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如何实现Cortex-A9uboot启动代码

小编给大家分享一下如何实现Cortex-A9 uboot启动代码，希望大家阅读完这篇文章之后都有所收获，下面让我们一起去探讨吧！

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一、uboot

1. 概念

U-Boot  是一个主要用于嵌入式系统的引导加载程序，可以支持多种不同的计算机系统结构，包括PPC、ARM、AVR32、MIPS、x86、68k、Nios与MicroBlaze。这也是一套在GNU通用公共许可证之下发布的自由软件。

U-Boot不仅仅支持嵌入式Linux系统的引导，它还支持NetBSD, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS,  android嵌入式操作系统。其目前要支持的目标操作系统是OpenBSD, NetBSD, FreeBSD,4.4BSD, Linux, SVR4, Esix,  Solaris, Irix, SCO, Dell, NCR, VxWorks, LynxOS, pSOS, QNX, RTEMS, ARTOS,  android。

2. uboot基本功能

U-Boot可支持的主要功能列表：

  • 系统引导支持NFS挂载、RAMDISK(压缩或非压缩)形式的根文件系统;支持NFS挂载、从FLASH中引导压缩或非压缩系统内核;

  • 基本辅助功能强大的操作系统接口功能;可灵活设置、传递多个关键参数给操作系统，适合系统在不同开发阶段的调试要求与产品发布，尤以Linux支持最为强劲;支持目标板环境参数多种存储方式，如FLASH、NVRAM、EEPROM;

  • CRC32校验可校验FLASH中内核、RAMDISK镜像文件是否完好;

  • 设备驱动串口、SDRAM、FLASH、以太网、LCD、NVRAM、EEPROM、键盘、USB、PCMCIA、PCI、RTC等驱动支持;

  • 上电自检功能SDRAM、FLASH大小自动检测;SDRAM故障检测;CPU型号。

3. 常用命令

uboot命令比较多，下面只列举网络启动要用到的命令：

如何实现Cortex-A9 uboot启动代码

4. 配置参数举例

以下以网络下载内核、网络挂载nfs为例。

1)ubuntu环境

ubuntu ip：192.168.6.186

nfs配置：

配置文件如下：

/etc/exports

配置信息如下：

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nfs

2)开发板设置

开发板ip：192.168.6.187

配置命令：

setenv ipaddr 192.168.6.187      ;板子的ip setenv serverip 192.168.6.186    ;虚拟机的ip setenv gatewayip 192.168.1.1     ;网关 saveenv                          ;保存配置

加载内核和设备树

setenv bootcmd tftp 41000000 uImage\;tftp 42000000 exynos4412-fs4412.dtb\;bootm 41000000 - 42000000

bootcmd：uboot2启动之后，首先先执行找到这个参数，执行后面的命令。

从tftp服务器下载内核镜像uImage到地址41000000，设备树文件exynos4412-fs4412.dtb到42000000，并通过命令bootm加载启动内核。

  • 挂载nfs

setenv bootargs root=/dev/nfs nfsroot=192.168.6.186:/rootfs rw console=ttySAC2,115200 init=/linuxrc ip=192.168.6.187

挂载nfs文件系统

  • root=/dev/nfs

  • nfsroot=192.168.6.186:/rootfs nfs服务器地址192.168.6.186，目录为/rootfs，

  • rw 文件系统操作权限为可续写

  • console=ttySAC2,115200 串口名称和波特率

  • init=/linuxrc 内核启动后运行的进程为linuxrc

  • ip=192.168.6.187 开发板地址

二、exynos-4412 Soc 启动顺序

要想了解exynos-4412的启动顺序，我们首先需要了解该soc的内存布局。

1. exynos-4412内存布局

通常一款soc的内存在厂家设计的时候就已经规定死了，对于使用者来说，我们无法改变。

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我们只关心和启动相关的一个地址，

  1. 鸿蒙官方战略合作共建——HarmonyOS技术社区

  2. iROM 在soc内部，出厂时厂家固化了特定的程序，iROM中程序对应用户来说不可改变

  3. iRAM 在soc内部，速度较快，但空间不大

  4. DMC RAM控制器，位于SOC内部，用于驱动RAM，大容量的RAM都需要连接到该控制器

2. Booting Sequence

不同的厂家的启动顺序是不太一样的，本篇主要以三星的exynos-4412 soc为基础，讲解该基于该板子的uboot启动顺序。

如何实现Cortex-A9 uboot启动代码

根据上图，系统启动的大概顺序：

  • iROM在SOC内部，是一个64KB的ROM，他树池化一些系统启动必须的功能。比如：时钟、栈。

  • iROM负责从特殊的启动外设加载BL1的image到soc内部的256KB的SRAM中。启动的外设由操作按钮来决定的。根据不同按键的值，iROM将会对bl1  的image做不同的校验。

