u-boot启动流程分析

一、 存储器

SDRAM 同步动态随机存储器。同步时指工作需要时钟；动态是指需要不断刷新来保证数据不丢失；随机说明不是线性存储，而是由指定地址进行数据的读写。如CPU使用的外部内存，即内存条。SRAM Static Ram，是具有静态存取功能的内存，不需要刷电路就能保存存储的数据，比SDRAM速度快，一般用作高速缓冲存储器（Cache）。Norflash 非易失性外部存储介质，支持芯片内执行（XIP）。它有地址总线，CPU可以直接从Norflash中取值，直接在Norflash中运行程序。Nandflash 非易失性，虽然有数据总线，但没有地址总线，CPU不能够直接从发flash取值运行程序。常用于大量存储，类似硬盘。

二、 地址

1、概念

链接地址：链接脚本里指定的内存地址，编译时指定代码运行时应该所处的内存地址，是绝对地址。运行地址：当前代码实际运行时所处的地址，是相对地址（相对于当前程序开始运行时的内存地址）。加载地址：程序存储在flash中的地址。

2、 PIC与PDC

位置无关码（PIC，position independent code）：依赖于程序当前运行的PC值（程序计数器），进行相对跳转，与位置（内存地址）无关。不管代码加载到任意地址，都能正常执行。如：B、BL、MOV、ADR……位置有关码：不依赖当前的PC值，是绝对跳转，与位置（内存地址）相关。程序执行时的运行地址和编译链接时给定的链接地址必须相同，才能正常运行。如：LDR PC,=LABEL（LDR伪指令）……总结： 正常情况下，链接地址==运行地址，此时，程序肯定能正常运行。当链接地址!=运行地址时，程序运行也不一定出错。如果是位置有关码必然会出错；要是位置无关码便可正常运行，u-boot第一阶段指令能够正常执行的原因就在于此。

三、SDRAM、Norflash、Nandflash地址分配

如图所示，是存储器的地址分配图，总共有8个BANK和一个4KB大小的SRAM。

SDRAM：只能够接在BANK6和BANK7（接片选线nGCS6、nGCS7）。Norflash：接在nGCS0上，选择BANK0，地址范围从0x0开始，上电时可以直接取0x0地址中的指令执行。Nandflash： 以页为单位读写，要先写命令，再给地址，才能读到NAND数据。Nandflash接在Nandflash控制器上而不是系统总线上，所以没有在8个BANK中分配地址。Nandfalsh控制器有个特殊功能，系统上电后，可以将Nandflash的前4KB引导程序搬移到SRAM内部。此时SRAM已经映射到了BANK0的0x0地址处，CPU对0x0~0x1000地址进行操作，实际上是在操作SRAM。不管是Norflash还是Nandflash启动，ARM都是从0x0地址开始执行。在代码小于4KB，当做单片机裸跑程序的时候，就不需要进行代码的搬移等操作了。

四、u-boot总体启动流程

总共有两个阶段，第一阶段执行start.s汇编代码，最终会跳转到第二阶段C代码入口继续执行。

第一阶段：

硬件设备初始化加载u-boot第二阶段代码到RAM空间设置好栈跳转到第二阶段代码入口

第二阶段：

初始化本阶段使用的硬件设备检测系统内存映射将内核从Flash读取到RAM中为内核设置启动参数调用内核

1、nand flash启动

首先需要将一个正确的bootloader烧写到Nandflash的最低位置，即从0x0开始烧写。当从Nandflash启动时，硬件上将片内SRAM映射到nGCS0片选空间，即0x0位置，并自动将Nandflash的前4kB代码拷贝到CPU片内SRAM中（SRAM-cache），这个内部RAM称为Stepping stone（垫脚石、起步石）。然后，CPU从SRAM的0x0地址处获取第一条指令开始执行。网上很多人说是CPU自动将Nandflash的前4kB拷贝到片内SRAM中，其实不然，实际是由Nandflash控制器（控制状态机）完成的，CPU根本没参与。

