|
未定義模式
|
遇到不能處理的指令時，產生未定義指令異常
|
|
0x00000008
|
軟件中斷
|
管理模式
|
執行SWI指令產生，用於用戶模式下的程序調用特權操作指令
|
|
0x0000000c
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預存指令
|
中止模式
|
處理器預取指令的地址不存在，或該地址不允許當前指令訪問，產生指令預取中止異常
|
|
0x00000010
|
數據操作
|
中止模式
|
處理器數據訪問指令的地址不存在，或該地址不允許當前指令訪問時，產生數據中止異常
|
|
0x00000014
|
未使用
|
未使用
|
未使用
|
|
0x00000018
|
IRQ
|
IRQ
|
外部中斷請求有效，且CPSR中的I位爲0時，產生IRQ異常
|
|
0x0000001c
|
FIQ
|
FIQ
|
快速中斷請求引腳有效，且CPSR中的F位爲0時，產生FIQ異常
|
在cpu/arm920t/start.S中還有這些異常對應的異常處理程序。當一個異常產生時，CPU根據異常號在異常向量表中找到對應的異常向量，然後執行異常向量處的跳轉指令，CPU就跳轉到對應的異常處理程序執行。
其中復位異常向量的指令“b start_code”決定了U-Boot啓動後將自動跳轉到標號“start_code”處執行。
（2）CPU進入SVC模式
start_code:
/*
* set the cpu to SVC32 mode
*/
mrs r0, cpsr
bic r0, r0, #0x1f /*工作模式位清零 */
orr r0, r0, #0xd3 /*工作模式位設置爲“10011”（管理模式），並將中斷禁止位和快中斷禁止位置1 */
msr cpsr, r0
以上代碼將CPU的工作模式位設置爲管理模式，並將中斷禁止位和快中斷禁止位置一，從而屏蔽了IRQ和FIQ中斷。
（3）設置控制寄存器地址
# if defined(CONFIG_S3C2400)
# define pWTCON 0x15300000
# define INTMSK 0x14400008
# define CLKDIVN 0x14800014
#else /* s3c2410與s3c2440下面4個寄存器地址相同 */
# define pWTCON 0x53000000 /* WATCHDOG控制寄存器地址 */
# define INTMSK 0x4A000008 /* INTMSK寄存器地址 */
# define INTSUBMSK 0x4A00001C /* INTSUBMSK寄存器地址 */
# define CLKDIVN 0x4C000014 /* CLKDIVN寄存器地址 */
# endif
對與s3c2440開發板，以上代碼完成了WATCHDOG，INTMSK，INTSUBMSK，CLKDIVN四個寄存器的地址的設置。各個寄存器地址參見參考文獻[4] 。
（4）關閉看門狗
ldr r0, =pWTCON
mov r1, #0x0
str r1, [r0] /* 看門狗控制器的最低位爲0時，看門狗不輸出復位信號 */
以上代碼向看門狗控制寄存器寫入0，關閉看門狗。否則在U-Boot啓動過程中，CPU將不斷重啓。
（5）屏蔽中斷
/*
* mask all IRQs by setting all bits in the INTMR - default
*/
mov r1, #0xffffffff /* 某位被置1則對應的中斷被屏蔽 */
ldr r0, =INTMSK
str r1, [r0]
INTMSK是主中斷屏蔽寄存器，每一位對應SRCPND（中斷源引腳寄存器）中的一位，表明SRCPND相應位代表的中斷請求是否被CPU所處理。
根據參考文獻4，INTMSK寄存器是一個32位的寄存器，每位對應一箇中斷，向其中寫入0xffffffff就將INTMSK寄存器全部位置一，從而屏蔽對應的中斷。
# if defined(CONFIG_S3C2440)
ldr r1, =0x7fff
ldr r0, =INTSUBMSK
str r1, [r0]
# endif
INTSUBMSK每一位對應SUBSRCPND中的一位，表明SUBSRCPND相應位代表的中斷請求是否被CPU所處理。
根據參考文獻4，INTSUBMSK寄存器是一個32位的寄存器，但是隻使用了低15位。向其中寫入0x7fff就是將INTSUBMSK寄存器全部有效位（低15位）置一，從而屏蔽對應的中斷。
（6）設置MPLLCON,UPLLCON, CLKDIVN
# if defined(CONFIG_S3C2440)
#define MPLLCON 0x4C000004
#define UPLLCON 0x4C000008
ldr r0, =CLKDIVN
mov r1, #5
str r1, [r0]
ldr r0, =MPLLCON
ldr r1, =0x7F021
str r1, [r0]
ldr r0, =UPLLCON
ldr r1, =0x38022
str r1, [r0]
# else
/* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 */
/* default FCLK is 120 MHz ! */
ldr r0, =CLKDIVN
mov r1, #3
str r1, [r0]
#endif
CPU上電幾毫秒後，晶振輸出穩定，FCLK=Fin（晶振頻率），CPU開始執行指令。但實際上，FCLK可以高於Fin，爲了提高系統時鐘，需要用軟件來啓用PLL。這就需要設置CLKDIVN，MPLLCON，UPLLCON這3個寄存器。
CLKDIVN寄存器用於設置FCLK，HCLK，PCLK三者間的比例，可以根據表2.2來設置。
表 2.2 S3C2440 的CLKDIVN寄存器格式
|
CLKDIVN
|
位
|
說明
|
初始值
|
|
HDIVN
|
[2:1]
|
00 : HCLK = FCLK/1.