  • BL1初始化系统时钟和DRAM控制器，然后从启动外设加载OS image到DRAM中。根据启动按钮的值的不同，BL1会对OS做不同的校验。

  • 启动完成之后，BL1跳转到操作系统(kernel)。

iROM会根据OM 引脚的不同选择不同的启动设备，对应的OM寄存器需要提供对应的启动信息。

三、内核启动流程概述

1. 内核启动流程 概述

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uboot启动流程

如上图所示：

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  2. 设备上电之后，先执行iROM中的出厂代码，先进行必要硬件的初始化 去执行uboot，

  3. 通常把kernel、设备树文件放到flash中

  4. 程序启动之后，往往先从flash启动，运行uboot

  5. 第一步：先进行硬件的初始化(svc模式栈、clock、内存、串口)  第二步：自搬移：把uboot从flash中拷贝到RAM中，跳转到RAM中执行剩下的uboot代码

  6. 第三步：把内核拷贝到RAM中，执行内核，把控制权交给内核。

2. 内核启动详细流程

如何实现Cortex-A9 uboot启动代码

开发板从上电到启动内核的过程

四、uboot启动流程代码详解

1. lds文件

要想了解uboot整个项目的代码流程，必须首先了解链接脚本【链接脚本参考《7. 从0开始学ARM-GNU伪指令，lds使用》】。

该文件决定了uboot最终生成的镜像文件，各个段的布局。

uboot链接脚本如下：

u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/u-boot.lds

文件内容：

26 OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")  27 OUTPUT_ARCH(arm)  28 ENTRY(_start)  29 SECTIONS  30 {  31     . = 0x00000000;  32   33     . = ALIGN(4);  34     .text :  35     {  36         __image_copy_start = .;  37         CPUDIR/start.o (.text*)  38         *(.text*)  39     }  40   41     . = ALIGN(4);  42     .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }  43   44     . = ALIGN(4);  45     .data : {  46         *(.data*)  47     }  48   49     . = ALIGN(4);  50   51     . = .;  52   53     . = ALIGN(4);  54     .u_boot_list : {  55     #include   56     }  57   58     . = ALIGN(4);  59   60     __image_copy_end = .;  61   62     .rel.dyn : {  63         __rel_dyn_start = .;  64         *(.rel*)  65         __rel_dyn_end = .;  66     }  67   68     .dynsym : {  69         __dynsym_start = .;  70         *(.dynsym)  71     }  72   73     _end = .;  74   75     /*  76      * Deprecated: this MMU section is used by pxa at present but  77      * should not be used by new boards/CPUs.  78      */  79     . = ALIGN(4096);  80     .mmutable : {  81         *(.mmutable)  82     }  83   84     .bss __rel_dyn_start (OVERLAY) : {  85         __bss_start = .;  86         *(.bss*)  87          . = ALIGN(4);  88         __bss_end__ = .;  89     }  90   91     /DISCARD/ : { *(.dynstr*) }  92     /DISCARD/ : { *(.dynamic*) }  93     /DISCARD/ : { *(.plt*) }  94     /DISCARD/ : { *(.interp*) }  95     /DISCARD/ : { *(.gnu*) }  96 }  97

核心内容解释：

27 OUTPUT_ARCH(arm)       :    该镜像运行在arm架构的硬件上 28 ENTRY(_start)          :    程序的入口是 _start 29 SECTIONS 30 { 31  . = 0x00000000;      :   程序的链接地址，不是运行地址【uboot一定是位置无关码】 34     .text : 35     { 36         __image_copy_start = .;    : 宏对应整个程序编译好后首地址，自搬移代码的初始位置 37         CPUDIR/start.o (.text*)    : 第一个目标文件CPUDIR/start.o中的代码段 38         *(.text*)                  : 剩下的目标文件的代码段 39     } 60     __image_copy_end = .;          : 自搬移代码的结束为止

BSS全局未初始化变量、全局初始化为0的变量所在的段：

84     .bss __rel_dyn_start (OVERLAY) : {  85         __bss_start = .;  88         __bss_end__ = .;  89     }

2. uboot启动代码流程概要

代码只分析到uboot命令行，函数main_loop()位置。

如何实现Cortex-A9 uboot启动代码

3. 启动代码详细分析

_start入口位于以下文件：

u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/armv7/start.S

第一阶段：

 如何实现Cortex-A9 uboot启动代码

第二阶段

第二阶段代码从_main开始:

如何实现Cortex-A9 uboot启动代码

以上代码详细解释，请结合B站视频同步学习。

五、uboot启动的几个关键知识点

1.如何判断第一条机器指令的位置?

