一．摘要
这篇文章主要对BootLoader（UBoot）的源码进行了分析，并对UBoot的移植略作提及。 BootLoader的总目标是正确调用内核的执行，由于大部分的BoorLoader都依赖于CPU的体系结构。因此大部分的BootLoader都分为两个步骤启动。依赖于CPU体系结构（如设备初始化等）的代码都放在stage1。而stage2一般使用C语言实现，能够实现更加复杂的功能，代码的可移植性也提高。
二．本文提纲
1. 摘要
2. 本文提纲
3. UBoot启动过程
4. Stage1（汇编语言实现）代码分析
5. Stage2（C语言实现）代码分析
6. UBoot移植过程中串口没有显示或者显示乱码的原因
7. 总结
三．UBoot启动过程
UBoot其启动过程主要可以分为两个部分，Stage1和Stage2 。其中Stage1是用汇编语言实现的，主要完成硬件资源的初始化。而Stage2则是用C语言实现。主要完成内核程序的调用。这两个部分的主要执行流程如下：
stage1包含以下步骤：
1. 硬件设备初始化
2. 为加载stage2准备RAM空间
3. 拷贝stage2的代码到RAM空间
4. 设置好堆栈
5. 跳转到stage2的C语言入口点
stage2一般包括以下步骤：
1. 初始化本阶段要使用的硬件设备
2. 检测系统内存映射
3. 将kernel映射和根文件系统映射从Flash读到RAM空间中
4. 为内核设置启动参数
5. 调用内核
四. Stage1（汇编语言实现）代码分析
该阶段主要是在cpu/arm920t/start.S文件中执行，这个汇编程序是U-Boot的入口程序，程序的开头就是复位向量的代码，主要的执行流程见下图。
U-Boot启动代码流程图
start.S代码分析：
（1）主要实现复位向量，设置异常向量表。
_start:
b reset //复位向量
;
;设置异常向量表
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq //中断向量
ldr pc, _fiq //中断向量
（2）复位启动子程序，将CPU设置到SVC模式
/* the actual reset code */
reset:
//复位启动子程序
/* 设置CPU为SVC32模式 */
mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
;
;位清除，将某些位的值置0：r0 = r0 AND ( !0x1f)
orr r0,r0,#0xd3
;
;逻辑或，将r0与立即数进行逻辑或，放在r0中（第一个）
msr cpsr,r0
（3）关闭看门狗
/* 关闭看门狗 */
/* 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]
（4）禁止所有中断，设置CPU频率
/* 禁止所有中断和设置CPU频率 */
/*
* 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
;
;根据硬件手册来设置CLKDIVN寄存器
mov
r1, #
3
;
;用户手册的推荐值
str
r1, [r0]
#endif /* CONFIG_S3C2400 || CONFIG_S3C2410 */
（5）系统重启的时候执行的初始化代码，而不是系统热复位（从RAM中执行）的时候
/*
* we do sys-critical inits only at reboot,
*
not
when booting from
*/
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
bl cpu_init_crit
;
;跳转去初始化CPU
#endif
;
;#ifdef CONFIG_INIT_CRITICAL 原文中的，估计是1.1.16版本的
;
; bl cpu_init_crit
;
;#endif
（6）CPU和RAM两个关键的初始化子程序
函数一： /* 初始化 CPU */
cpu_init_crit:
/*
* flush v4 I/D caches 设置CP15
*/
mov
r0, #
0
mcr p15,
0
, r0, c7, c7,
0
/* flush v3/v4 cache */
;
;使I/D cache失效：将寄存器r0的数据传送到协处理器p15的c7中。C7寄存器位对应cp15中的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
/*
* disable MMU stuff
and
caches 禁止MMU和caches
*/
mrc p15,
0
, r0, c1, c0,
0
;
;先把c1和c0寄存器的各位置0(r0 = 0)
bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits
13
,
9
:
8
(--V- --RS)
bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits
7
,
2
:
0
(B--- -CAM)
;
;这里我本来有个疑问：为什么要分开设置。因为arm汇编要求的立即数格式所决定的
orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit
2
(??) (A) Align
;
;上一条已经设置bit1为0，这一条又设置为1？？
orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit
12
(I) I-Cache
mcr p15,
0
, r0, c1, c0,
0
;
;用上面(见下面)设定的r0的值设置c1？？(cache类型寄存器)和c0(control字寄存器)，以下为c0的位定义
;
;bit8: 0 = Disable System protection
;
;bit9: 0 = Disable ROM protection
;
;bit0: 0 = MMU disabled
;
;bit1: 0 = Fault checking disabled 禁止纠错
;
;bit2: 0 = Data cache disabled
;
;bit7: 0 = Little-endian operation
;
;bit12: 1 = Instruction cache enabled
/* 配置内存区控制寄存器 ？？有待分析，是1.
