ppc-booting-sequence

文章由LinuxBoy分享于2019-04-01 03:04:13热评（120）

ppc-booting-sequence

Powerpc启动顺序分析。

摘要：本文致力于研究Powerpc的引导技术，其中包括U-boot启动代码分析，kernel for Powerpc 启动代码分析，以及U-boot加载kernel代码分析。以上三个部分属于体系结构相关的内容。

由于时间有限，只是对代码进行粗读。

一、Kernel 启动代码分析
如果由u-boot解压缩内核，则内核的入口点是arch/ppc/head.s，注意，如果使用新的bsp，则arch使用powerpc而不是ppc。Ppc主要针对32位系统，powerpc把32位系统与64位系统整合在一起。

Powerpc有四种子体系：PMAC——PowerMacintosh主要是对mac的支持；PReP主要支持IBM，motorola，我们的ppc 440，460，mpc8548应该属于这个体系；CHRP支持IBM RS/6000，Genesi；APUS Amiga Power-UP Systems (APUS)。每种架构的启动是不一样的。

head.s

1、找到_start，首先根据ABI规范保存r3~r7（保存到r27~r31）。主要是一些内核参数。此时mmu是打开的，当然物理内核和虚拟内存相同。然后跳到early_init中把bss清零，然后判断CPU类型，根据类型判断物理地址（在关掉mmu时需要定位代码所在的物理地址），最后通过r3返回物理地址。

2、Bl mmu_off 关mmu，默认启动mmu是开启的，使用cpu内部的tlb进行内存映射。

3、Bl clear_bats 清除block address table

4、BL Flush_tlbs 应该是刷新tlb//其实都是写寄存器的操作。

5、Bl initial_bats 将前16M内存映射给内核使用。

6、Bl reloc_offset 计算连接地址与实际地址的偏移

7、Call_setup_cpu 设置cpu的ctl寄存器

8、Reloc_kernel 如果有必要则reloc

9、B turn_on_mmu 这个函数通过rfi返回，将SPRN_SRR0设置成start_here地址，rfi中断返回时将跳到这个地址执行，并切换上下文。

10、 Start_here 真正的打开mmu，通过rfi跳转到start_kernel运行。

11、 Start_kernel在main.c中，后面的内容和所有架构下无异。

二、 U-boot启动代码分析
U-Boot启动代码（for ppc）主要关注如下几个文件：1、u-boot.lds，2、start.s，3、board.c。u-boot.lds是链接文件，一般在对应开发板目录下；

Start.s 是启动代码文件，一般在对应得cpu目录下；

Board.c 是板子初始化文件，一般在对应体系结构的lib下；

首先来看u-boot.lds，从这个文件可以找到整个程序的入口位置。开头代码如下：

OUTPUT_ARCH(powerpc) /*代码是for ppc的*/

/* Do we need any of these for elf?

__DYNAMIC = 0; */

SECTIONS

{

.resetvec 0xFFFFFFFC : /*定义resetvec段在0xFFFFFFFC位置，这个位置是ppc上电后IP指向的位置*/

{

*(.resetvec) /*段内容*/

} = 0xffff /*用0xffff填充空余部分*/

.bootpg 0xFFFFF000 : /*定义.bootpg段在0xFFFFF000位置*/

{

cpu/ppc4xx/start.o (.bootpg)

} = 0xffff /*用0xffff填充空余部分*/

…………

现在找到resetvec.s 文件。

#include <config.h>

.section .resetvec,"ax"

#if defined(CONFIG_440)

b _start_440 /*CPU上电后执行的第一条命令：b _start_440*/

#else

#if defined(CONFIG_BOOT_PCI) && defined(CONFIG_MIP405)

b _start_pci

#else

b _start

#endif

Start.S 代码分析。_start_440在start.s中定义。Ppc440启动时，只有最高位的4k地址被TLB映射，此时控制器将最高4k的内容拷贝到cache中运行（我猜想在启动时440将自己的cache作为ram来使用，这样在不初始化外部ram的时候也能跑代码）。Start.s正是位于这4k当中，因此start.s担负着初始化整个正常环境的重任。接下来：

1) 设置中断控制器寄存器

2) 设置调试寄存器

3) 设置cpu控制器寄存器

4) 安装中断向量

5) 配置cache

6) 初始化mmu控制器，在启动时使用I/D cache控制器中的tlb实现地址映射。

7) 删除所有的tlb entries

8) 建立新的tlb。包括16M启动flash，内存，PCI存储空间，BCSR空间等等。

9) B _start 跳转到_start。

10) 此时需要建立新的工作环境，因此首先需要disable异常和中断。

11) 设置intenal ram

12) 设置电源管理

13) 设置堆栈（到这里为止代码应该是在cache中）

14) bl cpu_init_f（board.c）跳到Flash中执行cpu初始化。此时内存并没有完全初始化，堆栈空间很小，BSS也没有初始化。这段代码主要是打开一个console以便于调试，以及初始化RAM。以便把代码全部搬到RAM中运行。还有一个重要工作就是获取全局数据——gd。