链接脚本决定了内存的布局。

uboot链接脚本如下：

u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/u-boot.lds

文件内容：

28 ENTRY(_start) 29 SECTIONS 30 { 31     . = 0x00000000; 32

uboot的入口是_start

链接地址是0x00000000

2.uboot如何搬运代码?

代码位于：

u-boot-2013.01/arch/arm/cpu/armv7/start.S

搬移代码如下：

ENTRY(relocate_code)  mov r4, r0 /* save addr_sp */  mov r5, r1 /* save addr of gd */  mov r6, r2 /* save addr of destination */   adr r0, _start  cmp r0, r6  moveq r9, #0  /* no relocation. relocation offset(r9) = 0 */  beq relocate_done  /* skip relocation */  mov r1, r6   /* r1 <- scratch for copy_loop */  ldr r3, _image_copy_end_ofs  add r2, r0, r3  /* r2 <- source end address     */  copy_loop:  ldmia r0!, {r9-r10}  /* copy from source address [r0]    */  stmia r1!, {r9-r10}  /* copy to   target address [r1]    */  cmp r0, r2   /* until source end address [r2]    */  blo copy_loop

详情参考第四章，第3节。

3.uboot中，如何判断此次开机是从断电状态开机还是从休眠状态启动的?

board/samsung/fs4412/lowlevel_init.S

代码如下：

41   lowlevel_init: 54     /* AFTR wakeup reset */ 55     ldr r2, =S5P_CHECK_DIDLE 56     cmp r1, r2 57     beq exit_wakeup 58  59     /* LPA wakeup reset */ 60     ldr r2, =S5P_CHECK_LPA 61     cmp r1, r2 62     beq exit_wakeup 63  64     /* Sleep wakeup reset */ 65     ldr r2, =S5P_CHECK_SLEEP 66     cmp r1, r2 67     beq wakeup_reset  112 wakeup_reset: 113     bl system_clock_init 114     bl mem_ctrl_asm_init 115     bl tzpc_init 116  117 exit_wakeup: 118     /* Load return address and jump to kernel */ 119     ldr r0, =(EXYNOS4_POWER_BASE + INFORM0_OFFSET) 120  121     /* r1 = physical address of exynos4210_cpu_resume function */ 122     ldr r1, [r0] 123  124     /* Jump to kernel*/ 125     mov pc, r1

由上可知，当手机因为各种原因进入休眠时，会将当前程序执行的上下文保护起来，并向一些pmic的寄存器中写入指定的数据，以表明此次是因为何种原因进入休眠。

而手机并没有完全断电，而是处于一个低功耗模式下，此时启动RAM仍然有数据，所以在此启动后，只需要从特殊的寄存器中读取相应的值，就可以知道之前是因为什么原因休眠，进而回复休眠之前的上下文即可。

3.uboot代码搬到ram之后，代码的运行地址发生了变化，如何保证程序跳转不会出错?

除了要保证uboot代码是基于地址无关的，此外.rel.dyn帮我们解决了，其实主要还是编译器帮我们做了很多工作。

位置无关码参考《15. 从0学ARM-什么是位置无关码?》

4.设备启动的时候，有可能直接从ram启动， 如何知道当前是从flah启动还是ram启动的?

文件：

board/samsung/fs4412/lowlevel_init.S

代码：

lowlevel_init:

85     /*  86      * If U-boot is already running in ram, no need to relocate U-Boot.  87      * Memory controller must be configured before relocating U-Boot  88      * in ram.  89      */  90     ldr r0, =0x0ffffff      /* r0 <- Mask Bits*/  91     bic r1, pc, r0      /* pc <- current addr of code */  92                     /* r1 <- unmasked bits of pc */  93     ldr r2, _TEXT_BASE      /* r2 <- original base addr in ram */  94     bic r2, r2, r0      /* r2 <- unmasked bits of r2*/  95     cmp r1, r2          /* compare r1, r2 */  96     beq 1f          /* r0 == r1 then skip sdram init */

原理：RAM地址空间是：0x40000000-0xA0000000 0xA0000000-0x00000000  而iROM/iRAM地址的bit:28-31均是0,所以只需要读取出执行到lowlevel_init时pc的值，判断其bit:28-31是否是0即可知道现在代码是否运行在RAM中。

看完了这篇文章，相信你对“如何实现Cortex-A9 uboot启动代码”有了一定的了解，如果想了解更多相关知识，欢迎关注创新互联行业资讯频道，感谢各位的阅读！


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