基于S3C2440的U-BOOT的start.S分析

在了解了ARM相关的汇编指令后，同时结合网上各位大虾的提点开始阅读u-boot的启动代码，现将分析过程记录如下
可执行文件及内存映射
我们可以把可执行文件分为2种情况：存放态和运行态
1.存放态：可执行文件经过烧到存储介质上（flash或磁盘）的分布，此时可执行文件通常有2部分组成，代码段和数据段，代码段又分为可执行代码段 （.text）和只读数据段（.rodata）,数据段可以分为初始化数据段（.data）和未初始化代码段（.bss），如下：
+-------------+-----------
| .bss        | （ZI）
+-------------+-- 数据段
| .data    | （RW）
+-------------+-----------
| .rodata     |
|_____________| 代码段（RO）
| .text    |
+-------------+-----------
2.运行态：可执行文件经过装载后就变成为运行态，
当可执行文件装载后, 在RAM中的分布如下：
| ...       |
+-------------+-- ZI段结束地址
| ZI 段    |
+-------------+-- ZI段起始地址
| 保留区2     |
+-------------+-- RW段结束地址
| RW 段    |
+-------------+-- RW段起始地址
| 保留区1     |
+-------------+-- RO段结束地址
| RO 段    |
+-------------+-- RO段起始地址
所以装载过程必须完成把可执行文件的各个段搬移到RAM的指定位置，这个装载过程则是由启动程序来完成的。而可执行代码在RAM中的地址则是由链接脚本来指定的。
一个可执行的image必须有一个入口点，并且只能有一个全局入口点，所以要通知编译器这个入口在哪里。这个是有链接脚本来实现的，由此我们可以找到程序 的入口点是在 /board/lpc2210/u-boot.lds中指定的，其中ENTRY(_start)说明程序从_start开始运行，而他指向的是cpu /arm7tdmi/start.o文件。因为我们用的是ARM7TDMI的cpu架构，在复位后从地址0x00000000取它的第一条指令，所以我们 将Flash映射到这个地址上，这样在系统加电后，cpu将首先执行u-boot程序。
ARM在CPU加电复位后是从0x0000地址开始取指，因此在零地址需要放置第一条启动代码。默认情况下，程序的链接器是把0x8000作为映像的入口 点（取指的第一条指令的位置），因此 需要对映像链接定位，即重定位映像段的存放，包括代码段、数据段、零区等，对整个系统的代码做正确的定位，这些规则通常写成链接脚本。链接脚本就是提供了 一种把代码段和数据段放在不同存储器定位。
我们的只读代码和数据是固化在ROM中（通常在0x0000），但是在执行的时候想在RAM区运行（优化系统，使性能发挥最大），就需要链接定位。链接器告诉了随机存储器从哪里开始。

Load View：代码编译链接的一个组织情况
Execute View：代码正确执行的空间组织
启动过程的C部分
1. 初始化MMU
2.初始化外部端口
3. 中断处理程序表初始化
4. 串口初始化
5. 其它部分初始化(可选)
6. 主程序循环
于是我们可以在链接脚本中找到映像的加载地址，也即程序的入口点。/board/s3c2410/U-boot.lds
OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
/*OUTPUT_FORMAT("elf32-arm", "elf32-arm", "elf32-arm")*/
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
. = 0x00000000; /*映像的入口点，通常链接器将此地址定位到ROM的0x0地址，必须使编译器知道这  
个地址*/
. = ALIGN(4);
.text    :
{
cpu/arm920t/start.o (.text)
*(.text)
}
. = ALIGN(4);
.rodata : { *(.rodata) }
. = ALIGN(4);
.data : { *(.data) }
. = ALIGN(4);
.got : { *(.got) }
. = .;
__u_boot_cmd_start = .;
.u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
__u_boot_cmd_end = .;
. = ALIGN(4);
__bss_start = .;
.bss : { *(.bss) }
_end = .;
}
从上面可以看出，链接脚本指定了代码段从0x00000000开始，而代码段最开始链接的就是cpu/arm920t/start.o。于是可以知道在CPU加电复位后程序首先是从cpu/arm920t/start.S开始的。
1．Stage1：cpu/arm920t/start.S
当系统启动时, ARM CPU会跳到0x00000000去执行。一般BootLoader都包括如下几个部分：
1. 建立中断向量异常表
2. 显示的切换到SVC且32指令模式
3. 关闭S3C2410的内部看门狗
4. 禁止所有的中断
5. 配置系统时钟频率和总线频率
6. 设置内存区的控制寄存器
7. 初始化中断
8. 安装中断向表量
9. 把可执行文件的各个段搬到运行态的各个位置
10. 跳到C代码部分执行
具体分析如下：
/*复位时0地址是ROM区，从0x0到0x20分配了ARM的中断向量表*/
.globl _start
_start: b    reset   /*0x0,正常情况下，系统reset后进入的入口，驻留于0x0地址，机器码为EA0000XX*/
ldr pc, _undefined_instruction /*0x4,未定义指令，系统出错处理的入口*/
ldr pc, _software_interrupt /*0x8，软中断，monitor程序的入口*/
ldr pc, _prefetch_abort /*0x0c，预取失败错误*/
ldr pc, _data_abort    /*0x10，取数据失败错误（通常是保护现场，然后do nothing）*/
ldr pc, _not_used        /*0x14保留*/
ldr pc, _irq          /*0x18，快速中断请求 */
ldr pc, _fiq          /*0x1c，处理原理与irq相同，所有的硬件中断源共用一个通道来进行IRQ或FIQ */
_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
/*.将地址对其到16的倍数，如果PC跳过4字节才是16的倍数，则用0xdeadbeef填充，如果只跳过了1，2，3个字节则填充不确定，如果PC是16的倍数，则什么也不做*/
***************************************************************
* 当一个异常出现以后，ARM会自动执行以下几个步骤：
