基于AR9331（MIPS架构）分析系统启动过程(uboot)

前提：

1.AR9331是基于MIPS 24K CPU的一款WIFI1X1芯片，其SDK采用uboot作为引导。AR9331中定义的基地址是:0x9f00,0000

2.MIPS24K芯片，将固定的起始地址，规定为0xBF00,0000（见http://blog.csdn.net/phunxm/article/details/9393021 和http://www.cnblogs.com/xmphoenix/archive/2011/11/02/2233397.html有提到）

此地址属于MIPS的KSEG1的地址范围内（见http://blog.csdn.net/phunxm/article/details/9393021），其实际的物理地址是：0x1F00,0000(=0xBF00,0000 & 0x1FFF,FFFF)

A. 
uboot在编译时，会经历如下动作：

bootstrap: depend version $(SUBDIRS) $(OBJS_BOOTSTRAP) $(LIBS_BOOTSTRAP) $(LDSCRIPT_BOOTSTRAP)

UNDEF_SYM=`$(OBJDUMP) -x $(LIBS_BOOTSTRAP) |sed  -n -e 's/.*\(__u_boot_cmd_.*\)/-u\1/p'|sort|uniq`;\

$(LD) $(LDFLAGS_BOOTSTRAP[xxx1] ) $$UNDEF_SYM $(OBJS_BOOTSTRAP) \

--start-group $(LIBS_BOOTSTRAP) --end-group $(PLATFORM_LIBS) \

-Map bootstrap.map -o bootstrap

和

u-boot:         depend version $(SUBDIRS) $(OBJS) $(LIBS) $(LDSCRIPT)

UNDEF_SYM=`$(OBJDUMP) -x $(LIBS) |sed  -n -e 's/.*\(__u_boot_cmd_.*\)/-u\1/p'|sort|uniq`;\

$(LD) $(LDFLAGS)[xxx2]  $$UNDEF_SYM $(OBJS) $(BOARD_EXTRA_OBJS) \

--start-group $(LIBS) --end-group $(PLATFORM_LIBS) \

-Map u-boot.map -o u-boot

以及

u-boot.lzimg: $(obj)u-boot.bin System.map

@$(LZMA) e $(obj)u-boot.bin u-boot.bin.lzma

@./tools/mkimage -A mips -T firmware -C lzma \

-a 0x$(shell grep "T _start" $(TOPDIR)/System.map | awk '{ printf "%s", $$1 }') \

-e 0x$(shell grep "T _start" $(TOPDIR)/System.map | awk '{ printf "%s", $$1 }') \

[xxx3]       -n 'u-boot image' -d $(obj)u-boot.bin.lzma $@

也就是说，在编译的时候，就决定了tuboot需要在0x9f000000处被引导启动，也就是说，烧写tuboot时，需要烧到0x9f000000[xxx4] 处。

而0x9F00,0000属于KSEG0范围，其实际对应的物理地址也是0x1F00,0000[xxx5] （=0x9F00,0000&0x7FFF,FFFF）

B. Uboot编译连接脚本文件，在ap121上，就是/boot/u-boot/board/ar7240/ap121/u-boot.lds

此文件的作用：

² 连接脚本是用来描述输出文件的内存布局；源代码经过编译器编译后包含如下段：

n 正文段text：包含程序的指令代码；

n 数据段data：包含固定的数据，如常量和字符串；

n 未初始化数据段：包含未初始化的变量、数组等。

连接器的任务是将多个编译后的文件的text、data和bass等段连接在一起；而连接脚本文件就是告诉连接器从什么地址(运行时地址)开始放置这些段

² 此文件中，最要关注的是.text字段。一切从这里开始

C. 先运行bootstrap，然后再运行uboot

在\boot\u-boot\board\ar7240\ap121\u-boot-bootstrap.lds，有定义：ENTRY(_start_bootstrap)

在\boot\u-boot\board\ar7240\ap121\u-boot.lds，有定义：ENTRY(_start)

而在boot\u-boot\board\ar7240\ap121\config.mk，有定义：

# ROM version

ifeq ($(COMPRESSED_UBOOT),1)

TEXT_BASE = 0x80010000   #对应uboot的TEXT正文地址,见u-boot.map的_start

BOOTSTRAP_TEXT_BASE = 0x9f000000  #对应bootstrap的TEXT正文地址,见bootstrap.map的_start_bootstrap

[xxx6] else

TEXT_BASE = 0x9f000000

Endif

所以，先执行_start_bootstrap，再执行_start。那么，这两个在哪儿？

D. 在bootstrap.map中，可以看到：

.text           0x000000009f000000     0x3aa0

*(.text)