1
.4版本的
* 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
bl lowlevel_init
;
;位于board/smdk2410/lowlevel_init.S：用于完成芯片存储器的初始化，执行完成后返回
mov
lr, ip
mov
pc, lr
函数二： /* 把 U-Boot 重新定位到 RAM */
relocate:
adr r0, _start /* r0是代码的当前位置 */
;
;adr伪指令，汇编器自动通过当前PC的值算出 如果执行到_start时PC的值，放到r0中：
当此段在flash中执行时r0 = _start =
0
；当此段在RAM中执行时_start = _TEXT_BASE(在board/smdk2410/config.mk中指定的值为0x33F80000，即u-boot在把代码拷贝到RAM中去执行的代码段的开始)
ldr r1, _TEXT_BASE /* 测试判断是从Flash启动，还是RAM */
;
;此句执行的结果r1始终是0x33FF80000，因为此值是又编译器指定的(ads中设置，或-D设置编译器参数)
cmp
r0, r1 /* 比较r0和r1，调试的时候不要执行重定位 */
beq stack_setup /* 如果r0等于r1，跳过重定位代码 */
/* 准备重新定位代码 */
;
;以上确定了复位启动代码是在flash中执行的(是系统重启，而不是软复位)，就需要把代码拷贝到RAM中去执行，以下为计算即将拷贝的代码的长度
ldr r2, _armboot_start
;
;前面定义了，就是_start
ldr r3, _bss_start
;
;所谓bss段，就是未被初始化的静态变量存放的地方，这个地址是如何的出来的？根据board/smsk2410/u-boot.lds内容？
sub
r2, r3, r2 /* r2 得到armboot的大小 */
add
r2, r0, r2 /* r2 得到要复制代码的末尾地址 */
（7）重新定位代码，循环拷贝启动的代码到RAM中
copy_loop:
ldmia {r3-r10} /*从源地址[r0]复制 */
;
;r0指向_start(=0)
stmia {r3-r10} /* 复制到目的地址[r1] */
;
;r1指向_TEXT_BASE(=0x33F80000)
cmp
r0, r2 /* 复制数据块直到源数据末尾地址[r2] */
ble copy_loop
（8）初始化堆栈等
stack_setup:
ldr r0, _TEXT_BASE /* 上面是128 KiB重定位的u-boot */
sub
r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* 向下是内存分配空间 */
sub
r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* 然后是bdinfo结构体地址空间 */
#ifdef CONFIG_USE_IRQ
sub
r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif
;
;这些宏定义在/include/configs/smdk2410.h中：
#define CFG_MALLOC_LEN (CFG_ENV_SIZE +
128
*
1024
)
;
;64K+128K=0xC0
#define CFG_ENV_SIZE 0x10000 /* Total Size of Environment Sector
64k
*/
#define CONFIG_STACKSIZE (
128
*
1024
) /* regular stack
128k
*/
#define CFG_GBL_DATA_SIZE
128
/* size
in
bytes reserved for initial data */
用0x33F8000 – 0xC0 – 0x80得到_TEXT_BASE向下(低地址)的堆栈指针sp的起点地址
sub
sp, r0, #
12
/* 为abort-stack预留3个字 */
;
;得到最终sp指针初始值
clear_bss:
ldr r0, _bss_start /* 找到bss段起始地址 */
ldr r1, _bss_end /* bss段末尾地址 */
mov
r2, #0x00000000 /* 清零 */
clbss_l:
str
r2, [r0] /* bss段地址空间清零循环... */
add
r0, r0, #
4
cmp
r0, r1
bne clbss_l
（9）跳转到start_armboot函数入口，_start_armboot字保存函数的入口指针
ldr pc, _start_armboot
_start_armboot:
.word start_armboot
;
;start_armboot函数在lib_arm/board.c中实现
五. Stage2（C语言实现）代码分析
这个文件是bootloader的stage2部分，这个文件中的start_armboot函数是U-Boot执行的第一个C语言函数，主要完成系统的初始化工作，然后进入主循环，等待并处理用户输入的命令。
在编译和链接BootLoader这样的程序的时候，不能使用glibc库中的任何支持函数，这就带来了一个问题：从何处跳入Main函数，最直接的想法是直接把Main函数的起始地址作为整个Stage2执行映像的入口。但是这样做有两个缺点：
a: 无法通过Main函数传递参数
b: 无法处理Main函数返回的情况
一种更好的解决方案是利用trampoline（弹簧床）的概念：用汇编写一段trampoline小程序，并将这段trampoline小程序作为Stage2可执行映像的入口点，然后就可以在trampoline小程序中用CPU跳转指令跳入Main函数去执行，当Main函数执行结束以后CPU执行路径显然再次回到trampoline程序。其核心思想就是用这段trampoline程序作为Main函数的外部包裹。
