海思uboot启动流程详细分析(二)

1. 第二个start.S

start_armboot开始,在startup.c中有包含#include <config.h>

在config.h中:

/* Automatically generated - do not edit */
#define CONFIG_BOARDDIR board/hisilicon/hi3559av100
#include <config_defaults.h>
#include <config_uncmd_spl.h>
#include <configs/hi3559av100.h>
#include <asm/config.h>
#include <config_fallbacks.h>

hi3559av100.h中:

#define CONFIG_SYS_TEXT_BASE            0x48800000

hi3559av100.h中,看到了CONFIG_SYS_TEXT_BASE的宏

/* CONFIG_SYS_TEXT_BASE needs to align with where ATF loads bl33.bin */
#define CONFIG_SYS_TEXT_BASE 0x48800000

查看u-boot.map在这里又来到了上一层的start.S中来,所以可以知道这两个是由两个文件组成的,一个是u-boot.bin和reg_info.bin,就是说两个不同的start.S的流程来合成一个最终的u-boot-hi3559av100.bin

这个便是正常的流程了:

本文将结合u-boot的“board—>machine—>arch—>cpu”框架,介绍u-boot中平台相关部分的启动流程。并通过对启动流程的简单分析,掌握u-boot移植的基本方法。

2. 多平台架构

这些问题的本质,是软件工程中的抽象和封装,以最简洁、最高效的方式,实现尽可能多的功能。u-boot作为一个跨平台、跨设备的bootloader,同样会面临这些问题。它的解决方案,就是“board—>machine—>arch—>cpu”框架,如下:

海思uboot启动流程详细分析(二)

基于图片1的架构,u-boot和平台有关的初始化流程,显得比较直观、清晰:

1)u-boot启动后,会先执行CPU(如armv8)的初始化代码。

2)CPU相关的代码,会调用ARCH的公共代码(如arch/arm)。

3)ARCH的公共代码,在适当的时候,调用board有关的接口。u-boot的功能逻辑,大多是由common代码实现,部分和平台有关的部分,则由公共代码声明,由board代码实现。

4)board代码在需要的时候,会调用machine(arch/arm/mach-xxx)提供的接口,实现特定的功能。因此machine的定位是提供一些基础的代码支持,不会直接参与到u-boot的功能逻辑中。

3. 平台相关部分的启动流程分析

本文先不涉及u-boot和平台相关的Kconfig/Makefile部分,以ARM64为例,假定u-boot首先从“arch/arm/cpu/armv8/start.S”的_start接口开始执行。因此我们从_start开始分析。

3.1 _start

_start是u-boot启动后的第一个执行地址,对armv8来说,它只是简单的跳转到reset处执行,如下:

.globl	_start
_start:
b reset

3.2 reset

reset:
/* Allow the board to save important registers */
b save_boot_params
.globl save_boot_params_ret
save_boot_params_ret: #ifdef CONFIG_SYS_RESET_SCTRL
bl reset_sctrl
#endif
/*
* Could be EL3/EL2/EL1, Initial State:
* Little Endian, MMU Disabled, i/dCache Disabled
*/
adr x0, vectors
switch_el x1, 3f, 2f, 1f
3: msr vbar_el3, x0
mrs x0, scr_el3
orr x0, x0, #0xf /* SCR_EL3.NS|IRQ|FIQ|EA */
msr scr_el3, x0
msr cptr_el3, xzr /* Enable FP/SIMD */
#ifdef COUNTER_FREQUENCY
ldr x0, =COUNTER_FREQUENCY
msr cntfrq_el0, x0 /* Initialize CNTFRQ */
#endif
b 0f
2: msr vbar_el2, x0
mov x0, #0x33ff
msr cptr_el2, x0 /* Enable FP/SIMD */
b 0f
1: msr vbar_el1, x0
mov x0, #3 << 20
msr cpacr_el1, x0 /* Enable FP/SIMD */
0: /* Apply ARM core specific erratas */
bl apply_core_errata /*
* Cache/BPB/TLB Invalidate
* i-cache is invalidated before enabled in icache_enable()
* tlb is invalidated before mmu is enabled in dcache_enable()
* d-cache is invalidated before enabled in dcache_enable()
*/ /* Processor specific initialization */
bl lowlevel_init

1)reset SCTRL寄存器

具体可参考reset_sctrl函数,由CONFIG_SYS_RESET_SCTRL控制,一般不需要打开。该配置项的解释如下:

Reset the SCTRL register at the very beginning of execution to avoid interference from stale mappings set up by early firmware/loaders/etc.

http://lists.denx.de/pipermail/u-boot/2015-April/211147.html

2)根据当前的EL级别,配置中断向量、MMU、Endian、i/d Cache等。

3)配置ARM的勘误表

具体可参考apply_core_errata函数,由CONFIG_ARM_ERRATA_XXX控制,在项目的初期,可以不打开,后续根据实际情况打开)。

就是ARM有一些bug,但可以通过软件的方法绕过去,由u-boot的代码注释可知,应该只有Cortex-A57才有。具体什么bug,我也没有去研究

4)调用lowlevel_init的功能解释如下(具体可参考u-boot的readme文档):