.text      0x000000009f000000      0x8b0 cpu/mips/start_bootstrap.o

0x000000009f000000                _start_bootstrap

Address of section .text set to 0x9f000000

在u-boot.map中，可以看到：

.text           0x0000000080010000    0x17da0

*(.text)

.text          0x0000000080010000     0x3350 cpu/mips/start.o

0x0000000080010030                relocate_code

0x0000000080010000                _start

Address of section .text set to 0x80010000

然后，在boot/u-boot/cpu/mips中，可以找到：start_bootstrap.S和start.S

这两个，就是真正执行_start_boostrap和_start的地方

在__start_bootstrap中，可以看到：bootstrap_board_init_f和bootstrap_board_init_r。最后，在bootstrap_board_init_r中，有：

addr = (char *)(BOOTSTRAP_CFG_MONITOR_BASE + ((ulong)&uboot_end_data_bootstrap - dest_addr));

memmove (&header, (char *)addr, sizeof(image_header_t));

以及：

data = addr + sizeof(image_header_t);/*越过uboot的头，定位到uboot的净荷开始*/

fn = ntohl(hdr->ih_load);/*定位位于hdr->ih_load位置的起止程序，并执行之。这个程序就是__start*/

(*fn)(gd->ram_size);

可见，bootstrap中会定位并剥掉uboot的image_header_t的头，这样就会调位到__start。

下面，分析_start

E. 在start.S中，可以看到：board_init_f和board_init_r(boot/u-boot/lib_mips/board.c)。这就是从汇编进入C的两个入口。先board_init_f，再board_init_r；

最终，在board_init_r中，调用无限循环：

for (;;) {

main_loop ();

}

F. main_loop(boot/u-boot/common/main.c)中，最终会调用：run_command (lastcommand, flag);

G. 在run_command(boot/u-boot/common/main.c)中，利用find_cmd找到合适的cmd_tbl_t *cmdtp对象，最后执行((cmdtp->cmd) (cmdtp, flag, argc, argv)

并且，在cmd_bootm.c中，有定义：

U_BOOT_CMD(

     bootm, CFG_MAXARGS,  1,  do_bootm,

     "bootm   - boot application image from memory\n",

     "[addr [arg ...]]\n    - boot application image stored in memory\n"

     "\tpassing arguments 'arg ...'; when booting a Linux kernel,\n"

     "\t'arg' can be the address of an initrd image\n"

);

在boot/u-boot/include/command.h中，有定义：

#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) \

cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage}

那么，最初的((cmdtp->cmd) (cmdtp, flag, argc, argv),就会执行到do_bootm

H. 在boot模式下，敲入printenv，可以看到uboot所用到的环境变量的值：

ar7240> printenv

bootargs=console=ttyS0,115200 root=31:02 rootfstype=squashfs init=/sbin/init mtdparts=ar7240-nor0:256k(u-boot),64k(u-boot-env),2752k(rootfs),896k(uImage),64k(NVRAM),64k(ART)[xxx7]

bootcmd=bootm 0x9f300000[xxx8]

bootdelay=4[xxx9]

baudrate=115200

ethaddr=0x00:0xaa:0xbb:0xcc:0xdd:0xee

ipaddr=192.168.1.2[xxx10]

serverip=192.168.1.10[xxx11]

stdin=serial

stdout=serial

stderr=serial

ethact=eth0

这些环境变量的定义，是在boot/u-boot/common/environment.c中赋值的；而具体的来源，则大部分在文件boot/u-boot/include/configs/ap121.h中定义；并且这些宏定义，是通过boot/u-boot/common/env_nowhere.c中的env_init引导的。

I. 在编译内核镜像时，有如下命令：

/home/xxx/140703_AR9331_Dev/u11_OnlyBasicAndWLAN_AP121-4MB/build/../boot/u-boot/tools/mkimage -A mips -O linux -T kernel -C gzip -a 0x80002000 -e 0x8019bd60 -n Linux Kernel Image -d /home/xxx/140703_AR9331_Dev/u11_OnlyBasicAndWLAN_AP121-4MB/build/../linux/kernels/mips-linux-2.6.31/arch/mips/boot/vmlinux.bin.gz /home/xxx/140703_AR9331_Dev/u11_OnlyBasicAndWLAN_AP121-4MB/build/../images/ap121-2.6.31/vmlinux.gz.uImage[xxx12]

J. Uboot启动内核，是调用cmd_bootm.c中的do_bootm函数，其传入的命令参数就是：

bootm 0x9f300000[xxx13]

然后，可以看到如下的启动信息：

## Booting image at 9f300000 ...[xxx14]

Image Name:   Linux Kernel Image

Created:      2013-02-06  22:27:48 UTC

Image Type:   MIPS Linux Kernel Image (lzma compressed)

Data Size:    771996 Bytes = 753.9 kB

Load Address: 80002000[xxx15]

