Beagleboneblack的MLO文件干了些啥

Beagleboneblack在启动linux之前还有三个启动阶段:

ROM code  -->  MLO  -->  u-boot --> kernel

先看看ROM code干了些什么

ROM code是TI固化在芯片内部的,处理器上电之后会先跑到这里执行一部分代码,看看这部分代码在哪:

Boot ROM一共有128K+48K,其中后48K具有可读可执行属性,那估计就应该在0x4002_0000的地方了.这48K的空间又被分成了这样子:

不过程序不应该是在RAM里运行的吗,怎么可以在ROM里运行呢.回想以前用STM32时,程序在静态时肯定被烧写到内部的Flash上了,上电之后也是直接从Flash里面执行代码,之后也只是把部分代码分散加载到RAM里,那这样说来程序也不是在RAM里运行的.

这个问题让我很困惑,我只能这么解释:如果CPU能直接取到指令,那它就能译码,执行对于这些芯片内部的Flash也好,ROM也好,RAM也好,这些存储器都是直接挂在CPU三总线上的,CPU可以直接从这些地方取到指令,然后执行,只是有的存储器不能写.而对于有些存储器,如EEPROM,SD卡,它们一般并不直接挂在总线上,中间还要有控制器和相应的驱动时序,所以CPU不能直接取到指令,程序也就不能在那里面运行.如果我说的不对,网友们一定予以指正.

回到这个ROM code上来,看看它干了些什么:

它说上电之后CPU执行公共端的初始化和堆栈设置,然后配置WDT1为3分钟,执行系统时钟配置,最终跳到booting的处理程序中.

首先根据软件配置或者SYSBOOY引脚生成启动设备列表,如果不按卡旁边的按钮,启动顺序是MMC1(eMMC) -> MMC0 -> UART0 -> USB0,按下则为SPI0 -> MMC0(SD card) -> USB0 -> UART0,然后根据设备类型执行存储器启动或者是外设启动初始化,假如我们从SD卡启动,

初始化MMC/SD控制器 -> 检测设备 -> 判断启动模式 -> 获取启动文件,即找到SD卡上的MLO文件,然后加载到SRAM去,同时跳到MLO程序中.至于它是怎么加载的,想必是读取MLO文件头信息,通过目的地址和文件大小复制过去的吧.

所以ROM code就做了这么些事情,那MLO程序从哪个地方开始执行呢,前面说过MLO文件的编译过程,在编译SPL程序时链接器的脚本是u-boot-spl.lds

MEMORY { .sram : ORIGIN = 0x402F0400, LENGTH = (0x4030B800 - 0x402F0400) }

其中给出了SRAM的起始地址和大小(109K),而且在makefile的配置文件autoconf.mk中,也给出了基地址:

CONFIG_SPL_TEXT_BASE=0x402F0400

所以MLO程序就从0x4020F0400的地方开始执行,再看看SRAM的内存分布:

109K的Image空间,6K的stack空间,上面还有xxxx,我的u-boot(2014.04)在编译之后MLO有76.5K,还是装得下的,u-boot.img有329K,自然就装不下的,所以才要MLO来引导u-boot.

接下来看看MLO程序干了些什么:

从start.S开始,位于arch/arm/cpu/armv7下,首先跳到reset:

_start: b    reset

跳到save_boot_params:

reset:
    bl    save_boot_params

save_boot_params具有weak属性,在start.S中有定义,如果其他地方没有定义的话,它就直接返回,由于这里是SPL程序,想必还是要save一下的,实际上在arch/arm/cpu/armv7/am33xx/lowlevel_init.S中有它的定义:

ENTRY(save_boot_params)
    ldr    r1, =OMAP_SRAM_SCRATCH_BOOT_PARAMS
    str    r0, [r1]
    bx    lr
ENDPROC(save_boot_params)

将R0的值保存在这个地方OMAP_SRAM_SCRATCH_BOOT_PARAMS,即0x4030B824处,位于6K的stack空间中,R0是什么东西呢:

R0保存了Booting Parameters Structure这样一个结构体的地址,包括启动设备描述符,当前启动设备,重启原因这些,这个结构体在哪,启动设备描述符又是个什么东西我也不知道了.