2、 nor flash启动

norflash支持片上执行代码（XIP），只需将bootloader烧写到Norflash的开始地址，由于Norflash会被映射到0x0地址处（nGCS0），上电后CPU会从0x0开始执行，也就是在Norflash中执行u-boot第一阶段，直到跳转到SDRAM中，继续执行第二阶段，也就不需要SRAM辅助运行第一阶段代码了。

五、u-boot.lds分析

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm") //指定输出可执行文件是elf格式。小端，32位ARM指令 OUTPUT_ARCH(arm) //指定输出可执行文件的平台为ARM ENTRY(_start) //入口点（地址）为_start,在cpu/arm/start.S中定义 SECTIONS { /*指定可执行image文件的全局入口点，通常这个地址都放在ROM（flash）0x0位置。必须是编译器知道这个地址，通常都是修改此处来完成*/ . = 0x00000000; //从0x0位置开始 . = ALIGN(4); //代码四字节对齐 .text : //这是程序存放的地方，代码段 { arch/arm/cpu/arm1136_ambarella/start.o (.text) //start.o被链接到代码段最前面 *(.text) //其余代码段 } . = ALIGN(4); //4字节对齐 .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) } //指定只读数据段 . = ALIGN(4); .data : { *(.data) } //指定读、写数据段 . = ALIGN(4); .got : { *(.got) } //指定got段，got段是uboot自定义的一个段，非标准段 . = .; __u_boot_cmd_start = .; //把__u_boot_cmd_start赋值为当前位置，即起始位置 .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) } //指定u_boot_cmd段，uboot把所有的uboot命令放在该段 __u_boot_cmd_end = .; //把__u_boot_cmd_end赋值为当前位置，即起结束位置 . = ALIGN(4); __bss_start = .; //把__bass_start赋值为当前位置，即bass段的开始位置 .bss (NOLOAD) : { *(.bss) . = ALIGN(4); } //指定bass段，告诉加载器不要加载这个段，仅在执行域中才会有这段 _end = .; //把_end赋值为当前位置，即bss段的结束位置 }

ENTRY(_start)表示入口地址，程序运行时第一个被执行到的指令的地址便为_start。ld有多种方式设置程序的入口地址，按如下顺序（编号越前，优先级越高）： 1、 ld命令行的-e选项 2、 链接脚本的ENTRY(SYMBOL)命令 3、 如果定义了start符号，使用start符号值 4、 如果存在.text section，使用.text section的首地址 5、 使用0地址

指定了_start的链接地址为0x0，但编译后，查看System.map会发现，_start的链接地址不是.text的当前地址0x0，原因是编译的时候将其更新了。config.mk中有这么几行：

LDFLAGS += -Bstatic -T $(obj)u-boot.lds $(PLATFORM_LDFLAGS) ifneq ($(TEXT_BASE),) LDFLAGS += -Ttext $(TEXT_BASE)

可知，如果TEXT_BASE不为空，在链接时，ld命令会把参数-Ttext指定的地址TEXT_BASE赋给.text。所以指定链接地址的方式有两种：链接脚本u-boot.lds中指定、config.mk中使用ld命令设定，当同时使用时，以ld命令为准。

最终，我们一般指定链接地址为SDRAM的起始地址，因为第二阶段代码会被搬移到SDRAM中执行，需要保证链接地址和运行地址的一致性。但是最初bootloader是被烧写到flash的0x0地址，ARM架构CPU也是从0x0地址取第一条指令执行，这样链接地址就与运行地址（0x0地址）不相等了，程序运行不会出错吗？

这个困扰我很久的问题，其实在本文的第二部分已经解答了。Bootloader第一阶段代码的运行地址确实是0x0地址，与链接地址不相等，但实际上，程序可以正常运行，所以可以断定第一阶段代码都是位置无关码（PIC）。事实也是如此，所有的目标地址寻址都是使用当前PC值加减偏移量的方法（进行相对跳转），因此该阶段代码在任何地址处都可以正常运行。