「uboot」03. Uboot启动流程详解

uboot

1. start.S解析

1）uboot入口分析

要分析uboot的流程首先要找到uboot的入口函数，从x210开发板的链接器脚本可以获得该信息

根据ENTRY(_start)可知，uboot的入口函数为start；再根据.text段的链接顺序，可知start函数位于cpu/s5pc11x/start.S

2）头文件包含

在start.S的起始处包含了如下4个头文件，

A. <config.h>

include/config.h由mkconfig脚本生成，其中包含了板级配置头文件include/configs/x210_sd.h

B. <version.h>

include/version.h包含了include/version_autogenerated.h，该头文件由makefile在编译过程中生成，其中定义了标识uboot版本的宏。后续源代码中使用的版本信息，即由此而来。

C. <asm/proc/domain.h>

由于x210的uboot定义了CONFIG_ENABLE_MMU宏，所以会包含该文件。而include/asm/proc目录通过软链接会指向include/asm-arm/proc-armv

D. <regs.h>

include/regs.h文件是include/s5pc110.h的软链接，而s5pc110.h中定义了S5PV210芯片的片内外设地址及操作用宏

说明：上述头文件的包含就体现了uboot的跨平台移植性，通过配置编译脚本和软链接，使得源代码中能够以统一的方式包含头文件，而实际指向却因平台而异

3）启动代码的16B头部信息

为配合S5PV210的iROM启动流程，在uboot的起始位置预留了16B用于存放BL1的头部信息（sd_fusing.sh脚本会截取uboot.bin的前8KB作为BL1）。

根据头部信息的字段要求，此处的0x2000为BL1长度，即8KB。

4）构建异常向量表

异常向量表的功能在中断相关笔记中已有详细说明，此处不再赘述。异常向量表后的 .balignl 16,0xdeadbeef 用于实现地址对齐

此处的含义是让当前当前地址16字节对齐，如果不对齐，使用0xdeadbeef填充（deedbeef正好在十六进制数标识范围内~~）

说明1：进行内存对齐的2个原因

① 提高读写效率

② 硬件特殊要求

说明2：需要注意的是，在x210 uboot代码中并没有将异常向量表的地址写入CP15的c12寄存器，其实在整个x210 uboot中并没有使用中断

5）重要的变量定义

A. _TEXT_BASE

uboot的链接地址，该值首先由x210_sd_config配置项写入board/samsung/x210/config.mk配置文件，然后在顶层目录的config.mk中会解析该文件，然后在编译选项中添加-DTEXT_BASE，从而可以在源代码中获得链接地址的值（0xc3e00000）

B. _TEXT_PHY_BASE

#define MEMORY_BASE_ADDRESS 0x30000000

#define CFG_PHY_UBOOT_BASE MEMORY_BASE_ADDRESS + 0x3e00000

所以_TEXT_PHY_BASE的值为0x33e00000，即uboot的物理地址（正确的理解：链接地址VA对应PA）

C. _armboot_start

该变量实际是_start的链接地址，由于起始处预留头部信息的原因，_start的链接地址为0xc3e00010

D. _bss_start & _bss_end

这两个变量的值源自链接器脚本，后续用于清bss段

下面通过反汇编验证上述分析：

注：该方法可用于验证C语言对链接器脚本变量（e.g. _bss_start）的使用

6）设置SVC模式

由于直接将0xd3写入CPSR的低8位，所以此处在进入SVC模式的同时，还将CPU设置为ARM状态，并关闭 I & F中断（CPU端关中断）

7）设置cache & MMU

说明：对存储系统的设置都是通过操作cp15寄存器的实现

A. bl disable_l2cache

该函数将控制寄存器（c1）的bit 1清零，即不再对数据的地址对齐进行检查，该操作和cache也没啥关系啊~~

B. bl set_l2cache_auxctrl_cycle

该函数将L2 Cache辅助控制寄存器各位均置为0

C. bl enable_l2cache

调用该函数又将控制寄存器的bit 1置为1，即使能数据对齐检查，当数据不对齐时将触发异常

D. in validate L1 I/D

mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0用于使I / D TLB均失效

mcr p15, 0, r0, c7, c5, 0用于使I cache失效

E. disable MMU and caches

此段流程对控制寄存器进行如下操作，

bit 13 --> 0：使用一般模式的异常向量表地址（即默认地址为0x0，也可通过c12配置）

bit [2:0] --> 0b000：关闭MMU / 关闭地址对齐检查 / 关闭D-cache

bit 1 --> 1：使能地址对齐检查

bit 11 --> 1：使能program flow prediction

说明：从整个cache和MMU的设置流程分析，控制寄存器A位的设置被反复进行，而且有些函数名与功能并不相符，应该是移植时造成的残留问题

8）识别 & 保存启动设备信息

代码首先从0xE0000004寄存器中读取启动设备的信息，需要注意的是，手册中并没有描述该寄存器的内容（可见某些接近底层的移植，只能由原厂进行，居然还TM留了一手~~）

在经过一系列比较后，会将启动设备的信息保存在INFORM3寄存器中，但是芯片手册中并没有该寄存器的详细说明

9）调用lowlevel_init

A. 栈的设置

在调用lowlevel_init之前，需要先设置栈（此时栈在iRAM中）。虽然lowlevel_init函数也是用汇编语言完成，但是由于他并非叶子函数，所以在lowlevel_init调用其他函数之前需要将当前的lr入栈，以便lowlevel_init函数返回

说明：该栈并没有设置在iRAM规划的SVC stack区，而是设置在iRAM规划的RW / ZI区域（已初始化变量 / 未初始化变量）及堆区

B. 检查复位状态

说明：目前稍微复杂的CPU均支持多种复位状态（e.g. 上电启动 / 睡眠唤醒），此处检查复位状态的意义在于，如果是睡眠唤醒，很多上电启动需要进行的步骤此时必须略过（e.g. 时钟设置 / DDR初始化）

C. 释放IO的保持状态

实现的方式就是将MISC寄存器的bit 31置为1

D. 关闭看门狗

E. SROM相关GPIO管脚设置

此处设置了GPJ 1 & GPJ 4的工作模式及上下拉模式，其中，

GPJ 1：

将GPJ 1[0] ~ GPJ 1[5]的模式设置为SROM_ADDR_16to22[0] ~ [5]

将上下拉状态设置为Reserved（这就比较尴尬了~~）

GPJ 4：

将GPJ 4[4]的模式设置为SROM_ADDR_16to22[6]

将上下拉状态也设置为Reserved

最后将SROM0的位宽设置为16 bit

说明：由x210核心板原理图可知，此处的SROM用于连接camera

F. 供电锁存

由于x210使用软开关设计，如果不进行供电锁存，就需要长按power键进行供电。关于供电锁存的具体原理及操作可见体系结构相关笔记

G. 初始化时钟 & DDR

① 判断当前代码运行位置

在进行时钟和DDR初始化之前，首先要判断当前代码的运行位置。如果已经在内存中运行，则说明此时是从睡眠中被唤醒，无需进行时钟和内存初始化（根据实际经验，如果此时重复初始化内存，内存中的数据会丢失，导致程序无法正确运行）

判断的方式还是比较运行地址与链接地址的关系。经过掩码0xff000fff的处理后，

r2 = 0x00e00000

如果此时代码在iRAM中运行，

r1 = 0x00200000（iRAM起始地址位0xd0020010）

注意：此处掩码将地址的低12位清零，即将比较的范围限制在4KB范围内，如果代码运行到此处已超过4KB，判断就会失效（e.g. uboot已经运行在内存中，但是超过4KB，按位与后就会出现如下现象，r2 = 0x00e00000，r1 = 0x00e01000，此时比较会失败，导致内存被错误初始化）

个人认为比较好的判断方法是比较_start标号的运行地址与链接地址

② 时钟初始化

x210时钟配置时的分频系数可配置，目前选择的为High performance方案，分频结果与之前裸机代码相同

最终配置的各时钟如下，

ARMCLK = 1GHz

SCLKA2M = 200MHz

HCLK_MSYS = 200MHz

PCKL_MSYS = 100MHz

HCLK_DSYS = 166MHz

PCLK_DSYS = 83MHz

HCLK_PSYS = 133MHz

PCLK_PSY = 66MHz

CAM0 = 24MHz

CAM1 = 24MHz

说明1：在x210的代码中，设置并使能各PLL后会检查MPLL是否成功锁存，如果锁存失败将重新设置一次时钟

说明2：根据x210官方移植的uboot，移植uboot时需要根据具体的硬件需求设置不同的时钟，比如此处就单独设置了camera时钟

③ DDR初始化

x210 uboot中的DDR初始化的流程和参数与裸机代码中基本一致，只有一处不同，

裸机代码中：

#define DMC0_MEMCONFIG_0 0x20F01323 // MemConfig0 256MB config, 8 banks,MAPPing Method[12:15]0:linear, 1:linterleaved, 2:Mixed

uboot中：

#define DMC0_MEMCONFIG_0 0x30F01313 // MemConfig0 256MB config, 8 banks,Mapping Method[12:15]0:linear, 1:linterleaved, 2:Mixed