* (1) 把下一条指令的地址放到连接寄存器LR(通常是R14)，这样就能够在处理异常返回时从正确的位置继续执行。
* (2) 将相应的CPSR(当前程序状态寄存器)复制到SPSR（备份的程序状态寄存器）中。从异常退出的时候，就可以由SPSR来恢复CPSR。
* (3) 根据异常类型，强制设置CPSR的运行模式位。
* (4) PC（程序计数器）被强制成相关异常向量处理函数地址，从而跳转到相应的异常处理程序中。
*
* 当异常处理完毕后，ARM会执行以下几步操作从异常返回：
* (1) 将连接寄存器LR的值减去相应的偏移量后送到PC中
* (2) 将SPSR复制回CPSR中
* (3) 若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除
上述代码即碰到异常时，PC会被强制设置为对应的异常向量，从而跳转到
相应的处理程序，然后再返回到主程序继续执行。
******************************************************************
/*
*************************************************************************
*
* Startup Code (reset vector)
*
* do important init only if we don't start from memory!
* relocate armboot to ram
* setup stack
* jump to second stage
*
*************************************************************************
*/
/*保存变量的数据区*/
_TEXT_BASE:
.word TEXT_BASE
.globl _armboot_start
_armboot_start:
.word _start
/*
* These are defined in the board-specific linker script.
*/
.globl _bss_start
_bss_start:
.word __bss_start
.globl _bss_end
_bss_end:
.word _end
#ifdef CONFIG_USE_IRQ
/* IRQ stack memory (calculated at run-time) */
.globl IRQ_STACK_START
IRQ_STACK_START:
.word 0x0badc0de
/* IRQ stack memory (calculated at run-time) */
.globl FIQ_STACK_START
FIQ_STACK_START:
.word 0x0badc0de
#endif
/*****************************************************/
上述代码主要是用于保存一些全局变量，用于启动程序将代码从flash
拷贝到RAM或其他使用。有一些变量的值是通过链接脚本得到的，如
TEXT_BASE位于/u-boot-1.1.6/board/xxx(开发板目录名称)/config.mk
* 文件里。__bss_start、_end位于/u-boot-1.1.6/board/xxx(开发板目录名称)
/u-boot.lds文件里，具体值是由编译器算出来的。
/********************************************************/
/*
* the actual reset code
*/
reset:
/*
* set the cpu to SVC32 mode ,在进入时将CPSR设置为监控模式，退出后改为用户模式
* 运行模式位为：10011（svc mode)
*/
mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#0x1f //r0=r0 AND (!0x1f），屏蔽所有中断，为中断提供服务通常是OS的设备驱动的责任，在bootloader执行中不需要中断
orr r0,r0,#0xd3 //逻辑或
msr cpsr,r0     //svc mode
/**************************************************************************/
*设置cpu运行在SVC32模式。ARM共有7种模式:
* 用户模式(usr)： arm处理器正常的程序执行状态
* 快速中断模式(fiq)： 用于高速数据传输或通道处理
* 外部中断模式(irq)： 用于通用的中断处理
* 超级保护模式(svc)： 操作系统使用的保护模式
* 数据访问终止模式(abt)： 当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护
* 系统模式(sys)： 运行具有特权的操作系统任务
* 未定义指令中止模式(und)： 当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真
* 通过设置ARM的CPSR寄存器，让CPU运行在操作系统保护模式，为后面进行其它操作作好准备了。
*************************************************************************/
/* turn off the watchdog */
#if defined(CONFIG_S3C2400)
# define pWTCON        0x15300000
# define INTMSK        0x14400008 /* Interupt-Controller base addresses */
# define CLKDIVN 0x14800014 /* clock divisor register */
#elif defined(CONFIG_S3C2410)
# define pWTCON        0x53000000
# define INTMSK        0x4A000008 /* Interupt-Controller base addresses */
# define INTSUBMSK 0x4A00001C
# define CLKDIVN 0x4C000014 /* clock divisor register */
#endif
#if defined(CONFIG_S3C2400) || defined(CONFIG_S3C2410)
ldr     r0, =pWTCON
mov     r1, #0x0
str     r1, [r0]     //各个硬件还未就绪，关闭看门狗
/*
* mask all IRQs by setting all bits in the INTMR - default
*/
mov r1, #0xffffffff
ldr r0, =INTMSK
str r1, [r0]
# if defined(CONFIG_S3C2410)
ldr r1, =0x3ff
ldr r0, =INTSUBMSK
str r1, [r0]