01 : HCLK = FCLK/2.
10 : HCLK = FCLK/4 （當 CAMDIVN[9] = 0 時）
HCLK= FCLK/8 （當 CAMDIVN[9] = 1 時）
11 : HCLK = FCLK/3 （當 CAMDIVN[8] = 0 時）
HCLK = FCLK/6 （當 CAMDIVN[8] = 1時）
|
00
|
|
PDIVN
|
[0]
|
0: PCLK = HCLK/1 1: PCLK = HCLK/2
|
0
|
設置CLKDIVN爲5，就將HDIVN設置爲二進制的10，由於CAMDIVN[9]沒有被改變過，取默認值0，因此HCLK = FCLK/4。PDIVN被設置爲1，因此PCLK= HCLK/2。因此分頻比FCLK:HCLK:PCLK = 1:4:8 。
MPLLCON寄存器用於設置FCLK與Fin的倍數。MPLLCON的位[19:12]稱爲MDIV，位[9:4]稱爲PDIV，位[1:0]稱爲SDIV。
對於S3C2440，FCLK與Fin的關係如下面公式：
MPLL(FCLK) = (2×m×Fin)/(p×142s'> ![]()
)
) 其中： m=MDIC+8，p=PDIV+2，s=SDIV
MPLLCON與UPLLCON的值可以根據參考文獻4中“PLL VALUE SELECTION TABLE”設置。該表部分摘錄如下：
表 2.3 推薦PLL值
|
輸入頻率
|
輸出頻率
|
MDIV
|
PDIV
|
SDIV
|
|
12.0000MHz
|
48.00 MHz
|
56(0x38)
|
2
|
2
|
|
12.0000MHz
|
405.00 MHz
|
127(0x7f)
|
2
|
1
|
當mini2440系統主頻設置爲405MHZ，USB時鐘頻率設置爲48MHZ時，系統可以穩定運行，因此設置MPLLCON與UPLLCON爲：
MPLLCON=(0x7f<<12) | (0x02<<4) | (0x01) = 0x7f021
UPLLCON=(0x38<<12) | (0x02<<4) | (0x02) = 0x38022
（7）關閉MMU，cache
接着往下看：
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
bl cpu_init_crit
#endif
cpu_init_crit這段代碼在U-Boot正常啓動時才需要執行，若將U-Boot從RAM中啓動則應該註釋掉這段代碼。
下面分析一下cpu_init_crit到底做了什麼：
320 #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
321 cpu_init_crit:
322 /*
323 * 使數據cache與指令cache無效 */
324 */
325 mov r0, #0
326 mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* 向c7寫入0將使ICache與DCache無效*/
327 mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* 向c8寫入0將使TLB失效 */
328
329 /*
330 * disable MMU stuff and caches
331 */
332 mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 /* 讀出控制寄存器到r0中 */
333 bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS)
334 bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM)
335 orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 2 (A) Align
336 orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-Cache
337 mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 /* 保存r0到控制寄存器 */
338
339 /*
340 * before relocating, we have to setup RAM timing
341 * because memory timing is board-dependend, you will
342 * find a lowlevel_init.S in your board directory.
343 */
344 mov ip, lr
345
346 bl lowlevel_init
347
348 mov lr, ip
349 mov pc, lr
350 #endif /* CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT */
代碼中的c0，c1，c7，c8都是ARM920T的協處理器CP15的寄存器。其中c7是cache控制寄存器，c8是TLB控制寄存器。325~327行代碼將0寫入c7、c8，使Cache，TLB內容無效。
第332~337行代碼關閉了MMU。這是通過修改CP15的c1寄存器來實現的，先看CP15的c1寄存器的格式（僅列出代碼中用到的位）：
表 2.3 CP15的c1寄存器格式（部分）
|
15
|
14
|
13
|
12
|
11
|
10
|
9
|
8
|
7
|
6
|
5
|
4
|
3
|
2
|
1
|
0
|
|
.
|
.
|
V
|
I
|
.
|
.
|
R
|
S
|
B
|
.
|
.
|
.
|
.