该设置造成的差别为，DMC0可以容纳512MB内存，虽然都是使用了其中的256MB，但是，

在裸机代码中，DMC0的256MB内存范围：0x20000000 ~ 0x2fffffff

在uboot中，DMC0的256MB内存范围：0x30000000 ~ 0x3fffffff

说明1：最终uboot使用的物理内存范围如下，

DMC0：0x30000000 - 0x3fffffff

DMC1：0x40000000 - 0x4fffffff

说明2：注意内存配置与时钟配置的关联性，一般先配置时钟，因为在内存配置中会使用到时钟配置的结果

H. 初始化串口

说明1：首先将UART相关的GPIO均配置为UART相关工作模式，此处同时设置了UART 0 ~ 3

说明2：作为uboot控制台的是UART2，格式为8n1，波特率为115200

说明3：串口配置完成后向串口输出字符'O'以验证是否配置成功

I. lowlevel_init返回

说明1：在lowlevel_init函数返回之前，向串口打印字符'K'。根据上文，完成后会打在串口初始化印字符'O'，所以在uboot启动过程中会打印出"OK"。这点与实际开机过程是吻合的

说明2：调用pop {pc}实现函数返回，就是将在lowlevel_init函数起始处入栈的lr弹出赋值给pc

10）代码重定位

说明：此处代码重定位的目的，是将BL2（内容为整个uboot.bin）从iNand或SD卡拷贝到uboot.bin的链接地址处

A. 重新设置栈

说明1：由于在lowlevel_init函数中已经完成DDR初始化，所以此处将栈设置在内存中，而且是以物理地址设置栈（sp = 0x33dffff4）。

说明2：此处设置栈是因为后续要调用movi_bl2_copy函数，而该函数用C语言实现

说明3：该栈的位置在uboot.bin链接地址之前，而ARM中默认使用满减栈，所以后续的BL2拷贝不会影响该栈的工作（理解栈的设置需要注意2点：① 设置栈的目的；② 栈的位置是否合理）

注意：此处只是设置了栈就进入了C函数movi_bl2_copy，并没有清bss段，这是因为该函数中没有使用未初始化或初始化为0的全局变量

B. 判断当前代码运行位置

说明：此处的判断方法与lowlevel_init函数一致，如果当前代码已经在内存中运行（对应睡眠唤醒状态），则无需进行代码重定位

C. 根据启动设备选择拷贝函数

说明1：如果从iRAM Global Variable区域获取当前的启动设备是SD/MMC channel 2，即此时是SD卡启动（second boot），那么跳转到mmcsd_boot标号运行

说明2：此处从INFORM 3寄存器读出启动设备信息，而该信息正是在start.S的起始部分写入的

D. movi_bl2_copy函数分析

说明1：此处代码重定位使用的是iROM中提供的拷贝函数，根据当前的SD/MMC channel从iNand或SD卡拷贝BL2

说明2：拷贝函数参数解析

① channel：拷贝源的SD/MMC channel，通过iROM的Global Variable确定

② start_block：拷贝源要拷贝的起始block数（1 block = 512B）

每个block的大小 = 512B：

eFUSE_SIZE占用block数 = 512 / 512 = 1：

BL1占用block数 = (8 * 1024) / 512 = 16：// 此处可见BL1为8KB

ENV占用block数 = 16384 / 512 = 32：

说明：所以MOVI_BL2_POS（即BL2的起始block数）为 1 + 16 + 32 = 49，这也就和我们烧写SD启动卡时的布局相匹配了~~

③ block_size：要拷贝的block数

说明：MOVI_BL2_BLKCNT可以理解为当前支持的BL2最大长度，此处为512KB，即1024个block

④ trg：拷贝到内存的目的地址

说明：拷贝的目的地址应该是uboot.bin的链接地址，此处需要注意的是，编译uboot.bin时使用的链接地址是虚拟地址0xc3e00000。但是在拷贝时尚未开启MMU，所以仍要使用与链接地址对应的物理地址

⑤ init：拷贝时是否初始化SD卡

小结：SD/MMC中的uboot布局

说明1：目前x210平台的iNand & SD均按此布局，根据之前笔记介绍，无论是iNand还是SD卡，在分区时均空出了前10MB空间，因此后续的分区操作不会破坏启动部分

说明2：MBR和BL1的位置是固定不变的

操作系统会从0扇区读取分区表，所以MBR的位置不能随意指定

S5PV210的iROM会从1扇区读取BL1，所以BL1的位置也不能随意指定

注意：这也就限制了S5PV210平台无法使用gpt分区表，如果要增加分区超过4个，只能使用扩展分区 + 逻辑分区

说明3：ENV和BL2的位置是可配置的，只是修改配置后实现代码重定位的拷贝函数必须做相应的修改

11）使能MMU

关于该部分使能MMU的详细分析，可见体系结构中MMU编程笔记。关键是一旦使能MMU，软件层面就不再有物理地址，只有虚拟地址

需要注意的是，写入CP15 c2寄存器的Translation Table起始地址是物理地址!!!

12）跳转进入第二阶段

A. 重新设置栈

此处设置栈是因为后续要进入uboot的第二阶段，即C语言阶段运行，需要注意的是，

① 由于已经开启了MMU，此次栈的设置使用了虚拟地址

② 此处sp = 0xc3e00000 + (2 * 1024 * 1024) - 0x1000 = 0xc3fff000，该位置距离uboot.bin链接地址约2MB，考虑到目前配置最大支持512KB的BL2，因此该栈的可用空间约1.5MB（这个理解是错误的!!!从0xc3e00000开始的2MB空间内，实际规划了多个内存区块，栈实际只用了512KB，内存布局的具体划分详见下文中的start_armboot函数分析）

小结：uboot中共设置了3次栈，小结如下

① 调用lowlevel_init函数前，iRAM中，物理地址

② 调用movi_bl2_copy函数前，DDR中，物理地址

③ 调用start_armboot函数前，DDR中，虚拟地址

B. 清bss段

说明：清bss段是为了可以安全使用未初始化或初始化为0的全局 & 静态局部变量。需要进行清空操作是因为bss段中仅包含句柄，并不包含实际数据，所以在进入C语言阶段前必须将bss段对应的内存清空

C. 长跳转到start_armboot函数

说明：该长跳转直接跳转到DDR中的start_armboot标号处继续执行，BL2中与BL1重叠的部分将被跳过，不会执行（虽然我们也将其拷贝到DDR中）

至此，uboot启动的第一阶段就结束了，后续的启动流程将由C语言完成~~

2. start_armboot函数解析

1）start_armboot概述

① start_armboot函数构成了uboot启动的第二阶段

② uboot启动第一阶段主要初始化了CPU和SoC片内外设控制器（e.g. 时钟、串口），然后初始化DDR并完成代码重定位，这些都是为运行第二阶段做准备

③ uboot启动第二阶段就是要初始化剩余未被初始化的硬件，主要是SoC外部的硬件（e.g. iNand、网卡芯片）；还要建立uboot本身的相关组件（e.g. uboot命令和环境变量）

最后进入uboot命令行或直接启动linux内核

2）global data & uboot内存布局

A. gd指针赋值

此处给gd指针与gd->bd指针赋值，并且将这2个指针指向的结构体清空。问题是这2个指针是如何定义的呢~~

B. global data结构体分析

① gd声明方式

在board.c头文件包含之后，所有声明之前，调用了DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR宏，该宏在include/asm-arm/global_data.h文件中定义，具体如下，

实际上此处声明了一个gd_t类型的指针变量，

使用volatile修饰：每次到内存中读取，不从cache中读取

使用register修改：建议使用寄存器存储该变量（仅是对编译器的建议）

asm("r8")：如果将该变量存储在寄存器中，则使用r8寄存器

② gd_t结构体分析

说明1：设置global_data类型的目的就是将uboot要用到的全局变量用结构体管理起来，其中存储了全局的系统初始化参数。在uboot中使用该类型需要注意2点，