Entry Point:  8019bd60[xxx16]

Verifying Checksum at 0x9f300040 ...OK

Uncompressing Kernel Image ... OK

上述这些信息，都是do_bootm函数中，读取镜像文件头image_header_t信息后得出的

然后，利用gunzip ((void *)ntohl(hdr->ih_load), unc_len, (uchar *)data, &len) != 0)，将压缩的镜像文件解压缩到hdr->ih_load[xxx17] 指向的地址。

最后，调用do_bootm_linux  (cmdtp, flag, argc, argv,addr, len_ptr, verify); 开始内核启动过程

K. do_bootm_linux(boot/u-boot/lib_mips/mips_linux.c)  :

² 获得内核镜像的启动地址：

theKernel =

(void (*)(int, char **, char **, int)) ntohl (hdr->ih_ep);

² [xxx18] 解析boot_args字段，得到：

linux_params_init (UNCACHED_SDRAM (gd->bd->bi_boot_params), commandline);

² 最后，直接运行内核镜像的启动地址：

flash_size_mbytes = gd->bd->bi_flashsize/(1024 * 1024);

theKernel (linux_argc, linux_argv, linux_env, flash_size_mbytes);[xxx19]

L. entry: 0x8019bf90地址上的程序，是什么呢？

看一下：linux/kernels/mips-linux-2.6.31/System.map，搜索8019bf9，会发现：

ffffffff8019bf90 T kernel_entry

哈哈，原来该地址上的程序是：kernel_entry

M. kernel_entry在arch/mips/kernel/head.S中定义；并且最终会跳转到start_kernel函数，从而进入C代码

N. 这里就调用了start_kernel(linux/kernels/mips-linux-2.6.31/init/main.c)

O. Start_kernel->rest_init->kernel_thread([xxx20]kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);->kernel_init->init_post->run_init_process("/sbin/init"); --> 进入busybox的init流程

---

[xxx1]## LDFLAGS_BOOTSTRAP 中，含有-Bstatic -T $(LDSCRIPT_BOOTSTRAP) -Ttext $(BOOTSTRAP_TEXT_BASE) $(PLATFORM_LDFLAGS)

## BOOTSTRAP_TEXT_BASE，在boot\u-boot\board\ar7240\ap121\config.mk中有定义，指明了BOOTSTRAP_TEXT_BASE = 0x9f000000,即bootstrap的报文段会从此地址开始。

## 那么，也就是要求：需要将tuboot放到0x9f000000处。这样tuboot启动时，才能找到这里的正确位置

[xxx2]## LDFLAGS += -Bstatic -T $(LDSCRIPT) -Ttext $(TEXT_BASE) $(PLATFORM_LDFLAGS)

## 其中的$(TEXT_BASE)在boot\u-boot\board\ar7240\ap121\config.mk中有定义，指明了TEXT_BASE = 0x80010000,即uboot的报文段会从此地址开始

[xxx3]

-a 0xffffffff80010000 \

-e 0xffffffff80010000 \

[xxx4]0x9f000000位于KSEG0地址段，其距离KSEG0地址段上限(0x9fffffff)还有0x1000000，即16M的空间。也就是说，设置0x9f000000作为基地址，也就意味着AR9331可以支持最多16MB Flash ---我的猜测，不知道是否正确

[xxx5]和MIPS24K的固定起始地址是一样的。这就是为何要规定基地址是0x9F00,0000的缘故

[xxx6]这是u-boot和bootstrap在内存中的运行域

[xxx7]由ap121.h中的CONFIG_BOOTARGS定义

表示传递给内核的启动参数

[xxx8]由ap121.h中的CONFIG_BOOTCOMMAND定义

表示自动启动时执行的命令

这里的0x9f300000就是linux内核的TEXT_BASE地址；这也正是uboot下的cp.b命令烧写Linux内核的目的地址

[xxx9]执行自动启动的等候秒数

[xxx10]由ap121.h中的CONFIG_IPADDR定义，表示uboot模式下，单板的IP地址

[xxx11]由ap121.h中的CONFIG_SERVERIP定义，表示uboot升级时，所认可的TFTP Server的IP地址

[xxx12]参数说明：

-a ==> set load address to 'addr' (hex)  -- 表示内核的运行地址

-e ==> set entry point to 'ep' (hex)。

是入口地址

[xxx13]这就是在使用uboot烧写内核文件时，给出的基地址

[xxx14]对应bootm的参数

[xxx15]对应编译时的-a参数

[xxx16]对应编译时的-e参数

[xxx17]就是mkimage –a选项指定的地址

[xxx18]在ap121上，这个值就是entry: 0x8019bf90

[xxx19]也就是直接运行位于

entry: 0x8019bf90地址上的程序

[xxx20]创建内核线程