# endif
/* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 */ //FCLK用于CPU，HCLK用于AHB，PCLK用于APB
/* default FCLK is 120 MHz ! */
ldr r0, =CLKDIVN
mov r1, #3
str r1, [r0]
#endif /* CONFIG_S3C2400 || CONFIG_S3C2410 */
/*初始化代码在系统重启的时候调用，运行时热复位从RAM中启动不执行
* we do sys-critical inits only at reboot,
* not when booting from ram!
*/
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
bl cpu_init_crit //初始化CPU
#endif
#ifndef CONFIG_SKIP_RELOCATE_UBOOT
relocate:             /* 重定位 U-Boot 到 RAM */
adr r0, _start        /* r0

/* 初始化堆栈        */
stack_setup:
ldr r0, _TEXT_BASE        /* upper 128 KiB: relocated uboot */
sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* malloc area                   */
sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* bdinfo                      */
#ifdef CONFIG_USE_IRQ
sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif                  
sub sp, r0, #12        /* leave 3 words for abort-stack */
/*得到最终sp的值*/
clear_bss:
ldr r0, _bss_start        /* find start of bss segment        */
ldr r1, _bss_end        /* stop here                      */
mov     r2, #0x00000000        /* clear                         */
clbss_l:str r2, [r0]        /* clear loop...                    */
add r0, r0, #4
cmp r0, r1
ble clbss_l               
/**********************************************************************/
* 已经准备好了堆栈，就可跳到C写的代码里了，也就是
* 跳到内存中的/u-boot-1.1.4/board.c --> start_armboot中运行了
* 把_start_armboot地址处的值也就是start_armboot绝对地址值移到pc
* 于是跳到C代码。
/*********************************************************************/
ldr pc, _start_armboot
_start_armboot: .word start_armboot
/*
*************************************************************************
*
* CPU_init_critical registers
*
* setup important registers
* setup memory timing
*
*************************************************************************
*/
cpu_init_crit:
/*
* flush v4 I/D caches
*/
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* flush v3/v4 cache */
/*使I/D cache失效： 协处理寄存器操作，将r0中的数据写入到协处理器p15的c7中，c7对应cp15的cache控制寄存器*/
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* flush v4 TLB */
/*使TLB操作寄存器失效：将r0数据送到cp15的c8、c7中。C8对应TLB操作寄存器*/
/******************************************************************************************************
* MCR 指令用于将ARM 处理器寄存器中的数据传送到协处理器寄存器中，格式为：
* MCR 协处理器编码，协处理器操作码1，源寄存器，目的寄存器1，目的寄存器2，协处理器操作码2。
* 其中协处理器操作码1 和协处理器操作码2 为协处理器将要执行的操作，
* 源寄存器为ARM 处理器的寄存器，目的寄存器1 和目的寄存器2 均为协处理器的寄存器。
******************************************************************************************************/
/*
* disable MMU stuff and caches,禁止MMU和caches
*/
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0   //将c1、c0的值写入到r0中
bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS)
bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM)
orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 2 (A) Align
orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-Cache
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0   //将设置好的r0值写入到协处理器p15的c1、c0中
/*
* before relocating, we have to setup RAM timing
* because memory timing is board-dependend, you will
* find a lowlevel_init.S in your board directory.