① 要保持该结构体尽可能小，即设置尽可能少的全局变量

② 在板级配置头文件中定义的CFG_GBL_DATA_SIZE宏值必须大于sizeof(gd_t)，目前x210定义的宏值为128

CFG_GBL_DATA_SIZE宏在多处内存分配的场景会使用到，用于为global data预留空间（额。。。冲突没想象中严重）

说明2：struct global_data字段解析

a. bd_t *bd //指向bd_info结构体

b. unsigned long flags

全局标志位，x210 uboot中可用标志位如下，明显以位或方式使用

c. unsigned long baudrate //串口波特率

d. unsigned long have_console //是否有控制台

e. unsigned long reloc_off

重定位偏移量，即uboot.bin的下载地址与链接地址位置之差，一般为0（即将uboot.bin下载到链接地址处）

f. unsigned long env_addr // 环境变量内容的地址

g. unsigned long env_valid //环境变量CRC校验标志

h. unsigned long fb_base //帧缓冲区基地址

i. void **jt //jump table，最终为一个函数指针数组

说明3：struct bd_info字段解析（板级信息结构体）

a. int bi_baudrate //串口波特率

b. unsigned long bi_ip_addr //IP地址

c. unsigned char bi_enetaddr[6] //MAC地址

d. struct environment_s *bi_env //指向环境变量结构体

e. ulong bi_arch_number //开发板机器码

f. ulong bi_boot_params //uboot给Linux内核传参的内存地址

struct

{

ulong start;

ulong size;

}bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS]

内存配置参数，每个数组成员描述一个内存bank，包含物理起始地址和内存大小

C. uboot内存布局分析

#define CFG_UBOOT_BASE 0xc3e00000

#define CFG_UBOOT_SIZE (2 * 1024 * 1024) //2MB

#define CFG_malloc_LEN (CFG_ENV_SIZE + 896 * 1024) //16KB + 896KB

#define CFG_ENV_SIZE 0x4000 //16KB

#define CFG_STATCK_SIZE 512 * 1024 //512KB

说明1：CFG_MALLOC_LEN中包含了ENV区的16KB空间，内存布局中ENV的16KB与SD卡/iNand的uboot布局是匹配的

说明2：强制类型转换对指针运算的影响

代码中在给gd->bd指针赋值时，先将gd强制转换为char *类型，此处增补一例说明强制类型转换对指针运算的影响（之前的理解有误）

D. 其余主题

① __asm__ __volatile__("": : :"memory")的作用

使用一条空的内嵌汇编，但是将破坏部分指定为memory，这将强制gcc编译器假设所有内存单元均被汇编指令修改，这样CPU中的register和cache中已缓存的内存单元中的数据将作废，CPU将不得不在需要的时候重新读取内存中的数据

这就阻止了CPU使用register和cache中的数据去优化指令，从而避免访问内存

② monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start

_armboot_start为_start标号的链接地址，此处为0xc3e00000 + 0x10（预留的头部信息）

_bss_start为bss段的链接起始地址，而bss段又是整个ELF文件中的最后一个段

3）循环调用初始化函数

uboot中定义了函数类型init_fnc_t，并据此定义了全局的函数指针数组init_sequence，在其中管理了需要在uboot启动第二阶段调用的初始化函数。注意该数组以NULL元素结尾，这将作为遍历数组的判断条件（同时也有利于数组的扩展）

个人：不理解此处为什么是定义函数类型而不是函数指针类型

typedef int (*init_fnc_t)(void)

start_armboot中将会循环调用init_sequence数组中的初始化函数，如果某个函数返回非零值（即执行失败），uboot启动将会hang住

4）初始化函数数组分析

说明：此处仅分析x210 uboot会执行到的函数

A. cpu_init

说明：由于x210的uboot没有使能中断，所以cpu_init相当于空函数。但是需要注意的是，如果使能了中断，中断的栈将设置在_arm_boot_start，即_start标号之前，并不会影响上文中分析的内存布局

但是需要注意中断栈不能覆盖uboot.bin的有效内容（虽然存在这种风险，但是冲突并不严重，毕竟每个中断栈只有4KB）

B. board_init

说明1：gd指针声明

对全局变量的另一种使用方式是在一个源文件中定义，并在头文件中声明，然后在需要使用的源文件中包含该头文件；uboot则采用了通过宏定义在使用时声明变量的方式。

两者相比较，传统方式声明的全局变量将具有文件作用域；uboot方式声明的变量则依据调用点的不同，具有文件或局部作用域

说明2：dm9000_pre_init

该函数完成如下2个任务，

① 设置SROM BANK1的属性（SROM_BW寄存器）与时钟（SROM_BC1寄存器）

② 设置SROM BANK1的CS管脚功能

注意：此处只涉及dm9000网卡与SoC连接用到SROM BANK的初始化，并不涉及dm9000驱动本身。实际在uboot的移植过程中，dm9000驱动是不变的，需要配置的是板级硬件相关的参数

说明3：开发板机器码设置

由于嵌入式设备的高度定制化，其硬件和软件往往是不通用的。因此给每个开发板设置一个唯一编号，即开发板机器码。

此处将开发板机器码存储在gd->bd->bi_arch_number字段，在启动内核时，这些参数会被传递给Linux内核，内核在启动过程中会对比该机器码和内核本身维护的机器码，只有二者匹配时才能顺利启动

注意：从理论上说，开发板机器码不能随便指定，应该提交给开源社区审定。但是在实际使用时，只要uboot与Linux内核中的机器码匹配即可~~

说明4：传递启动参数的地址

uboot向Linux内核传参过程：uboot将要传递的参数（bootargs字符串）存放到指定内存处，然后启动内核。uboot在启动内核时通过r0、r1、r2寄存器传递参数，其中一个就是bi_boot_params，Linux内核根据bi_boot_params就可以找到uboot传递给他的参数

此处将bi_boot_params字段设置为0x30000100，使用的是物理地址（因为启动Linux内核时需要关闭MMU）。

C. interrupt_init

说明1：与中断无关

虽然函数名是interrupt_init，但是本函数与中断并木有什么关系，从实现上看，该函数初始化了PWM模块的Timer 4，定时值为10ms循环工作，且未使能Timer 4中断

注意：PWM模块的Timer 4没有外部引脚，也没有TCMPB寄存器，所以一般作为内部定时器使用。

由于此处没有使用中断，在使用中CPU需要通过轮询的方式实现定时

说明2：将模块相关寄存器组织为结构体

S5PC11X_TIMERS结构体根据地址先后顺序，将PWM的寄存器组织起来使用

说明3：时钟值获取函数

该函数中调用get_PCLK函数获取PCLK_PSYS的时钟值，uboot根据时钟体系结构设置了一系列获取时钟值的函数。由于时钟体系与SoC高度相关，x210 uboot关于时钟获取的函数均在cpu/s5pc11x/s5pc110/speed.c中

以get_PCLK函数为例，时钟值是通过读取寄存器值并依据时钟体系结构计算得到，因此这些函数的适用性非常强

特别注意：此处在设置定时器计数值时是有问题的!!!

从get_PCLK函数的计算流程可知，该函数获取的是PCLK_MSYS，经过打印验证确实如此~~但是PWM Timer4使用的是PCLK_PSYS时钟，因此设置的计数值是错误的。正确的用法是应该调用get_PCLKP函数

D. env_init

说明1：找到正确的env_init函数

uboot代码中有多个env_init函数的实现，而且很多涉及的文件均被编译。之所以会有如此多的实现版本，是因为uboot支持多种启动设备，针对不同的启动设备，需要不同的函数将环境变量读取到内存中。

但是在最终连接的ELF文件中，只能有一个env_init函数的实现，否则就会链接出错。在uboot中是通过CFG_ENV_IS_IN_XXX宏实现控制的，在x210_sd.h中定义如下，

所以当前版本使用的是common/env_auto.c中的env_init

说明2：使用缺省参数初始化环境变量并标识环境变量CRC校验有效

首先说明一下default_environment数组的定义方式，

① 由于定义了CONFIG_S5PC110宏，所以数组形式为，

uchar default_environment[CFG_ENV_SIZE]

实际就是一个16KB的字符数组

② 由于所以环境变量以字符串的形式保存，所以如果配置项为字符串（e.g. CONFIG_BOOTARGS）则直接展开，如果配置项为"数字"（e.g. CONFIG_BOOTDELAY）则调用MK_STR宏实现字符串化

③ 由于default_environment数组定义为全局变量，因此这段16KB的缺省环境变量会被编译进uboot.bin镜像中

说明3：ENV_IS_EMBEDDED机制简介[x210 uboot中并未使用]

如果定义了ENV_IS_EMBEDDED宏，就会使能该机制，该机制的特点就是环境变量存储在.text段

首先说明一下env_t类型，其中个字段含义如下，

crc：环境变量的CRC校验值

flags：标识是否有冗余的环境变量env_t结构体

data：实际存储环境变量的字符数组，数组大小则是16KB - env_t结构头部信息

common/environment.c中定义的environment结构体如下，

① __PPCENV__宏用与指定将environment结构体链接到.text段

② 如果要使用environment结构体中的环境变量，需要定义ENV_CRC宏，且使其具有有效值，否则校验不通过也是无法使用的

③ 如果定义了CFG_ENV_ADDR_REDUND宏，将会紧接着environment结构体定义redundand_environment结构体，作为冗余数据

④ 在env_init中使用tmp_env1和tmp_env2分别指向environment结构和redundand_environment结构，并分别进行校验。

这里需要注意的是env_ptr的赋值方式，environment本身是一个结构体类型变量，对结构体类型变量取下标（相当于解一次引用）算是个什么东东呢 ???