|
C
|
A
|
M
|
各個位的意義如下：
V : 表示異常向量表所在的位置，0：異常向量在0x00000000；1：異常向量在 0xFFFF0000
I : 0 ：關閉ICaches；1 ：開啓ICaches
R、S : 用來與頁表中的描述符一起確定內存的訪問權限
B : 0 ：CPU爲小字節序；1 ： CPU爲大字節序
C : 0：關閉DCaches；1：開啓DCaches
A : 0：數據訪問時不進行地址對齊檢查；1：數據訪問時進行地址對齊檢查
M : 0：關閉MMU；1：開啓MMU
I : 0 ：關閉ICaches；1 ：開啓ICaches
R、S : 用來與頁表中的描述符一起確定內存的訪問權限
B : 0 ：CPU爲小字節序；1 ： CPU爲大字節序
C : 0：關閉DCaches；1：開啓DCaches
A : 0：數據訪問時不進行地址對齊檢查；1：數據訪問時進行地址對齊檢查
M : 0：關閉MMU；1：開啓MMU
332~337行代碼將c1的 M位置零，關閉了MMU。
（8）初始化RAM控制寄存器
其中的lowlevel_init就完成了內存初始化的工作，由於內存初始化是依賴於開發板的，因此lowlevel_init的代碼一般放在board下面相應的目錄中。對於mini2440，lowlevel_init在board/samsung/mini2440/lowlevel_init.S中定義如下：
45 #define BWSCON 0x48000000 /* 13個存儲控制器的開始地址 */
… …
129 _TEXT_BASE:
130 .word TEXT_BASE
131
132 .globl lowlevel_init
133 lowlevel_init:
134 /* memory control configuration */
135 /* make r0 relative the current location so that it */
136 /* reads SMRDATA out of FLASH rather than memory ! */
137 ldr r0, =SMRDATA
138 ldr r1, _TEXT_BASE
139 sub r0, r0, r1 /* SMRDATA減 _TEXT_BASE就是13個寄存器的偏移地址 */
140 ldr r1, =BWSCON /* Bus Width Status Controller */
141 add r2, r0, #13*4
142 0:
143 ldr r3, [r0], #4 /*將13個寄存器的值逐一賦值給對應的寄存器*/
144 str r3, [r1], #4
145 cmp r2, r0
146 bne 0b
147
148 /* everything is fine now */
149 mov pc, lr
150
151 .ltorg
152 /* the literal pools origin */
153
154 SMRDATA: /* 下面是13個寄存器的值 */
155 .word … …
156 .word … …
… …
lowlevel_init初始化了13個寄存器來實現RAM時鐘的初始化。lowlevel_init函數對於U-Boot從NAND Flash或NOR Flash啓動的情況都是有效的。
U-Boot.lds鏈接腳本有如下代碼：
.text :
{
cpu/arm920t/start.o (.text)
board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o (.text)
board/samsung/mini2440/nand_read.o (.text)
… …
}
board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o將被鏈接到cpu/arm920t/start.o後面，因此board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o也在U-Boot的前4KB的代碼中。
U-Boot在NAND Flash啓動時，lowlevel_init.o將自動被讀取到CPU內部4KB的內部RAM中。因此第137~146行的代碼將從CPU內部RAM中複製寄存器的值到相應的寄存器中。
對於U-Boot在NOR Flash啓動的情況，由於U-Boot連接時確定的地址是U-Boot在內存中的地址，而此時U-Boot還在NOR Flash中，因此還需要在NOR Flash中讀取數據到RAM中。
由於NOR Flash的開始地址是0，而U-Boot的加載到內存的起始地址是TEXT_BASE，SMRDATA標號在Flash的地址就是SMRDATA－TEXT_BASE。
綜上所述，lowlevel_init的作用就是將SMRDATA開始的13個值複製給開始地址[BWSCON]的13個寄存器，從而完成了存儲控制器的設置。
（9）複製U-Boot第二階段代碼到RAM
cpu/arm920t/start.S原來的代碼是隻支持從NOR Flash啓動的，經過修改現在U-Boot在NOR Flash和NAND Flash上都能啓動了，實現的思路是這樣的：
bl bBootFrmNORFlash /* 判斷U-Boot是在NAND Flash還是NOR Flash啓動 */
cmp r0, #0 /* r0存放bBootFrmNORFlash函數返回值，若返回0表示NAND Flash啓動，否則表示在NOR Flash啓動 */
beq nand_boot /* 跳轉到NAND Flash啓動代碼 */
/* NOR Flash啓動的代碼 */
b stack_setup /* 跳過NAND Flash啓動的代碼 */
nand_boot:
/* NAND Flash啓動的代碼 */
stack_setup:
/* 其他代碼 */
其中bBootFrmNORFlash函數作用是判斷U-Boot是在NAND Flash啓動還是NOR Flash啓動，若在NOR Flash啓動則返回1，否則返回0。根據ATPCS規則，函數返回值會被存放在r0寄存器中，因此調用bBootFrmNORFlash函數後根據r0的值就可以判斷U-Boot在NAND Flash啓動還是NOR Flash啓動。bBootFrmNORFlash函數在board/samsung/mini2440/nand_read.c中定義如下：
int bBootFrmNORFlash(void)
{
volatile unsigned int *pdw = (volatile unsigned int *)0;
unsigned int dwVal;
dwVal = *pdw; /* 先記錄下原來的數據 */
*pdw = 0x12345678;
if (*pdw != 0x12345678) /* 寫入失敗，說明是在NOR Flash啓動 */
{
return 1;
}
else /* 寫入成功，說明是在NAND Flash啓動 */
{
*pdw = dwVal; /* 恢復原來的數據 */
return 0;
}
}