（1）. 初始化本阶段要使用到的硬件设备，一般包括：
a:点亮LED，表示已经进入main函数执行（可选）
b: 至少一个串口，以便和终端用户进行IO信息交换
c: 初始化定时器等
d: 输出一些打印信息，程序名称，版本号等
（2）. 检测系统的内存映射
所谓内存映射就是指在整个 4GB 物理地址空间中有哪些地址范围被分配用来寻址系统的 RAM 单元。比如，在 SA-1100 CPU 中，从 0xC000,0000 开始的 512M 地址空间被用作系统的 RAM 地址空间，而在 Samsung S3C44B0X CPU 中，从 0x0c00,0000 到 0x1000,0000 之间的 64M 地址空间被用作系统的 RAM 地址空间。虽然 CPU 通常预留出一大段足够的地址空间给系统 RAM，但是在搭建具体的嵌入式系统时却不一定会实现 CPU 预留的全部 RAM 地址空间。也就是说，具体的嵌入式系统往往只把 CPU 预留的全部 RAM 地址空间中的一部分映射到 RAM 单元上，而让剩下的那部分预留 RAM 地址空间处于未使用状态。 由于上述这个事实，因此 Boot Loader 的 stage2 必须在它想干点什么 (比如，将存储在 flash 上的内核映像读到 RAM 空间中) 之前检测整个系统的内存映射情况，也即它必须知道 CPU 预留的全部 RAM 地址空间中的哪些被真正映射到 RAM 地址单元，哪些是处于 "unused" 状态的。
（3）. 加载内核映像和根文件系统映像
a：规划内存占用的布局：主要包括基地址和映像大小两个方面。对于内核映像，一般将其拷贝到从(MEM_START＋0x8000) 这个基地址开始的大约 1MB大小的内存范围内(嵌入式 Linux 的内核一般都不操过 1MB)。为什么要把从 MEM_START到MEM_START＋0x 8000 这段 32KB 大小的内存空出 来呢？这是因为 Linux 内核要在这段内存中放置一些全局数据结构，如：启动参数和内核页表等信息。而对于根文件系统映像，则一般将其拷贝到 MEM_START+0x0010,0000 开始的地方。如果用 Ramdisk 作为根文件系统映像，则其解压后的大小一般是 1MB。
b：从Flash中拷贝映像
while
(count) {
*dest++ = *src++;
/*
they are all aligned with word boundary
*/
count
-=
4
;
/*
byte number
*/
};
（4）. 设置内核的启动参数
将内核映像拷贝到RAM中之后就可以启动了，但是一般都需要先设定Linux内核的启动参数。Linux2.4以后的内核都以标记列表（tagged list）的形式来传递启动参数。启动参数列表以标记ATAG_CORE开始，以标记ATAG_NONE结束。每个标记由标示被传递参数的tag_header结构以及随后的参数数据结构来组成。数据结构tag和tag_header定义在Linux内核源码的include/asm/setup.h头文件中。在嵌入式Linux系统中，通常需要由BootLoader设定的参数有：ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE、ATAG_RAMDISK、ATAG_INITRD。
比如，设置 ATAG_CORE 的代码如下：
params = (struct tag *)BOOT_PARAMS;
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);
其中，BOOT_PARAMS 表示内核启动参数在内存中的起始基地址，指针 params 是一个 struct tag 类型的指针。宏 tag_next() 将以指向当前标记的指针为参数，计算紧临当前标记的下一个标记的起始地址。注意，内核的根文件系统所在的设备 ID 就是在这里设置的。
（5）. 调用内核
BootLoader调用内核的方法是直接跳转到内核的第一条指令处，即直接跳到MEM_START+0x8000处。在跳转的时候要满足下面的条件：
a: CPU寄存器的设置
R0 = 0;
R1 = 机器类型ID，
b: CPU必须在SVC模式
c: Cache和MMU的设置：
MMU必须关闭
指令Cache可以打开也可以关闭
数据Cache必须关闭
说明：如果用 C 语言，可以像下列示例代码这样来调用内核：
void
(*theKernel)(
int
zero,
int
arch, u32 params_addr) = (
void
(*)(
int
,
int
,
u32))KERNEL_RAM_BASE;
……
theKernel(
0
, ARCH_NUMBER, (u32) kernel_params_start);
注意：theKernel()函数调用应该永远不返回的。如果这个调用返回，则说明出错。
六. UBoot移植过程中串口没有显示或者显示乱码的原因
（1）. boot loader 对串口的初始化设置不正确。
（2）. 运行在 host 端的终端仿真程序对串口的设置不正确， 这包括：波特率、奇偶校验、数据位和停止位等方面的设置。
关于BootLoader启动时串口能输出，但是启动内核后不能正确显示的原因：
（1）. 内核编译时缺少配置对串口驱动的支持，或配置正确的串口驱动
（2）. BootLoader的串口配置和内核的不一致
（3）. 内核没有正确启动
七．总结
U-Boot，全称 Universal Boot Loader，是遵循GPL条款的 开放源码 项目。从FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步发展演化而来。其源码目录、编译形式与 Linux内核 很相似，事实上，不少U-Boot源码就是相应的Linux内核 源程序 的简化，尤其是一些设备的驱动程序，这从U-Boot源码的注释中能体现这一点。