根据在X86上的验证，根本无法编译通过~~（在uboot源码中尚无法测试，因为ENV_IS_EMBEDDED宏只在CFG_ENV_IS_IN_FLASH/NAND时才生效；单独定义ENV_IS_EMBEDDED宏，编译时会报出其他错误）

E. init_baudrate

说明：由于在lowlevel_init函数中已经对串口对应的GPIO和工作模式进行了初始化，此处只是获取串口的波特率信息。

首先尝试在环境变量中查找，如果环境变量中没有，则使用x210_sd.h中的配置值

F. serial_init

说明1：该函数只是简单计数延时，未做其他操作

说明2：完善的serial_setbrg函数是用于设置串口波特率的

G. console_init_f

说明1：该函数只是将gd->have_console字段置为1，即使用控制台

说明2：带_f 后缀的函数

在uboot中，有些初始化需要分段进行，一般加_f 后缀的就是第一阶段初始化（before），加_r 后缀的就是第二阶段初始化（after）

示例：控制台初始化就分为前后两个阶段，因此在start_armboot中会先后调用如下2个函数，

console_init_f

console_init_r

应用场景：有些初始化不能连续完成，中间必须依赖其他部件的初始化

H. display_banner

说明1：该函数实现2个功能，

① 打印uboot版本信息

② 开启LCD背光（x210定制功能）

其中打印的字符串为，

version_string中的U_BOOT_VERSION宏定义在include/version_autogenerated.h中，由Makefile在编译过程中生成

说明2：debug函数打印的信息必须定义DEBUG宏才能从串口输出

说明3：控制台目前还没有初始化完成，为何能使用printf函数?

printf函数会调用puts函数，puts函数会根据GD_FLG_DEVINIT（设备是否初始化完成）确定使用哪个输出函数。

如果控制台已经初始化完毕，将会调用fputs函数，该函数会根据当前的句柄（stdin / stdout / stderr）调用不同的hook函数（详见后文分析）。

如果控制台尚未初始化完毕，则直接调用串口输出函数serial_puts，将打印信息输出到串口

说明4：如果不初始化控制台也能使用printf，那为何要使用控制台功能?

控制台是一个软件抽象层，控制台有一套专用的通信函数（e.g. 发送 / 接收函数），但是在实现时他们只是hook点。根据实际hook的输出函数，控制台可以映射到不同的物理设备（比如LCD；或者是另一个串口，即构成一个控制台串口，一个debug串口）

同时还可以在这个软件抽象层上进行优化，比如加入缓冲机制（uboot中可以不用，但是操作系统中需要实现）

说明5：开启LCD背光

说明：该函数将GPF3[5]管脚设置为输出模式，并且输出高电平。根据x210原理图可知，GPF3[5]为LCD的SYS_OE引脚

I. print_cpuinfo

说明1：print_cpuinfo函数用于打印当前各级时钟的配置值

说明2：代码中会对ARMCLK频率的有效性进行检查，有效值范围为设置值的[95%, 105%]

J. checkboard

说明：checkboard也是一个很水的函数，只是打印了开发板型号

K. dram_init

说明：由于lowlevel_init函数中已经对内存进行了初始化，此处只是将2个bank的内存信息（物理起始地址 + 内存大小）记录到gd结构体中

需要注意的是，此处内存大小单位为字节（B）

L. display_dram_config

说明1：该函数用于打印当前开发板内存总量，其中print_size函数会依次尝试当前内存总量等级，然后处理显示内存总量的整数和小数部分

说明2：uboot中的bdinfo命令可以打印gd->bd结构体中的信息，注意其中的env_t字段没赋值，仍为清空后的零值

5）CFG_NO_FLASH宏分析

说明1：此处的FLASH指NorFlash，虽然NandFlash和NorFlash都是Flash，但是一般NandFlash简称为Nand，而不是Flash。（其实和二者出现的先后顺序有关~~）

说明2：当前uboot中没有定义CFG_NO_FLASH宏，因此会调用flash_init & display_flash_config函数

实际上x210开发板并未配置NorFlash，但是如果在x210_sd.h中定义CFG_NO_FLASH宏，会引发其他文件的编译错误。可见保留此处的函数调用，是uboot移植时的遗留问题~~

6）堆内存初始化

说明1：根据上文对uboot内存布局的分析，uboot中维护了一片堆内存，配合uboot自身的管理代码，可以实现在uboot中使用malloc & free函数来申请和释放内存

说明2：mem_malloc_init函数记录堆内存的起始 & 终止地址，并将该段内存清空。需要注意的是，uboot将内存的env段也在malloc段之内，并同时将其清空（存疑：根据分析，下图中的env段和heap段应该对调，后续在代码中确证后会修改）

说明3：uboot中malloc & free的实现在common/dlmalloc.c文件中，需要注意的是实现的函数名并非全是小写。但是经过验证，在代码中调用malloc确实使用的就是该函数。（准确的原因我目前还无法解释~~）

uboot中malloc & free的代码颇有难度，而且学习该段代码也有利于对Linux内核中内存分配的理解，更详细的说明可参考链接中提供的文档。

https://wenku.baidu.com/view/76bf7df9fab069dc502201d1.html

7）开发板特有初始化分析

说明1：开发板特有初始化由CONFIG_X210宏控制，此处实际只运行了mmc_initialize函数

说明2：mmc_initalize函数分析

① 初始化mmc设备链表

uboot中的mmc设备通过双向链表mmc_devices进行管理，同时使用cur_dev_num标识当前mmc设备的个数

② SoC & 板级MMC初始化（MMC controller / host初始化）

uboot中会首先尝试调用板级的MMC初始化函数board_mmc_init，在调用失败的情况下才会调用SoC的MMC初始化函数cpu_mmc_init

之所以MMC有两级初始化函数，是因为有些SoC内部没有SD/MMC控制器，而是使用外界的SD/MMC控制器（e.g. USB接口的读卡器）。

我们使用的S5PV210内部包含SD/MMC控制器，所以board_mmc_init函数始终返回-1（实现方式是将board_mmc_init定义为__def_mmc_init函数的别名弱函数，同时不提供board_mmc_init函数的定义。需要注意的是，虽然cpu_mmc_init函数也被定义为__def_mmc_init函数的别名弱函数，但是代码中提供了cpu_mmc_init函数的定义，所以会调用实际定义的函数）

而cpu_mmc_init主要完成MMC的时钟初始化、GPIO管脚初始化、controller初始化，具体分析见体系结构SD卡编程相关笔记

③ SD卡/iNand芯片初始化

通过向SD卡/iNand芯片发送命令的方式实现初始化

补充：uboot中的SD/MMC实际由Linux内核移植而来，因此借用了分层管理的驱动架构

说明3：打印SD卡容量的语句

此处有2点值得注意，

① mmc->capacity获取的SD卡容量以扇区（512B）为单位

② 此处先除以1024 * 1024，然后再乘以512（1 << 9）；而不是先乘以512再除以1MB。这样处理的好处是可以避免mmc->capacity * 512可能导致的范围越界，这就是细节中体现出的谨慎。

8）env_relocate分析

说明1：分配内存

env_ptr为ent_t类型的结构体指针，具体结构如下，

由于目前没有使用ENV_IS_EMBEDDED功能，所以需要为存储该结构分配内存，此处分配16KB内存，分配的内存地址如下，

说明2：env_relocate_spec函数分析

env_relocate_spec函数会根据INFO3寄存器的值调用不同的拷贝函数，其中INFO3寄存器中保存的是启动设备信息，在start.S中进行设置。

在调用movi_read_env函数之前，会先判断2个魔数的值。这2个魔数来自bank 1内存的前8B，我们将这2个数字dump如下，

需要注意的是，调用movi_read_env函数时使用virt_to_phys获取了虚拟地址对应的物理地址值。此处env_ptr指针指向的是malloc分配的堆内存，地址为0xc3e9c008，这是一个虚拟地址。

在读取环境变量时，默认使用了channel 0，也就是从iNand读取环境变量。读取的范围使用raw_area_control.image[2].start_blk + raw_area_control.image[2].used_blk指定，我们打印出这2个值，

可见这2个值与SD卡 / iNand的布局是匹配的，那么raw_area_control又是个什么结构呢?

raw_area_control是一个raw_area_t类型的结构体，用于管理iNand中的raw区域。根据体系结构SD卡编程相关笔记，我们在分区时空出了SD卡 / iNand的前10MB空间，在这段空间中存储了MBR / BL1 / ENV / BL2。

该结构的初始化由init_raw_area_table函数完成，该函数根据x210_sd.h中的配置项，将raw区域的划分信息保存在raw_area_control结构体中