無論是從NOR Flash還是從NAND Flash啓動，地址0處爲U-Boot的第一條指令“ b start_code”。
對於從NAND Flash啓動的情況，其開始4KB的代碼會被自動複製到CPU內部4K內存中，因此可以通過直接賦值的方法來修改。
對於從NOR Flash啓動的情況，NOR Flash的開始地址即爲0，必須通過一定的命令序列才能向NOR Flash中寫數據，所以可以根據這點差別來分辨是從NAND Flash還是NOR Flash啓動：向地址0寫入一個數據，然後讀出來，如果發現寫入失敗的就是NOR Flash，否則就是NAND Flash。
下面來分析NOR Flash啓動部分代碼：
208 adr r0, _start /* r0 <- current position of code */
209 ldr r1, _TEXT_BASE /* test if we run from flash or RAM */
/* 判斷U-Boot是否是下載到RAM中運行，若是，則不用 再複製到RAM中了，這種情況通常在調試U-Boot時才發生 */
210 cmp r0, r1 /*_start等於_TEXT_BASE說明是下載到RAM中運行 */
211 beq stack_setup
212 /* 以下直到nand_boot標號前都是NOR Flash啓動的代碼 */
213 ldr r2, _armboot_start
214 ldr r3, _bss_start
215 sub r2, r3, r2 /* r2 <- size of armboot */
216 add r2, r0, r2 /* r2 <- source end address */
217 /* 搬運U-Boot自身到RAM中*/
218 copy_loop:
219 ldmia r0!, {r3-r10} /* 從地址爲[r0]的NOR Flash中讀入8個字的數據 */
220 stmia r1!, {r3-r10} /* 將r3至r10寄存器的數據複製給地址爲[r1]的內存 */
221 cmp r0, r2 /* until source end addreee [r2] */
222 ble copy_loop
223 b stack_setup /* 跳過NAND Flash啓動的代碼 */
下面再來分析NAND Flash啓動部分代碼：
nand_boot:
mov r1, #NAND_CTL_BASE
ldr r2, =( (7<<12)|(7<<8)|(7<<4)|(0<<0) )
str r2, [r1, #oNFCONF] /* 設置NFCONF寄存器 */
/* 設置NFCONT，初始化ECC編/解碼器，禁止NAND Flash片選 */
ldr r2, =( (1<<4)|(0<<1)|(1<<0) )
str r2, [r1, #oNFCONT]
ldr r2, =(0x6) /* 設置NFSTAT */
str r2, [r1, #oNFSTAT]
/* 復位命令，第一次使用NAND Flash前復位 */
mov r2, #0xff
strb r2, [r1, #oNFCMD]
mov r3, #0
/* 爲調用C函數nand_read_ll準備堆棧 */
ldr sp, DW_STACK_START
mov fp, #0
/* 下面先設置r0至r2，然後調用nand_read_ll函數將U-Boot讀入RAM */
ldr r0, =TEXT_BASE /* 目的地址：U-Boot在RAM的開始地址 */
mov r1, #0x0 /* 源地址：U-Boot在NAND Flash中的開始地址 */
mov r2, #0x30000 /* 複製的大小，必須比u-boot.bin文件大，並且必須是NAND Flash塊大小的整數倍，這裏設置爲0x30000（192KB） */
bl nand_read_ll /* 跳轉到nand_read_ll函數，開始複製U-Boot到RAM */
tst r0, #0x0 /* 檢查返回值是否正確 */
beq stack_setup
bad_nand_read:
loop2: b loop2 //infinite loop
.align 2
DW_STACK_START: .word STACK_BASE+STACK_SIZE-4
其中NAND_CTL_BASE，oNFCONF等在include/configs/mini2440.h中定義如下：
#define NAND_CTL_BASE 0x4E000000 // NAND Flash控制寄存器基址
#define STACK_BASE 0x33F00000 //base address of stack
#define STACK_SIZE 0x8000 //size of stack
#define oNFCONF 0x00 /* NFCONF相對於NAND_CTL_BASE偏移地址 */
#define oNFCONT 0x04 /* NFCONT相對於NAND_CTL_BASE偏移地址*/
#define oNFADDR 0x0c /* NFADDR相對於NAND_CTL_BASE偏移地址*/
#define oNFDATA 0x10 /* NFDATA相對於NAND_CTL_BASE偏移地址*/
#define oNFCMD 0x08 /* NFCMD相對於NAND_CTL_BASE偏移地址*/
#define oNFSTAT 0x20 /* NFSTAT相對於NAND_CTL_BASE偏移地址*/
#define oNFECC 0x2c /* NFECC相對於NAND_CTL_BASE偏移地址*/
NAND Flash各個控制寄存器的設置在S3C2440的數據手冊有詳細說明，這裏就不介紹了。
代碼中nand_read_ll函數的作用是在NAND Flash中搬運U-Boot到RAM，該函數在board/samsung/mini2440/nand_read.c中定義。
NAND Flash根據page大小可分爲2種： 512B/page和2048B/page的。這兩種NAND Flash的讀操作是不同的。因此就需要U-Boot識別到NAND Flash的類型，然後採用相應的讀操作，也就是說nand_read_ll函數要能自動適應兩種NAND Flash。
參考S3C2440的數據手冊可以知道：根據NFCONF寄存器的Bit3（AdvFlash (Read only)）和Bit2 （PageSize (Read only)）可以判斷NAND Flash的類型。Bit2、Bit3與NAND Flash的block類型的關係如下表所示：
表 2.4 NFCONF的Bit3、Bit2與NAND Flash的關係
|
Bit2 Bit3
|
0
|
1
|
|
0
|
256 B/page
|
512 B/page
|
|
1
|
1024 B/page
|
2048 B/page
|
由於的NAND Flash只有512B/page和2048 B/page這兩種，因此根據NFCONF寄存器的Bit3即可區分這兩種NAND Flash了。
完整代碼見board/samsung/mini2440/nand_read.c中的nand_read_ll函數，這裏給出僞代碼：
