轉自： http://www.cnblogs.com/heaad/archive/2010/07/17/1779829.html
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 |
|
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 |
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×
)
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
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
1.1.3 U-Boot 啓動 Linux 過程
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 *images)
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))images->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))images->ep;
… …
128 theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params);
第 73 行代碼將內核的入口地址 “images->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。
1.1.4 U-Boot 添加命令的方法及 U-Boot 命令執行過程
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。