*/
mov ip, lr //保存前一个跳转地址，防止下一个跳转将前一个lr地址覆盖
bl lowlevel_init //board/smdk2410/lowlevel_init.S：用于完成芯片存储器的初始化
mov lr, ip
mov pc, lr //返回cpu_init_crit函数
2．Stage2：lib_arm/board.c
此文件是u-boot Stage2部分，入口为Stage1最后调用的start_armboot函数。注意上面最后ldr到pc的是_start_armboot这个地址，而非start_armboot变量。
start_armboot是U-Boot执行的第一个C语言函数，完成如下工作：
1. 初始化MMU
2.初始化外部端口
3. 中断处理程序表初始化
4. 串口初始化
5. 其它部分初始化(可选)
6. 主程序循环
void start_armboot (void)
{
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
//此宏定义了一个gd_t类型的指针 *gd，并指名用r8寄存器来存储：
#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR register volatile gd_t *gd asm ("r8")
ulong size;
init_fnc_t **init_fnc_ptr;
char *s;
/* Pointer is writable since we allocated a register for it     上面那个宏的作用*/
gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));
//
此C语句引用的是start.S中的地址标号_armboot_start，但是得到的却是其中所指的变量_start的值（在RAM中，_start
= 0x33F80000）。 Ps： _armboot_start: .word _start
//gd是全局变量，位置在堆栈区以下(低地址)：
typedef struct global_data {
bd_t *bd;
unsigned long flags;
unsigned long baudrate;
unsigned long have_console; /* serial_init() was called */
unsigned long reloc_off; /* Relocation Offset */   
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 */
#ifdef CONFIG_VFD
unsigned char vfd_type; /* display type */
#endif
#if 0
unsigned long cpu_clk; /* CPU clock in Hz! */
unsigned long bus_clk;
unsigned long ram_size; /* RAM size */
unsigned long reset_status; /* reset status register at boot */
#endif
void **jt; /* jump table */
} gd_t;
/* compiler optimization barrier needed for GCC >= 3.4 */
__asm__ __volatile__("": : :"memory");
memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t));
gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t)); //得到bd的起点
memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));
monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;
/* 顺序执行init_sequence数组中的初始化函数 */
for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
hang ();
}
}
/*配置可用的Flash */
size = flash_init ();        //初始化Nor flash的函数，函数实现在下面
display_flash_config (size); //打印到控制台：Flash: 512 kB
/* _armboot_start 在u-boot.lds链接脚本中定义 */
mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);        //将CFG_MALLOC_LEN区域用memset函数清零（直接往目的地址写0）
/* 配置环境变量，重新定位 */
env_relocate ();        //刚才的初始化函数中有一个是env_init()，根据CRC校验来初始化gd->env_addr变量（自己设定的还是初始值），此函 数是作用是将环境变量值从某个flash和RAM之间的拷贝。下图描述了ENV的初始化过程：

/* 从环境变量中获取IP地址，放到全局变量gd中 */
gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");
/* 以太网接口MAC 地址，放到全局变量gd中*/
{
int i;
ulong reg;
char *s, *e;
uchar tmp[64];
i = getenv_r ("ethaddr", tmp, sizeof (tmp));
s = (i > 0) ? tmp : NULL;
for (reg = 0; reg   6; ++reg) {
gd->bd->bi_enetaddr[reg] = s ? simple_strtoul (s, &e, 16) : 0;
if (s)
s = (*e) ? e + 1 : e;
}
}
devices_init (); /* 获取列表中的设备 */
jumptable_init ();
console_init_r (); /* 完整地初始化控制台设备 */
enable_interrupts (); /* 使能例外处理 */
/* 通过环境变量初始化 */
if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
}
/* main_loop()总是试图自动启动，循环不断执行 */
for (;;) {
main_loop (); /* 主循环函数处理执行用户命令 -- common/main.c */
}
/* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */
}