int nand_read_ll(unsigned char *buf, unsigned long start_addr, int size)
{
//根據NFCONF寄存器的Bit3來區分2種NAND Flash
if( NFCONF & 0x8 ) /* Bit是1，表示是2KB/page的NAND Flash */
{
////////////////////////////////////
讀取2K block 的NAND Flash
////////////////////////////////////
}
else /* Bit是0，表示是512B/page的NAND Flash */
{
/////////////////////////////////////
讀取512B block 的NAND Flash
/////////////////////////////////////
}
return 0;
}
（10）設置堆棧
/* 設置堆棧 */
stack_setup:
ldr r0, _TEXT_BASE /* upper 128 KiB: relocated uboot */
sub r0, r0, #CONFIG_SYS_MALLOC_LEN /* malloc area */
sub r0, r0, #CONFIG_SYS_GBL_DATA_SIZE /* 跳過全局數據區 */
#ifdef CONFIG_USE_IRQ
sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif
sub sp, r0, #12 /* leave 3 words for abort-stack */
只要將sp指針指向一段沒有被使用的內存就完成棧的設置了。根據上面的代碼可以知道U-Boot內存使用情況了，如下圖所示：
圖2.2 U-Boot內存使用情況
（11）清除BSS段
clear_bss:
ldr r0, _bss_start /* BSS段開始地址，在u-boot.lds中指定*/
ldr r1, _bss_end /* BSS段結束地址，在u-boot.lds中指定*/
mov r2, #0x00000000
clbss_l:str r2, [r0] /* 將bss段清零*/
add r0, r0, #4
cmp r0, r1
ble clbss_l
初始值爲0，無初始值的全局變量，靜態變量將自動被放在BSS段。應該將這些變量的初始值賦爲0，否則這些變量的初始值將是一個隨機的值，若有些程序直接使用這些沒有初始化的變量將引起未知的後果。
（12）跳轉到第二階段代碼入口
ldr pc, _start_armboot
_start_armboot: .word start_armboot
跳轉到第二階段代碼入口start_armboot處。
1.1.2 U-Boot啓動第二階段代碼分析
start_armboot函數在lib_arm/board.c中定義，是U-Boot第二階段代碼的入口。U-Boot啓動第二階段流程如下：
圖 2.3 U-Boot第二階段執行流程
在分析start_armboot函數前先來看看一些重要的數據結構：
（1）gd_t結構體
U-Boot使用了一個結構體gd_t來存儲全局數據區的數據，這個結構體在include/asm-arm/global_data.h中定義如下：
typedef struct global_data {
bd_t *bd;
unsigned long flags;
unsigned long baudrate;
unsigned long have_console; /* serial_init() was called */
unsigned long env_addr; /* Address of Environment struct */
unsigned long env_valid; /* Checksum of Environment valid? */
unsigned long fb_base; /* base address of frame buffer */
void **jt; /* jump table */
} gd_t;
U-Boot使用了一個存儲在寄存器中的指針gd來記錄全局數據區的地址：
#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR register volatile gd_t *gd asm ("r8")
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR定義一個gd_t全局數據結構的指針，這個指針存放在指定的寄存器r8中。這個聲明也避免編譯器把r8分配給其它的變量。任何想要訪問全局數據區的代碼，只要代碼開頭加入“DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR”一行代碼，然後就可以使用gd指針來訪問全局數據區了。
根據U-Boot內存使用圖中可以計算gd的值：
gd = TEXT_BASE －CONFIG_SYS_MALLOC_LEN － sizeof(gd_t)
（2）bd_t結構體
bd_t在include/asm-arm.u/u-boot.h中定義如下：
typedef struct bd_info {
int bi_baudrate; /* 串口通訊波特率 */
unsigned long bi_ip_addr; /* IP 地址*/
struct environment_s *bi_env; /* 環境變量開始地址 */
ulong bi_arch_number; /* 開發板的機器碼 */
ulong bi_boot_params; /* 內核參數的開始地址 */
struct /* RAM配置信息 */
{
ulong start;
ulong size;
}bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS];
} bd_t;
U-Boot啓動內核時要給內核傳遞參數，這時就要使用gd_t，bd_t結構體中的信息來設置標記列表。
（3）init_sequence數組
U-Boot使用一個數組init_sequence來存儲對於大多數開發板都要執行的初始化函數的函數指針。init_sequence數組中有較多的編譯選項，去掉編譯選項後init_sequence數組如下所示：
typedef int (init_fnc_t) (void);
init_fnc_t *init_sequence[] = {
board_init, /*開發板相關的配置--board/samsung/mini2440/mini2440.c */
timer_init, /* 時鐘初始化-- cpu/arm920t/s3c24x0/timer.c */
env_init, /*初始化環境變量--common/env_flash.c 或common/env_nand.c*/
init_baudrate, /*初始化波特率-- lib_arm/board.c */
serial_init, /* 串口初始化-- drivers/serial/serial_s3c24x0.c */