  • purpose: essential init to permit execution to reach board_init_f()
   - no global_data or BSS

   - there is no stack (ARMv7 may have one but it will soon be removed)

   - must not set up SDRAM or use console

   - must only do the bare minimum to allow execution to continue to

           board_init_f()

   - this is almost never needed

   - return normally from this function

海思的和原生uboot代码的start.S其实就是增加以下内容

海思uboot启动流程详细分析(二)

5)如果是多CPU的场景,处理其它的CPU的boot

多CPU功能由CONFIG_ARMV8_MULTIENTRY控制,不需要打开。

6)跳转到arm公共的_main中执行

ARM64平台的_main位于crt0_64.S文件中,具体请参考下面的描述。

3.3 _main

crt0是C-runtime Startup Code的简称,意思就是运行C代码之前的准备工作。关于_main函数,crt0_64.S中有非常详细的注释(这一点要给u-boot点100个赞!),大家可以参考。该函数的定义如下:

ENTRY(_main)

/*
* Set up initial C runtime environment and call board_init_f(0).
*/
#if defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK)
ldr x0, =(CONFIG_SPL_STACK)
#else
ldr x0, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
#endif
bic sp, x0, #0xf/* 16-byte alignment for ABI compliance */
mov x0, sp
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 mov x0, #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.
*/
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: /*
* Set up final (full) environment
*/
bl c_runtime_cpu_setup /* still call old routine */ /* TODO: For SPL, call spl_relocate_stack_gd() to alloc stack relocation */ /*
* Clear BSS section
*/
ldr x0, =__bss_start /* this is auto-relocated! */
ldr x1, =__bss_end /* this is auto-relocated! */
mov x2, #0
clear_loop:
str x2, [x0]
add x0, x0, #8
cmp x0, x1
b.lo clear_loop /* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */
mov x0, x18 /* gd_t */
ldr x1, [x18, #GD_RELOCADDR] /* dest_addr */
b board_init_r /* PC relative jump */ /* NOTREACHED - board_init_r() does not return */ #endif /* !CONFIG_SPL_BUILD */ ENDPROC(_main)

功能可总结为(大部分翻译自crt0_64.S中的注释):

1)设置C代码的运行环境,为调用board_init_f接口做准备。包括:

a)设置堆栈(C代码的函数调用,堆栈是必须的)。如果当前的编译是SPL(由CONFIG_SPL_BUILD定义),可单独定义堆栈基址(CONFIG_SPL_STACK),否则,通过CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR定义堆栈基址。

b)调用board_init_f_alloc_reserve接口,从堆栈开始的地方,为u-boot中大名鼎鼎的GD ('global data') 数据结构,分配空间。

c)调用board_init_f_init_reserve接口,对GD进行初始化。

2)调用board_init_f函数,完成一些前期的初始化工作,例如:

a)点亮一个Debug用的LED灯,表示u-boot已经活了。

b)初始化DRAM、DDR等system范围的RAM等。

c)计算后续代码需要使用的一些参数,包括relocation destination、the future stack、the future GD location等。

注5:关于u-boot的relocation操作,后续会有专门的文章介绍。

3)如果当前是SPL(由CONFIG_SPL_BUILD控制),则_main函数结束,直接返回。如果是正常的u-boot,则继续执行后续的动作。

4)根据board_init_f指定的参数,执行u-boot的relocation操作。

5)清除BBS段。

6)调用board_init_r函数,执行后续的初始化操作(已经不再本文的讨论范围了,具体请参考后续的分析文章)。

4. 总结

4.1 SPL功能

SPL是Secondary Program Loader的简称,之所以称作secondary,是相对于ROM code来说的。SPL是u-boot中独立的一个代码分支,由CONFIG_SPL_BUILD配置项控制,是为了在正常的u-boot image之外,提供一个独立的、小size的SPL image,通常用于那些SRAM比较小(或者其它限制)、无法直接装载并运行整个u-boot的平台。

如果使用了SPL功能,u-boot的启动流程通常是:

ROM code加载SPL并运行;

SPL进行必要的初始化之后,加载u-boot并运行;

u-boot进行后续的操作。

因此,如果使用SPL功能,需要尽可能的减少SPL的代码量,以减小它的size。

4.2 配置项总结

经过第3章的流程分析,我们可以总结出和“平台相关部分的启动流程”有关的配置项,记录如下:

CONFIG_SYS_RESET_SCTRL,控制是否在启动的时候reset SCTRL寄存器,一般不需要打开;

CONFIG_ARM_ERRATA_XXX,控制ARM core的勘误信息,一般不需要打开;

CONFIG_GICV2、CONFIG_GICV3,控制GIC的版本,用到的时候再说明;

CONFIG_ARMV8_MULTIENTRY,控制是否在u-boot中使用多CPU,一般不需要;

CONFIG_SPL_BUILD,是否是能SPL的编译,需要的话可以打开;

CONFIG_SPL_STACK,如果配置了CONFIG_SPL_BUILD,是否为SPL image配置单独的stack(SP基址),如果需要,通过该配置项配置,如果不需要,则使用CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR;
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