在x210的uboot中，有效初始化的是image[1] ~ image[5]，从image[6]开始将image中标识raw区域范围的字段置为0

有效初始化的部分列表如下（已通过打印验证），

index	start_blk	used_blk	size	attribute	description
1	1	16	8KB	0x1:BL1	u-boot parted
2	17	32	16KB	0x10:environment area	environment
3	49	1024	512KB	0x2:BL2	u-boot
4	1073	8192	4MB	0x4:kernel	kernel
5	9265	53248	26MB	0x8: root file system	rfs

需要注意的是，虽然此处root file system的空间已经越过了10MB的限制，但是由于实际并未将根文件系统存储在raw area（根据之前的分析，是存储在了mmcblk0p2分区），所以此处维护上的缺陷并不会导致什么问题

从iNand中读出环境变量后，会进行CRC校验，如果校验失败会使用默认值替换从iNand中读取的内容

根据上文分析，default_environment就是保存环境变量默认值的字符数组，在完成环境变量替换后，重写校验值并标识校验成功

总结：环境变量从何而来?

iNand中有32个扇区（16KB）作为环境变量的存储区域，但是在烧写系统时只烧录了uboot、Linux kernel和rootfs，并没有烧录ENV分区。所以当我们在iNand空片上第一次烧写并启动时，ENV分区中为无效数据，uboot在启动过程中会从中读取环境变量，但是校验会失败。此时uboot会使用default_environment数组中的值作为默认环境变量使用。

如果调用了uboot的saveenv命令将当前内存中的环境变量烧写到iNand的ENV分区，下次uboot启动时就能够从ENV分区读取到正确可用的环境变量

注意：x210的uboot是将从iNand读取到的环境变量保存在malloc分配的堆空间，并没有读取到内存布局中的ENV区域!!!

说明3：设置gd->env_addr字段

在env_relocate函数的最后，会将保存环境变量值的数组地址保存在gd->env_addr字段。由于env_ptr->data为字符数组，所以此处可以不进行&操作

当然此处增加&操作，并不会导致指针值的不同，只是指针类型会有不同，

env_prt->data：char *类型

&(env_prt->data)：char (*)[ENV_SIZE]类型

9）确定IP & MAC地址

说明1：IP地址和MAC地址均来自对环境变量的解析，且uboot代码中支持最多2块网卡

说明2：IP地址转换

在获取ip地址时要进行2种转换，首先是将字符串转换成unsigned long类型，然后调用htonl函数实现大小端的转换。

说明3：simple_strtoul函数分析

参数说明：

const char *cp：入参，待解析的字符串

char **endp：出参，用于返回指向解析结束位置的指针

unsigned int base：入参，指定转换进制

进制判断模块：

① 如果以字符'0' 'x'开头，且下一个字符是字母或数字，则为十六进制

② 如果仅以字符'0'开头，且传入的base值为0，则为八进制

③ 如果不是以'0'或'0'和'x'开头，且传入的base为0，则为十进制

转换模块：

转换模块的核心是while条件的判断条件，注意关系运算符< 比逻辑与运算符&&优先级高

isxdigit(*cp) && (value = isdigit(*cp) ? *cp-'0' : (islower(*cp) ? toupper(*cp) : *cp)-'A'+10) < base

首先判断是否是字母或数字，如果是则转换为相应数值，并判断该数值是否小于转换进制

示例：

char *p = "192.168.0.1"

char **end;

调用simple_strtoul(p, &end, 10)，返回值为192，*end指向字符'.'

10）devices_init函数分析

说明1：devices_init函数首先建立设备管理链表，然后根据配置项调用不同的设备初始化函数。uboot中的这种设备驱动管理方式，是从Linux内核的驱动框架衍生而来，并进行了简化

根据x210 uboot的配置，只会调用drv_system_init函数

说明2：设备管理链表分析

此处的设备管理链表结构可以拆分为设备结构和链表结构

① 设备结构device_t

device_t结构用于描述一个设备（此处为统一类型的设备，后文还有分析），根据该结构的注释，结构成员可分为5类：属性部分、start/stop函数、输出函数、输入函数、私有数据指针

② 链表结构ListStruct

该链表采用顺序方式实现，配合 handlerecord结构实现内存管理，下面就ListStructTag的重要字段进行说明，

unsigned char itemList[1]：配合malloc函数，作为可变长数组使用，用于存放实际的设备结构体信息（C99中可以直接用零长度数组）

int percentIncrease + int minNumItemsIncrease：用于指导可变数组的扩张，一个为默认增长的百分比；一个为默认增长的元素个数。在ExpandListSpace函数中，可以通过参数识别不同的扩张策略

int listSize：当前顺序表可容纳的元素个数

int numItems：当前顺序表中的元素个数

int itemSize：每个元素的大小

在devices_init函数中，首先调用ListCreate函数新建设备管理链表，下面就分析一下ListCreate函数的实现，进而更清晰地说明ListStruct的使用方式

可见实际分配的内存是由HandleRecord结构管理的，该结构由指向无类型内存的指针和内存大小组成，NewHandle函数放回的指针类型为void **，数值为指向HandleRecord结构的指针

在ListCreate函数中，将NewHandle返回的void **类型指针强制转换为ListStruct **类型并加以使用。

也就是说在分配和使用的是同一片内存，但是解释的方式不同，通过强制类型转换实现在不同场景的应用（讲真~~这真的不是一种很清晰高明的方法~~尤其是为啥一定要在作为顺序表使用时，强制转换为ListStruct **这个二级指针类型~~，个人觉得一级指针就够用了）

说明3：serial_devices_init函数分析

该函数并未被调用，此处分析仅为说明uboot中的驱动管理框架。

① serial_initialize函数注册串口类设备结构

注意：serial_initialize函数实际也未调用，但是要分析serial_devices_init函数的原理，必须从serial_initialize说起

serial_initialize函数会根据配置注册不同的serial_device结构，其中serial_devices链表就是用于管理uboot中所有注册的串口类设备

② serial_devices_init函数注册统一的设备结构

serial_devices_init函数会遍历serial_devices链表，然后据此构建并注册统一的设备结构。

根据注释，这套驱动管理体系仅用于管理控制台类的设备

说明4：drv_system_init函数分析

drv_system_init函数注册了一个串口设备（使用统一设备类型），使用的hook函数就是串口的输入输出函数

注：目前的uboot中也只注册了这一个控制台类设备

11）jumptable_init函数分析

jumptable_init函数使用global data结构中的void **jt字段构建了函数跳转表，但是，这表在uboot中就没用到过~~

但是我们还是说明一下XF_MAX这个枚举常量，

该枚举类型依靠EXPORT_FUNC宏来实现，该宏通过字符串拼接构成枚举常量值，根据<_exports.h>文件的内容，就是用函数名构成枚举常量值

12）console_init_r函数分析

说明1：控制台初始化的第二阶段

上文已经分析过控制台初始化第一阶段的函数console_init_f，该函数只是标识目前uboot中启用控制台，但并没有给控制台hook任何操作函数；console_init_r函数则是完成这部分操作。

说明2：查找第一个可用的输入输出设备

使用循环在devlist顺序表中查找可用的输入输出设备，此处能找到的也就是drv_system_init函数中注册的serial设备

从该循环的写法可知，当有多个输入输出设备可用时，只有第一个查找到的设备生效

说明3：绑定stdio文件与控制台设备

console_setfile函数用于实现stdio文件（stdin / stdout / stderr）与输入输出设备的绑定，该函数完成3个任务，

① 尝试调用设备的start函数

② 设置stdio文件对应的设备

③ 更新函数跳转表指针

说明4：标识设备初始化完成

在gd->flags中增加GD_FLG_DEVINIT标志，标识设备初始化完毕。此时再调用printf函数，将会调用fputs(stdout, s)实现输出。而fputs函数则是调用stdout文件对应设备中hook的puts函数

说明5：打印stdio文件绑定的设备名

13）enable_interrupts函数分析

说明1：使能 / 关闭中断通过内嵌汇编实现，操作的是CPSR中的I位，是CPU端的中断使能（中断使能分为CPU端、VIC端、中断源端）

由于我们没有定义CONFIG_USE_IRQ宏，所以调用的是一个空函数

说明2：2个enable_interrupts实现

在lib_arm/interrupts.c和cpu/s5pc11x/interrupts.c文件中，均有enable / disable_interrupts函数的实现，经过验证，这2个版本的实现均被编译。最终通过打印验证，被执行的是cpu/s5pc11x/interrupts.c文件中的版本，具体原因我目前还无法解释~~

14）获取loadaddr & bootfile环境变量

说明：将loadaddr & bootfile这2个环境变量的值保存在全局变量中，这2个环境变量与系统启动相关

15）board_late_init函数分析

说明：目前版本中使用的是一个仅return 0的空函数，其他版本会设置bootcmd、bootdelay等环境变量

16）eth_initialize函数分析

说明：此处的eth_initialize仅会调用miiphy_init以初始化MII部件，而初始化的内容只是初始化mii_devs链表，并将current_mii指针置为NULL