console_init_f, /* 控制通訊臺初始化階段1-- common/console.c */
display_banner, /*打印U-Boot版本、編譯的時間-- gedit lib_arm/board.c */
dram_init, /*配置可用的RAM-- board/samsung/mini2440/mini2440.c */
display_dram_config, /* 顯示RAM大小-- lib_arm/board.c */
NULL,
};
其中的board_init函數在board/samsung/mini2440/mini2440.c中定義，該函數設置了MPLLCOM，UPLLCON，以及一些GPIO寄存器的值，還設置了U-Boot機器碼和內核啓動參數地址 ：
/* MINI2440開發板的機器碼 */
gd->bd->bi_arch_number = MACH_TYPE_MINI2440;
/* 內核啓動參數地址 */
gd->bd->bi_boot_params = 0x30000100;
其中的dram_init函數在board/samsung/mini2440/mini2440.c中定義如下：
int dram_init (void)
{
/* 由於mini2440只有 */
gd->bd->bi_dram[0].start = PHYS_SDRAM_1;
gd->bd->bi_dram[0].size = PHYS_SDRAM_1_SIZE;
return 0;
}
mini2440使用2片32MB的SDRAM組成了64MB的內存，接在存儲控制器的BANK6，地址空間是0x30000000~0x34000000。
在include/configs/mini2440.h中PHYS_SDRAM_1和PHYS_SDRAM_1_SIZE 分別被定義爲0x30000000和0x04000000（64M）。
分析完上述的數據結構，下面來分析start_armboot函數：
void start_armboot (void)
{
init_fnc_t **init_fnc_ptr;
char *s;
… …
/* 計算全局數據結構的地址gd */
gd = (gd_t*)(_armboot_start - CONFIG_SYS_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));
… …
memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t));
gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));
memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));
gd->flags |= GD_FLG_RELOC;
monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;
/* 逐個調用init_sequence數組中的初始化函數 */
for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
hang ();
}
}
/* armboot_start 在cpu/arm920t/start.S 中被初始化爲u-boot.lds連接腳本中的_start */
mem_malloc_init (_armboot_start - CONFIG_SYS_MALLOC_LEN,
CONFIG_SYS_MALLOC_LEN);
/* NOR Flash初始化 */
#ifndef CONFIG_SYS_NO_FLASH
/* configure available FLASH banks */
display_flash_config (flash_init ());
#endif /* CONFIG_SYS_NO_FLASH */
… …
/* NAND Flash 初始化*/
#if defined(CONFIG_CMD_NAND)
puts ("NAND: ");
nand_init(); /* go init the NAND */
#endif
… …
/*配置環境變量，重新定位 */
env_relocate ();
… …
/* 從環境變量中獲取IP地址 */
gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");
stdio_init (); /* get the devices list going. */
jumptable_init ();
… …
console_init_r (); /* fully init console as a device */
… …
/* enable exceptions */
enable_interrupts ();
#ifdef CONFIG_USB_DEVICE
usb_init_slave();
#endif
/* Initialize from environment */
if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
}
#if defined(CONFIG_CMD_NET)
if ((s = getenv ("bootfile")) != NULL) {
copy_filename (BootFile, s, sizeof (BootFile));
}
#endif
… …
/* 網卡初始化 */
#if defined(CONFIG_CMD_NET)
#if defined(CONFIG_NET_MULTI)
puts ("Net: ");
#endif
eth_initialize(gd->bd);
… …
#endif
/* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again. */
for (;;) {
main_loop ();
}
/* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */
}
main_loop函數在common/main.c中定義。一般情況下，進入main_loop函數若干秒內沒有
U-Boot使用標記列表（tagged list）的方式向Linux傳遞參數。標記的數據結構式是tag，在U-Boot源代碼目錄include/asm-arm/setup.h中定義如下：
struct tag_header {
u32 size; /* 表示tag數據結構的聯合u實質存放的數據的大小*/
u32 tag; /* 表示標記的類型 */
};
struct tag {
struct tag_header hdr;
union {
struct tag_core core;
struct tag_mem32 mem;
struct tag_videotext videotext;
struct tag_ramdisk ramdisk;
struct tag_initrd initrd;
struct tag_serialnr serialnr;