　　回到start.S中,接着关中断,切换值SVC模式:

    mrs    r0, cpsr
    and    r1, r0, #0x1f        @ mask mode bits
    teq    r1, #0x1a        @ test for HYP mode
    bicne    r0, r0, #0x1f        @ clear all mode bits
    orrne    r0, r0, #0x13        @ set SVC mode
    orr    r0, r0, #0xc0        @ disable FIQ and IRQ
    msr    cpsr,r0

设置中断向量表:

#if !(defined(CONFIG_OMAP44XX) && defined(CONFIG_SPL_BUILD))
    /* Set V=0 in CP15 SCTRL register - for VBAR to point to vector */
    mrc    p15, 0, r0, c1, c0, 0    @ Read CP15 SCTRL Register
    bic    r0, #CR_V        @ V = 0
    mcr    p15, 0, r0, c1, c0, 0    @ Write CP15 SCTRL Register

    /* Set vector address in CP15 VBAR register */
    ldr    r0, =_start
    mcr    p15, 0, r0, c12, c0, 0    @Set VBAR
#endif

底层初始化:

#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
    bl    cpu_init_cp15
    bl    cpu_init_crit
#endif

在编译SPL程序时,没有定义CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT这个宏,所以下面两个函数会执行,而编译u-boot时,会跳过,这也比较合理,只需要初始化一次嘛.

　　cpu_init_cp15主要是操作CP15寄存器,关掉缓存,关掉MMU,然后跳到cpu_init_crit:

ENTRY(cpu_init_crit)
    /*
     * Jump to board specific initialization...
     * The Mask ROM will have already initialized
     * basic memory. Go here to bump up clock rate and handle
     * wake up conditions.
     */
    b    lowlevel_init        @ go setup pll,mux,memory
ENDPROC(cpu_init_crit)

跳到lowlevel_init中,这里是"b"指令跳转,不会改变lr寄存器的值:

ENTRY(lowlevel_init)
    /*
     * Setup a temporary stack
     */
    ldr    sp, =CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR
    bic    sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */
#ifdef CONFIG_SPL_BUILD
    ldr    r9, =gdata
#else
    sub    sp, sp, #GD_SIZE
    bic    sp, sp, #7
    mov    r9, sp
#endif
    /*
     * Save the old lr(passed in ip) and the current lr to stack
     */
    push    {ip, lr}

    /*
     * go setup pll, mux, memory
     */
    bl    s_init
    pop    {ip, pc}
ENDPROC(lowlevel_init)

设置sp=0x4030FF40,即将运行C代码,让R9指向gdata,gdata是寄存器变量,在arch/arm/include/asm/global_data.h中声明，定义在arch/arm/lib/spl.c中，位于data段

#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR        register volatile gd_t *gd asm ("r9")

然后讲ip,lr寄存器入栈跳到s_init中,位于arch/arm/cpu/am33xx/board.c中,主要调用函数如下:

-> save_omap_boot_params();　　　　
-> watchdog_disable();　　　　　　　
-> timer_init();　　　　　　　　　　
-> set_uart_mux_conf();　　　　　　
-> setup_clocks_for_console();　　
-> uart_soft_reset();　　　　　　　

-> gd = &gdata;
-> preloader_console_init();

-> prcm_init();
-> set_mux_conf_regs();

-> rtc32k_enable();

-> sdram_init();

这些函数就不再一一展开了,因为展开看了一下发现很难看懂,C语言功底远远不够(⊙﹏⊙)b

值得注意的是save_omap_boot_params函数,它将前面说的R0所保存的启动信息保存到gdata结构体中,以加载u-boot镜像文件.

preloader_console_init函数,位于common/spl/spl.c中,初始化了一个串口,输出了第一行信息,即u-boot版本号,编译时间

void preloader_console_init(void)
{
    gd->bd = &bdata;
    gd->baudrate = CONFIG_BAUDRATE;  

    serial_init();      /* serial communications setup */  

    gd->have_console = 1;  

    puts("\nU-Boot SPL " PLAIN_VERSION " (" U_BOOT_DATE " - " \
            U_BOOT_TIME ")\n");//wlg: now we print our first information
#ifdef CONFIG_SPL_DISPLAY_PRINT
    spl_display_print();
#endif
}

最后将DRAM初始化,便于加载u-boot到DRAM中.