关于uboot中网卡编程的具体实现，可参考体系结构相关笔记~~

17）x210_preboot_init函数分析

说明1：x210_preboot_init为x210开发板定制功能，用于在uboot阶段使用LCD显示logo

说明2：相关配置函数

fb_init函数用于设置frame buffer模式

lcd_port_init函数用于初始化与LCD相关的GPIO模式

lcd_reg_init函数用于配置LCD相关功能寄存器

说明3：display_log函数用于在LCD上显示logo，，而logo图像则以全局变量的形式硬编码在uboot代码中。可以通过专门的格式转换工具，将图像转换为显示所需的位图模式

18）check_menu_update_from_sd函数分析

说明1：check_menu_update_from_sd为x210开发板定制功能，用于实现镜像文件的自动烧录（常用于量产SD卡烧录系统）

说明2：工作流程

对SD卡进行分区，将升级镜像放置到SD卡的固定目录中，然后在uboot的启动过程中会检测升级标志位（此处为LEFT按键），如果该按键按下，则进入升级流程；如果该按键没有按下，则继续启动流程

启动流程打印如下，

升级流程打印如下（由于没有准备升级镜像，打印会显示升级失败），

在调用update_all函数升级之前，会先运行uboot命令fdisk -c 0用于给iNand分区，分区结果如下，

分区大小	分区用途
10MB	空出iNand的前10MB空间（目前这部分有MBR、uboot[BL1 & BL2]、Linux kernel）
256MB	CONFIG_PART_SIZE（p1分区）
120MB	SYSTEM_PART_SIZE（p2分区）
100MB	CACHE_PART_SIZE（p3分区）
剩余空间	用户空间（p4分区）

此处之所以将SYSTEM_PART_SIZE分区的大小标红，是因为在x210提供的源代码中，该分区为120MB；但是在提供的刷机镜像中，分区为256MB（实际配套的文件系统镜像也是256MB）

说明3：check_menu_update_from_sd函数分析

此处的检测方式就是将LEFT对应按键的GPIO设置为Input模式，然后读取输入值。当按键按下时，读到的值为0，因此会进入update mode

说明4：update_all函数分析

下面就逐个阶段分析update_all函数如何实现从SD卡升级

① 查找并初始化SD卡

由于是从SD卡中读取镜像进行升级，所以以参数1调用find_mmc_device函数，即查找第2个注册的mmc设备

根据之前的分析，由于iNand使用SD/MMC channel 0，SD卡使用SD/MMC channel 2，所以在smdk_s3c_hsmmc_init函数中对这2个channel进行了注册。由于先注册channel 0，后注册channel 2，因此以参数1查找mmc设备，找到的就是SD卡

② 设置fastboot升级参数

SD卡自动升级借用了fastboot架构，只是数据的来源不同。fastboot是从USB获得数据，而SD卡升级是从SD卡中读取升级镜像

fastboot的升级参数由struct cmd_fastboot_interface结构管理

在update_all函数中会重置interface结构中的3个字段，

nand_block_size = 2048 * 64 = 128KB

transfer_buffer = 0x3e000000

transfer_buffer_size = 0x11000000（272MB）

③ 设置fastboot分区表

fastboot中的分区由struct fastboot_ptentry结构描述，分区表则是一个fastboot_ptentry结构数组

在设置fastboot分区信息了，分为2个部分，

bootloader / kernel / rAMDisk分区是代码中直接设置，类型为FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MOVI_CMD，即uboot的movi命令会操作这些分区

config / system / cache / userdata分区则是从MBR分区表中获得，类型为FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MMC_CMD

④ 读取镜像实现升级

在获取SD的mmc设备结构体，然后在该设备上注册FAT文件系统，最后调用file_fat_read函数读取升级镜像文件。在获取文件后，调用rx_handler实现烧写

⑤ 重启系统

在完成升级后，调用do_reset函数实现重启。do_reset会调用reset_cpu函数，通过向SWRESET寄存器中写入1，实现software reset

至此，uboot启动的第二阶段就完成了，后续就进入main_loop函数实现Linux内核的启动或者进入uboot命令行~~

3. main_loop函数分析

1）配置命令行解析方式

uboot提供了2种命令执行方式，

① cli_simple_loop方式：

通过readline函数读取命令行内容，通过run_command函数执行命令

② hush parser方式

通过setup_file_in_str函数读取命令行内容，通过parse_stream_outer函数执行命令

两种方式的选择由CFG_HUSH_PARSER宏控制，x210 uboot中定义了该宏，因此使用的是hush parser方式（已上机验证）

2）判断是否进入fastboot模式

说明：在启动过程中，有2种情况会使得uboot进入fastboot模式，

① fastboot传输buffer的起始处被设置为"REBOOT-FASTBOOT"字符串

② keyboard按键被按下

此处将用到的GPIO均设置为keyboard模式，代码中共设置了KP_COL[0] ~ KP_COL[7]以及KP_ROW[0] ~ KP_ROW[7]，并同时使能了keyboard中断

由于当前uboot并未使能中断，因此采用轮询的方式检测KP_ROW[7]按键是否按下。

根据底板原理图，x210中只预先安装了KP_KOL[0] ~ KP_KOL[3]。因此，此处的检查不会导致uboot进入fastboot模式

而且fastboot_preboot中的打印与x210启动过程也是符合的~~

3）获取bootdelay & bootcmd

说明1：获取这2个环境变量，是为了后续的自动启动Linux内核做准备。需要注意的是，自动启动内核的流程都是由CONFIG_BOOTDELAY宏控制的，如果不定义该宏，uboot会直接进入命令行。

因此，如果不想进入uboot命令行，而且要立即启动内核，需要将CONFIG_BOOTDELAY宏设置为0，而不是不设置该宏

说明2：如果未能从环境变量中却得bootdelay的值（e.g. uboot启动后删除内存中bootdelay变量），则使用x210_sd.h中定义的宏值

说明3：当前uboot的bootcmd如下，

① 从raw area的kernel分区读取Linux内核并加载到0x30008000处

② 从raw area的rootfs分区读取3MB的根文件系统（意指initrd）并加载到0x30B00000处

③ 调用bootm启动Linux内核同时传递initrd的地址

注意：实际上x210并未使用initrd这一虚拟根文件系统（实际也未烧写raw area的rootfs分区），而是使用了iNand中的system分区作为根文件系统。因此，后文将看到ramdisk的格式校验会失败

4）判断在倒计时前是否有按键按下

说明1：此处会检查在bootdelay的时间内串口是否有输入，如果串口有输入，则打断自动启动Linux内核的流程，进入uboot命令行；如果串口没有输入，则按照bootcmd环境变量的定，启动Linux内核

说明2：abortboot函数分析

① 检测方式

abortboot函数通过检查串口的UTRSTAT寄存器的bit 0，确定串口是否有输入，如果有则标识自动启动被打断

需要注意的是，此处需要将用户的输入读出，否则后续的输入会导致overrun ERROR（详细说明可参考体系结构串口编程笔记~~）

② 延时方式

bootdelay以秒为单位，此处构造循环，每10ms检查一次，连续检查100次后更新一次bootdelay时间值

内外两重循环的检测条件都是：计时/计数没到期 && 串口无输入

③ printf("\b")

'\b'为BS（backspace）退格字符，用于退回到上次打印bootdelay的位置，造成倒计时的效果

说明3：udelay函数分析

udelay函数是实现倒计时的核心函数，其实现就依赖于之前设置的PWM Timer4

实现udelay需要依赖3个全局变量，

time_load_val：初始化Timer 4时的计数值，此处为62500

lastdec：上次读取的TCNTO4的值

timestamp：本次计数已经完成的计数值（递增）

此处理解的关键是Timer计数是递减的，而timestamp计数是递增的，实现二者转化的关键就是全局变量lastdec。通过比较当前TCNTO4的值与lastdec的值，就可以计算出两次访问间已经过去的计数值。

uboot中的get_timer_masked函数用于完成timestamp的计算，其中还处理了计数绕回问题，即TCNTO4当前值 > lastdec时，说明Timer计数值至少归零一次，因此要分2段计算两次访问间经过的计数值，并将该值累加到timestamp中

有了上述基础就不难理解udelay函数了，该函数可以分为3个步骤，

① 根据定时值计算计数值

首先将定时值转换为对应的计数值，CFG_HZ宏定义了1s对应的计数值，因此tmo计算的就是usec us对应的计数值

此处之所以将usec > 1000的情况先除以1000，是防止usec * CFG_HZ计算结果溢出。需要注意的是，usec / 1000会导致精度损失，所以udelay函数并不能实现精确定时