struct tag_revision revision;
struct tag_videolfb videolfb;
struct tag_cmdline cmdline;
/*
* Acorn specific
*/
struct tag_acorn acorn;
/*
* DC21285 specific
*/
struct tag_memclk memclk;
} u;
};
U-Boot使用命令bootm來啓動已經加載到內存中的內核。而bootm命令實際上調用的是do_bootm函數。對於Linux內核，do_bootm函數會調用do_bootm_linux函數來設置標記列表和啓動內核。do_bootm_linux函數在lib_arm/bootm.c 中定義如下：
59 int do_bootm_linux(int flag, int argc, char *argv[], bootm_headers_t *p_w_picpaths)
60 {
61 bd_t *bd = gd->bd;
62 char *s;
63 int machid = bd->bi_arch_number;
64 void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);
65
66 #ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
67 char *commandline = getenv ("bootargs"); /* U-Boot環境變量bootargs */
68 #endif
… …
73 theKernel = (void (*)(int, int, uint))p_w_picpaths->ep; /* 獲取內核入口地址 */
… …
86 #if defined (CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || \
87 defined (CONFIG_CMDLINE_TAG) || \
88 defined (CONFIG_INITRD_TAG) || \
89 defined (CONFIG_SERIAL_TAG) || \
90 defined (CONFIG_REVISION_TAG) || \
91 defined (CONFIG_LCD) || \
92 defined (CONFIG_VFD)
93 setup_start_tag (bd); /* 設置ATAG_CORE標誌 */
… …
100 #ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS
101 setup_memory_tags (bd); /* 設置內存標記 */
102 #endif
103 #ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
104 setup_commandline_tag (bd, commandline); /* 設置命令行標記 */
105 #endif
… …
113 setup_end_tag (bd); /* 設置ATAG_NONE標誌 */
114 #endif
115
116 /* we assume that the kernel is in place */
117 printf ("\nStarting kernel ...\n\n");
… …
126 cleanup_before_linux (); /* 啓動內核前對CPU作最後的設置 */
127
128 theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params); /* 調用內核 */
129 /* does not return */
130
131 return 1;
132 }
其中的setup_start_tag，setup_memory_tags，setup_end_tag函數在lib_arm/bootm.c中定義如下：
（1）setup_start_tag函數
static void setup_start_tag (bd_t *bd)
{
params = (struct tag *) bd->bi_boot_params; /* 內核的參數的開始地址 */
params->hdr.tag = ATAG_CORE;
params->hdr.size = tag_size (tag_core);
params->u.core.flags = 0;
params->u.core.pagesize = 0;
params->u.core.rootdev = 0;
params = tag_next (params);
}
標記列表必須以ATAG_CORE開始，setup_start_tag函數在內核的參數的開始地址設置了一個ATAG_CORE標記。
（2）setup_memory_tags函數
static void setup_memory_tags (bd_t *bd)
{
int i;
/*設置一個內存標記 */
for (i = 0; i < CONFIG_NR_DRAM_BANKS; i++) {
params->hdr.tag = ATAG_MEM;
params->hdr.size = tag_size (tag_mem32);
params->u.mem.start = bd->bi_dram[i].start;
params->u.mem.size = bd->bi_dram[i].size;
params = tag_next (params);
}
}
setup_memory_tags函數設置了一個ATAG_MEM標記，該標記包含內存起始地址，內存大小這兩個參數。
（3）setup_end_tag函數
static void setup_end_tag (bd_t *bd)
{
params->hdr.tag = ATAG_NONE;
params->hdr.size = 0;
}
標記列表必須以標記ATAG_NONE結束，setup_end_tag函數設置了一個ATAG_NONE標記，表示標記列表的結束。
U-Boot設置好標記列表後就要調用內核了。但調用內核前，CPU必須滿足下面的條件：
（1） CPU寄存器的設置
Ø r0=0
Ø r1=機器碼
Ø r2=內核參數標記列表在RAM中的起始地址
（2） CPU工作模式
Ø 禁止IRQ與FIQ中斷
Ø CPU爲SVC模式
（3） 使數據Cache與指令Cache失效
do_bootm_linux中調用的cleanup_before_linux函數完成了禁止中斷和使Cache失效的功能。cleanup_before_linux函數在cpu/arm920t/cpu.中定義：
int cleanup_before_linux (void)
{
/*
* this function is called just before we call linux
* it prepares the processor for linux
*
* we turn off caches etc ...