之后返回到lowlevel_init.S中,

push {ip, lr}

pop {ip, pc}

将之前的lr弹给pc,也就是跳到前一个bl的下面,也就是start.S中:

    bl    _main

继续跳到_main中,位于arch/arm/lib/crt0.S中:

ENTRY(_main)

/*
 * Set up initial C runtime environment and call board_init_f(0).
 */

#if defined(CONFIG_SPL_BUILD) && defined(CONFIG_SPL_STACK)
    ldr    sp, =(CONFIG_SPL_STACK)
#else
    ldr    sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)
#endif
    bic    sp, sp, #7    /* 8-byte alignment for ABI compliance */
    sub    sp, sp, #GD_SIZE    /* allocate one GD above SP */
    bic    sp, sp, #7    /* 8-byte alignment for ABI compliance */
    mov    r9, sp        /* GD is above SP */
    mov    r0, #0
    bl    board_init_f

再次赋值sp,仍然指向0x4030FF40,然后向下留出gd结构体的空间,并让R9指向这里,跳到board_init_f,位于arch/arm/lib/spl.c中,具有weak属性,在u-boot阶段有不同的实现:

void __weak board_init_f(ulong dummy)
{
    /* Clear the BSS. */
    memset(__bss_start, 0, __bss_end - __bss_start);

    /* Set global data pointer. */
    gd = &gdata;

    board_init_r(NULL, 0);
}

清BSS段,再次让gd,即R9指向gdata,跳到board_init_r,位于common/spl/spl.c中,主要执行函数如下:

-> spl_board_init();

-> boot_device = spl_boot_device();

根据boot_device的值在相应的地方加载镜像文件,比如是MMC/SD的话,将执行spl_mmc_load_image();位于common/spl/spl_mmc.c中,主要执行函数如下:

-> mmc_initialize(gd->bd);

-> mmc = find_mmc_device(0);

-> err = mmc_init(mmc);

-> boot_mode = spl_boot_mode();

根据boot_mode的值使用不同的方式读取镜像,比如是FAT模式,将执行一下分支:

else if (boot_mode == MMCSD_MODE_FAT) {
        debug("boot mode - FAT\n");
#ifdef CONFIG_SPL_OS_BOOT
        if (spl_start_uboot() || spl_load_image_fat_os(&mmc->block_dev,
                                CONFIG_SYS_MMC_SD_FAT_BOOT_PARTITION))
#endif
        err = spl_load_image_fat(&mmc->block_dev,
                    CONFIG_SYS_MMC_SD_FAT_BOOT_PARTITION,
                    CONFIG_SPL_FAT_LOAD_PAYLOAD_NAME);
#endif

spl_load_image_fat这个函数将u-boot.img文件读到它该去的地方,即DRAM中,具体是怎么实现的我也不太懂了,执行完毕之后回到spl.c中,根据镜像文件的类型执跳到u-boot中或者linux中:

    switch (spl_image.os) {
    case IH_OS_U_BOOT:
        debug("Jumping to U-Boot\n");
        break;
#ifdef CONFIG_SPL_OS_BOOT
    case IH_OS_LINUX:
        debug("Jumping to Linux\n");
        spl_board_prepare_for_linux();
        jump_to_image_linux((void *)CONFIG_SYS_SPL_ARGS_ADDR);
#endif
    default:
        debug("Unsupported OS image.. Jumping nevertheless..\n");
    }
    jump_to_image_no_args(&spl_image);

SPL程序自然是跳到u-boot中了,执行下面的jump_to_image_no_args(&spl_image),位于arch/arm/cpu/armv7/omap-common/boot-common中：

void __noreturn jump_to_image_no_args(struct spl_image_info *spl_image)
{
    typedef void __noreturn (*image_entry_noargs_t)(u32 *);
    image_entry_noargs_t image_entry =
            (image_entry_noargs_t) spl_image->entry_point;

    debug("image entry point: 0x%X\n", spl_image->entry_point);
    /* Pass the saved boot_params from rom code */
    image_entry((u32 *)&gd->arch.omap_boot_params);
}

貌似是跳到了image_entry那个地方，具体是怎么来的我就不晓得了╮(╯▽╰)╭

直接用file命令看一下最后生成的u-boot.img镜像文件:

u-boot.img: 
u-boot legacy uImage, U-Boot 2014.04 for am335x board, Firmware/ARM, Firmware Image (Not compressed), 

329036 bytes, Tue Feb 28 05:56:24 2017, Load Address: 0x80800000, Entry Point: 0x00000000, Header CRC: 0xBA1D5896, Data CRC: 0x697BF780

看到加载地址和入口点,加载地址貌似比DRAM的基址高出了8M.