② 根据计数值计算timestamp超时值

根据上文对get_timer_masked的分析，get_timer(0)可以获得当前的时间戳timestamp。在当前timestamp上加上所需计数值就是timestamp超时值，但是此处也要处理绕回问题。此处的绕回问题与之前的不同，get_timer_masked函数的绕回问题是Timer计数器减到0并开始reload计数；此处的绕回问题是记录timestamp的ulong类型溢出，进而发生绕回（即0xffffffff --> 0x0）。

当发生(tmo + tmp + 1) < tmp时，说明timestamp的剩余值已经小于所需计数值，此时的策略是将timestamp清零，重新开始计数。

此处的条件中为什么要"+1"呢? 这主要是为了防止tmp + tmo = 0xffffffff，因为这种情况一旦发生，可能导致永远无法退出循环（如果不能恰好读到timestamp = 0xffffffff时）。

如果tmp + tmo = 0xffffffff，由于判断式是tmp + tmo + 1，所以会进行绕回处理

③ 轮询timestamp并与超时值比较

构造while循环，反复读取当前timstamp，并将至与超时值进行比较。一旦达到超时值，则推出循环，计时结束。

分析至此，uboot要么开始执行bootcmd标识的命令，要么进入命令行。无论进入哪种状态，都是通过bootm命令实现Linux内核的启动。

4. bootm命令详解

1）Linux内核镜像格式

A. 从Image到zImage

根据Linux内核的编译过程打印可以得到如下信息

整理后可得如上图的Linux内核镜像格式关系，

① vmlinux文件是Linux内核编译链接后生成的ELF文件，该文件是不能作为镜像文件烧写的

② Image文件是vmlinux经过objcopy处理之后的纯二进制文件，其关系类似于uboot和uboot.bin

③ 对Image再次进行压缩，并将解压缩文件附加在文件开头，即构成了compress目录下的vmlinux文件（注意：解压缩文件本身是不压缩的!!!）

④ 将compress目录下的vmlinux文件经过objcopy处理为二进制文件，即zImage

此时Linux内核镜像文件已经从最初的78MB减小到3.5MB

B. 从zImage到uImage

uImage镜像格式为uboot制定，与Linux内核本身无关，但是编译内核时使用

make uImage

可以生成uImage镜像，但是需要注意的是，再未安装mkimage工具的情况下，调用make uImage会失败

而制作uImage镜像所需的mkimage工具在编译uboot的过程中，会在uboot的tools目录下生成，该工具的命令如下，

我们将该工具拷贝到/usr/local/bin目录下，即可在Linux内核目录中调用make uImage生成相应镜像

实际上uImage只是在zImage基础上增加了头部信息，供uboot启动时使用（通过文件比较工具可以得到验证~~）

2）uboot支持的Linux内核镜像格式

A. uImage & FIT uImage

uImage & FIT uImage为uboot原生支持的Linux内核镜像格式，上文中已经介绍了uImage，下面简略说明下FIT uImage的构成

FIT uImage的提出是为了适应Linux内核引入的FDT设备树（Flattened Device Tree）。引入FDT后，在编译Linux内核时，不必特意指定具体的架构和SoC，只需告诉内核本次编译需要支持哪些板级的platform即可。最终会生成一个kernel image以及多个和具体开发板相关（e.g. ARCH / SoC）的FDT image（即dtb文件）

为了适应该趋势，uboot在原有uImage的基础上引入了FIT uImage格式，其中的FIT就是flattened image tree的简称。在FIT uImage中包含多个dtb文件，进而可以方便地选择使用哪个dtb文件启动Linux内核

引入FIT uImage后，原先的uImage就被成为Legacy uImage

B. zImage

uboot本身其实不支持zImage格式（可参考uboot官网源代码），但是由于该格式使用简单（比如A10，即使内核使用了设备树，也依然使用zImage格式的Linux内核），在很多uboot的移植版本中均添加了对zImage格式的支持

支持zImage的方式就是按照uImage的格式改造zImage的头部信息，然后跳过原代码中对uImage头部信息的校验，直接设置校验通过，并跳转到do_bootm_linux函数运行（详情见下文分析）

3）头部信息数据结构

A. image_header_t

image_header_t即mkimage工具给zImage增加的64B头部信息，是uImage文件的头部结构

B. bootm_headers_t

bootm_headers_t为调用do_bootm函数时，Legacy & FIT uImage共用的结构，由于x210的uboot并未支持FIT，所以只使用了红框中的部分字段

注意：后续的分析会略过与LMB相关的内容，因为我还没看懂~~

4）zImage镜像文件启动流程

A. 准备bootm_headers_t结构

说明：经过验证，getenv_bootm_low函数将返回bank 0内存的起始地址（0x30000000），getenv_bootm_size函数将返回内存bank 0内存的大小（256MB）

上面2个函数中使用的CONFIG_ARM宏由uboot顶层目录的arm_config.mk提供

B. 改造zImage头信息

说明1：如果bootm命令中包含启动Linux内核的地址（即Linux内核的加载地址），将从命令行获得该地址；否则将使用默认值（load_addr = 0x30000000，可在x210_sd.h中配置）

说明2：验证当前镜像是否为zImage格式

判断zImage镜像 + 36B处的ulong值是否为0x016f2818

说明3：改造zImage头部信息

通过hdr = (image_header_t *)addr，以uImage头部信息的格式来解释zImage头部信息，然后填充相关字段

注意entry point字段调用了ntohl函数，即处理了多字节整型的大小端问题，打印结果如下，

说明4：最后直接标识头部信息验证成功，并跳转到after_header_check标号处继续运行，其间跳过的就是对uImage头部信息的校验

在after_header_check标号处就是根据头部信息中操作系统的类型调用不同的启动函数，此处将调用do_bootm_linux函数，而调用的参数就是do_bootm的参数 + bootm_headers_t结构体

C. 获取bootargs

bootargs为uboot向Linux内核传递的启动参数，此处将用于构建commandline tag

D. 获取Linux内核entry point

说明1：定义函数指针theKernel，该函数指针类型必须符合Linux内核规定的启动方式（后文有详述）。在获得了Linux内核的entry point后，将该值赋给theKernel指针，后续就是利用theKernel指针启动内核

说明2：image_get_ep的由来

uboot源代码中完全没有image_get_ep的实现，通过反汇编发现该标号与image_get_hdr_l相关

我们接着查找image_get_hdr_l，就可以发现image_get_ep的实现方式

#define image_get_hdr_l(ep) \

static inline uint32_t image_get_ep(image_header_t *hdr) \

{ \

return uimage_to_cpu(hdr->ih_ep); \

}

可见此处是利用带参数宏定义了一系列函数，用于取得image_header_t结构体中的各个字段。我们调用的image_get_ep就是调用uimage_to_cpu(hdr->ih_ep)，而uimage_to_cpu实际上只是调用ntohl函数

这也解释了在改造zImage镜像文件头部信息时为什么在赋值ih_ep字段时要调用ntohl函数，实际打印如下。

E. 获取开发板机器码

说明：uboot中首先使用了gd->bd中设置的开发板机器码，然后再尝试从环境变量中获取开发板机器码，且环境变量中的优先级更高

F. 获取ramdisk

说明1：x210的uboot支持使用initrd作为虚拟根文件系统启动，因此需要调用boot_get_ramdisk函数对ramdisk进行校验

目前的bootcmd环境变量为，

bootcmd=movi read kernel 30008000; movi read rootfs 30B00000 300000; bootm 30008000 30B00000

其中的30B00000就是ramdisk的加载地址。但是需要注意2点，

① 此处从iNand中读取的ramdisk实际上是无效的，我们并没有在iNand的相应区域烧写有效的ramdisk镜像（而且从bootargs环境变量分析，当前是使用iNand中的part 2分区作为根文件系统）

② 使用bootm命令时，可以不使用ramdisk文件系统，即可以不加ramdisk加载地址

说明2：boot_get_ramdisk函数分析

从boot_get_ramdisk函数的注释可知，该函数用于获取并校验ramdisk，只有获取到ramdisk但校验失败才会返回1；如果无法获取或获取到并校验成功，则返回0。在获取到并校验成功时，rd_start和rd_end这2个出参将分别存储ramdisk的其实地址和结束地址。

下面简要分析下该函数的流程，

① 检查bootm命令参数

如果使用bootm命令时argc >= 3则说明可能有ramdisk地址参数，其中如果argv[2]为"-"，则说明忽略ramdisk；否则从argv[2]解析ramdisk地址

② 获取并校验ramdisk

由于x210没有使用dataflash，genimg_get_image函数只是将形参值返回。在genimg_get_format函数中，将检查image_header_t类型的image字段，以判断当前Linux内核镜像的格式，如前所述，uboot本身并不支持zImage格式，所以此处返回的格式会导致switch语句进入default分支，这点与启动打印也是匹配的。