*/
disable_interrupts (); /* 禁止FIQ/IRQ中斷 */
/* turn off I/D-cache */
icache_disable(); /* 使指令Cache失效 */
dcache_disable(); /* 使數據Cache失效 */
/* flush I/D-cache */
cache_flush(); /* 刷新Cache */
return 0;
}
由於U-Boot啓動以來就一直工作在SVC模式，因此CPU的工作模式就無需設置了。
do_bootm_linux中：
64 void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);
… …
73 theKernel = (void (*)(int, int, uint))p_w_picpaths->ep;
… …
128 theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params);
第73行代碼將內核的入口地址“p_w_picpaths->ep”強制類型轉換爲函數指針。根據ATPCS規則，函數的參數個數不超過4個時，使用r0~r3這4個寄存器來傳遞參數。因此第128行的函數調用則會將0放入r0，機器碼machid放入r1，內核參數地址bd->bi_boot_params放入r2，從而完成了寄存器的設置，最後轉到內核的入口地址。
到這裏，U-Boot的工作就結束了，系統跳轉到Linux內核代碼執行。
下面以添加menu命令（啓動菜單）爲例講解U-Boot添加命令的方法。
（1） 建立common/cmd_menu.c
習慣上通用命令源代碼放在common目錄下，與開發板專有命令源代碼則放在board/<board_dir>目錄下，並且習慣以“cmd_<命令名>.c”爲文件名。
（2） 定義“menu”命令
在cmd_menu.c中使用如下的代碼定義“menu”命令：
_BOOT_CMD(
menu, 3, 0, do_menu,
"menu - display a menu, to select the items to do something\n",
" - display a menu, to select the items to do something"
);
其中U_BOOT_CMD命令格式如下：
U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help)
各個參數的意義如下：
name：命令名，非字符串，但在U_BOOT_CMD中用“#”符號轉化爲字符串
maxargs：命令的最大參數個數
rep：是否自動重複（按Enter鍵是否會重複執行）
cmd：該命令對應的響應函數
usage：簡短的使用說明（字符串）
help：較詳細的使用說明（字符串）
在內存中保存命令的help字段會佔用一定的內存，通過配置U-Boot可以選擇是否保存help字段。若在include/configs/mini2440.h中定義了CONFIG_SYS_LONGHELP宏，則在U-Boot中使用help命令查看某個命令的幫助信息時將顯示usage和help字段的內容，否則就只顯示usage字段的內容。
U_BOOT_CMD宏在include/command.h中定義：
#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) \
cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage, help}
“##”與“#”都是預編譯操作符，“##”有字符串連接的功能，“#”表示後面緊接着的是一個字符串。
其中的cmd_tbl_t在include/command.h中定義如下：
struct cmd_tbl_s {
char *name; /* 命令名 */
int maxargs; /* 最大參數個數 */
int repeatable; /* 是否自動重複 */
int (*cmd)(struct cmd_tbl_s *, int, int, char *[]); /* 響應函數 */
char *usage; /* 簡短的幫助信息 */
#ifdef CONFIG_SYS_LONGHELP
char *help; /* 較詳細的幫助信息 */
#endif
#ifdef CONFIG_AUTO_COMPLETE
/* 自動補全參數 */
int (*complete)(int argc, char *argv[], char last_char, int maxv, char *cmdv[]);
#endif
};
typedef struct cmd_tbl_s cmd_tbl_t;
一個cmd_tbl_t結構體變量包含了調用一條命令的所需要的信息。
其中Struct_Section在include/command.h中定義如下：
#define Struct_Section __attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd")))
凡是帶有__attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd"))屬性聲明的變量都將被存放在".u_boot_cmd"段中，並且即使該變量沒有在代碼中顯式的使用編譯器也不產生警告信息。
在U-Boot連接腳本u-boot.lds中定義了".u_boot_cmd"段：
. = .;
__u_boot_cmd_start = .; /*將 __u_boot_cmd_start指定爲當前地址 */
.u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
__u_boot_cmd_end = .; /* 將__u_boot_cmd_end指定爲當前地址 */
這表明帶有“.u_boot_cmd”聲明的函數或變量將存儲在“u_boot_cmd”段。這樣只要將U-Boot所有命令對應的cmd_tbl_t變量加上“.u_boot_cmd”聲明，編譯器就會自動將其放在“u_boot_cmd”段，查找cmd_tbl_t變量時只要在__u_boot_cmd_start與__u_boot_cmd_end之間查找就可以了。
因此“menu”命令的定義經過宏展開後如下：
cmd_tbl_t __u_boot_cmd_menu __attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd"))) = {menu, 3, 0, do_menu, "menu - display a menu, to select the items to do something\n", " - display a menu, to select the items to do something"}
實質上就是用U_BOOT_CMD宏定義的信息構造了一個cmd_tbl_t類型的結構體。編譯器將該結構體放在“u_boot_cmd”段，執行命令時就可以在“u_boot_cmd”段查找到對應的cmd_tbl_t類型結構體。
（3） 實現命令的函數
在cmd_menu.c中添加“menu”命令的響應函數的實現。具體的實現代碼略：
int do_menu (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])
{
/* 實現代碼略 */
}
（4） 將common/cmd_menu.c編譯進u-boot.bin
在common/Makefile中加入如下代碼：
COBJS-$(CONFIG_BOOT_MENU) += cmd_menu.o
在include/configs/mini2440.h加入如代碼：
#define CONFIG_BOOT_MENU 1
重新編譯下載U-Boot就可以使用menu命令了
（5）menu命令執行的過程
在U-Boot中輸入“menu”命令執行時，U-Boot接收輸入的字符串“menu”，傳遞給run_command函數。run_command函數調用common/command.c中實現的find_cmd函數在__u_boot_cmd_start與__u_boot_cmd_end間查找命令，並返回menu命令的cmd_tbl_t結構。然後run_command函數使用返回的cmd_tbl_t結構中的函數指針調用menu命令的響應函數do_menu，從而完成了命令的執行。
作者：heaad
http://www.cnblogs.com/heaad/
本文摘選自作者所寫的一篇文章。轉載請註明，水平有限，歡迎拍磚。