也就是说，在目前uboot的逻辑下，只有使用uImage（Legacy & FIT）格式的镜像才能使用ramdisk启动，使用zImage镜像则无法使用initrd机制

G. 建立tag list

Linux内核源码中的Documentation/arm/booting文档介绍了bootloader与内核的通信协议，目前有2种方式：标签列表（tag list）或设备树（device tree），x210 uboot中使用tag list方式

① struct tag介绍

struct tag结构中通过tag_header结构确定当前tag的类型及大小，然后使用联合体囊括可能的tag结构

tag list就是由各个结构拼接组成，其中以ATAG_CORE标识的start_tag开始，以ATAG_NONE标识的end_tag结束（这2个tag是必须的~~）

需要注意的是，bootloader向Linux内核传递参数的方式是由Linux内核确定的，uboot作为bootloader中的一种，要想成功启动Linux内核，必须遵照该结构进行参数传递

以tag list传参为例，uboot必须遵照Linux内核中关于tag list的类型定义传参，Linux内核在启动后才能正确解析并使用这些参数

内核中的相关定义在arch/arm/include/asm/setup.h中，

uboot中的相关定义在include/arm_asm/setup.h中

根据条件编译宏，x210 uboot共建立了如下tag，下面将逐个分析

② setup_start_tag

说明1：params为struct tag类型指针变量，值为bd->bi_boot_params，即要传递给内核的tag list地址。在board_init函数中，该字段被初始化为PHYS_sdram_1 + 0x100，即0x30000100

说明2：tag_size宏分析

tag_size宏实际上计算的是struct tag中的tag_header和当前tag类型的大小之和，注意，此处不能计算struct tag中联合体的大小

同时要注意，此处计算大小的单位是字（4B）而不是字节（B）

说明3：tag_next宏分析

使用tag_next宏可以让params指针越过当前tag的大小，指向下一个可用的位置。此处在进行指针运算时，会将params强制转换为u32 *类型，这也就是计算hdr.size字段时以字为单位的原因

③ setup_memory_tags

此处构造循环，根据内存bank的数量构造memory tag，其中struct tag_mem32结构记录的就是每个内存呢bank的物理起始地址和大小

④ setup_commandline_tag

说明1：如果bootargs为空（commandline指针为NULL或bootargs内容为空字符串）则不会建立commandline tag

说明2：commandline tag大小的计算

由于bootargs字符串的长度可变，所以不能用tag_size宏计算commandline tag的大小

(sizeof (struct tag_header) + strlen (p) + 1 + 4) >> 2

+1：计算\0的空间，strlen返回值不包含\0

+4：除法计算时向上取整

说明3：stuct tag_cmdline中的cmdline数组实际实现了零长度数组的功能

⑤ setup_initrd_tag

initrd tag记录了ramdisk的起始地址和大小，x210 uboot中initrd_start & initrd_end均为0

⑥ setup_mtdpartition_tag

说明1：mtdpartition tag实际是供nand flash使用的分区信息，x210并未使用（如前文分析，x210的SD卡和iNand均使用MBR分区表提供分区信息）

说明2：使用mdtpart可以向内核传递MTD层的分区信息，其实Linux内核中也会维护nand flash的分区信息，这2份信息最好一致。需要注意的是，此处最多只能传递3个分区信息（mtd_part_size数组按定长方式使用）

具体可参见下文：

https://www.cnblogs.com/pengdonglin137/p/4646269.html

⑦ setup_end_tag

说明：end_tag中将hdr.size置为0，即该tag只有头部信息，标识tag list的结束

H. Linux内核启动前清理

① 启动内核对CPU & cp15的要求

CPU：

关闭所有中断

CPU处于SVC模式

cp15：

关闭MMU

I Cache可以关闭也可以打开

D Cache必须关闭

② cleanup_before_linux函数分析

说明：cleanup_before_linux函数完成了如下任务，

a. 关闭中断（CPSR中I & F位置1）

b. 关闭I & D Cache（将cp15控制寄存器的bit 2 & bit 12清零）

c. 使I Cache中数据失效

d. 进行数据同步屏障操作

注意：该函数中并没有关闭MMU

分析：x210中之所以不关闭MMU就启动内核，是因为x210对0x30000000 ~ 0x3fffffff范围内的内存有2组映射关系

其一是0x30000000 ~ 0x3fffffff的线性映射，其二是0xc0000000 ~ 0xcfffffff的高端地址映射。所以使用0x30000000 ~ 0x3fffffff的虚拟地址，也能访问到物理地址0x30000000 ~ 0x3fffffff

I. 启动内核

说明1：由于此前已经将Linux内核entry point的值赋给theKernnel（0x30008000），此处直接以函数指针的方式启动内核

说明2：启动内核的参数

根据ATPCS规范，此处调用theKernel的三个参数将分别使用r0、r1、r2传递。根据Linux内核Documentation/arm/booting文档的要求，启动Linux内核时需要传递的参数如下，

r0 = 0

r1 = 开发板机器码

r2 = tag list在内存中的物理地址

补充：在ARM Linux支持设备树（Device Tree）后，bootloader将dtb的地址放入r2寄存器中。

当然，ARM Linux也支持直接把dtb和zImage绑定在一起的模式（内核ARM_appendED_DTB选项，Use appended device tree blob to zImage），此时r2寄存器就不再需要填充dtb的地址了

5. 总结：Linux启动对bootloader的要求

根据上文的分析，bootloader的设计都是围绕如何启动Linux内核展开的，现在就根据Linux内核Documentation/arm/booting文档，结合整篇笔记的内容，回顾启动ARM Linux内核的内容

1）启动ARM Linux内核需要完成的任务

A. 初始化内存（mandatory）

B. 初始化至少一个串口（optional）

C. 获取开发板机器码（mandatory）

D. 设置tag list（mandatory）

E. 启动Linux内核（mandatory）

2）zImage镜像加载地址要求

A. 推荐将zImage镜像加载到内存起始地址偏移32KB（0x8000）处

这也就是x210将内存加载到0x30008000的原因

B. 内存中zImage镜像之后的16KB将用于存放一级页表

3）其他设置要求

A. 关闭DMA

B. CPU寄存器要求

r0 = 0

r1 = 开发板机器码

r2 = tag list在内存中的物理地址

C. CPU模式要求

关闭所有中断（IRQ & FIQ）

CPU处于SVC模式

D. Cache & MMU

关闭MMU

I Cache可以关闭也可以打开

D Cache必须关闭

E. bootler直接跳转到Linux内核的第一条语句开始运行

03. Uboot启动流程详解

uboot

1. start.S解析

1）uboot入口分析

2）头文件包含

3）启动代码的16B头部信息

4）构建异常向量表

5）重要的变量定义

6）设置SVC模式

7）设置cache & MMU

A. bl disable_l2cache

B. bl set_l2cache_auxctrl_cycle

C. bl enable_l2cache

D. invalidate L1 I/D

E. disable MMU and caches

8）识别 & 保存启动设备信息

9）调用lowlevel_init

A. 栈的设置

B. 检查复位状态

C. 释放IO的保持状态

D. 关闭看门狗

E. SROM相关GPIO管脚设置

F. 供电锁存

G. 初始化时钟 & DDR

H. 初始化串口

I. lowlevel_init返回

10）代码重定位

A. 重新设置栈

B. 判断当前代码运行位置

C. 根据启动设备选择拷贝函数

D. movi_bl2_copy函数分析

11）使能MMU

12）跳转进入第二阶段

A. 重新设置栈

B. 清bss段

C. 长跳转到start_armboot函数

2. start_armboot函数解析

1）start_armboot概述

2）global data & uboot内存布局

A. gd指针赋值

B. global data结构体分析

C. uboot内存布局分析

D. 其余主题

3）循环调用初始化函数

4）初始化函数数组分析

A. cpu_init

B. board_init

C. interrupt_init

D. env_init

E. init_baudrate

F. serial_init

G. console_init_f

H. display_banner

I. print_cpuinfo

J. checkboard

K. dram_init

L. display_dram_config

5）CFG_NO_FLASH宏分析

6）堆内存初始化

7）开发板特有初始化分析

8）env_relocate分析

9）确定IP & MAC地址

10）devices_init函数分析

11）jumptable_init函数分析

12）console_init_r函数分析

13）enable_interrupts函数分析

14）获取loadaddr & bootfile环境变量

15）board_late_init函数分析

16）eth_initialize函数分析

17）x210_preboot_init函数分析

18）check_menu_update_from_sd函数分析

3. main_loop函数分析

1）配置命令行解析方式

2）判断是否进入fastboot模式

3）获取bootdelay & bootcmd

4）判断在倒计时前是否有按键按下

4. bootm命令详解

1）Linux内核镜像格式

A. 从Image到zImage

B. 从zImage到uImage

D. in validate L1 I/D