Cpu_init_f:

（1） gd = (gd_t *) (CFG_INIT_RAM_ADDR + CFG_GBL_DATA_OFFSET);全局gd指针。__asm__ __volatile__("": : :"memory"); 内存壁垒，防止编译器优化。清空gd。

（2） for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {

if ((*init_fnc_ptr) () != 0) {

hang ();

}

}/*cpu/board /console… 初始化*/

（3）设置gd

（4）初始化sram

（5）计算需要保护的内存区域(board infor，kernel log buf ，monitor code等等)，addr即为除去保护内存后用于存放relocate code的地址，addr_sp为堆栈可以使用的基地址

（6）调用relocate_code (start.s文件中) ，r3 = addr_sp , r4 = gd, r5= addr

Relocate_code:

(1) 使能I/D cache

(2) 使用新的stack：r1=addr_sp。将gd（global data）保存在 r9中，将relocate code地址保存在r10中

mr r1, r3 /* Set new stack pointer */

mr r9, r4 /* Save copy of Init Data pointer */

mr r10, r5 /* Save copy of Destination Address */

(3) 重定位GOT

(4) Relocate code

(5) Flush D cache

(6) 跳转到in_ram代码中，r10中保存着RAM中代码起始位置，加上in_ram的相对位置即为in_ram在ram中的位置：

addi r0, r10, in_ram - _start + _START_OFFSET

mtlr r0

blr /* NEVER RETURNS! */

in_ram:

(1) 重定位GOT2

(2) Clear bss

(3) 将gd以及代码在内存中的起始位置作为参数，调用board_init_r

mr r3, r9 /* Init Data pointer */

mr r4, r10 /* Destination Address */

bl board_init_r

下面再次进入board.c 文件

board_init_r：

这部分代码初始化一些列外设，这里只提几个感兴趣的地方。

（1）建立Command table。U-boot支持N多命令，通过一个cmdtbl来管理，这个cmdtbl是在运行时被负值的

for (cmdtp = &__u_boot_cmd_start; cmdtp != &__u_boot_cmd_end; cmdtp++) {……}

u-boot的命令都被定义在.u_boot.cmd段，并在链接时确定期位置：在__u_boot_cmd_start和__u_boot_cmd_end之间。

（2） Trap的安装是通过调用start.s中的代码完成的。其实就是将原有的trap重定位到dest_addr，也就是RAM中的起始位置。

（3）茫茫多设备的初始化 …………

（4）进入main_loop()等待用户输入命令，如bootm命令。

三、 Bootm代码分析
目前大多数kernel的booting都由bootm来完成，可以说这个函数是连接U-boot和kernel的桥梁，bootm命令主要通过do_bootm()（/common/cmd_bootm.c）函数和do_bootm_linux()(/lib_ppc/bootm.c)函数来实现。后者是与架构相关的。Powerpc kernel booting有两种方式：1、使用of——open firmware；2、使用dt——device tree。现在高版本的u-boot基本都支持dt启动方式。在制作uImage时会在Image head中加入一段信息，告诉u-boot使用的启动方式。这里只讨论dt启动方式。

其实整个启动过程很简单，do_bootm命令接收命令行参数，根据命令行参数对内核的资源进行有效性校验，然后将所有信息存入image结构。并把这个结构传递给bootm.c。bootm.c 从image中找到内核、ramdisk、cmdline以及FDT，将cmdline保存在固定的位置，然后跳转到kernel所在的地址，并把FDT和kernel本身的地址作为参数传递过去，kernel会根据cmdline中的信息选择启动方式。

1、当用户敲入bootm kernel_addr – fdt_addr时，u-boot调用do_bootm函数。

2、Local memory block initiate。初始化本地存储块（可能是用户kernel内存管理）

3、boot_get_kernel（），这个函数找到kernel image，验证其完整性，并定位内核数据。将信息存放在images中。

fit_parse_conf；取出load_addr，这个地址在uImage编译时确定。

genimg_get_image；如果image在flash上，则拷贝到load_addr内存中。

image_get_type；判断image head的类型，显然kernel应该是IH_TYPE_KERNEL类型的。

image_get_kernel；根据image head中的信息对image进行校验。

image_get_data；取得kernel数据指针。

image_get_data_size；取得kernel大小。

返回image地址

4、判断压缩格式，并解压缩内核

5、调用do_bootm_linux（）函数启动内核。

下面分析do_bootm_linux（）函数。这个函数比较重要，我们将详细分析之。

（1）首先为内核命令行参数分配空间，这个空间必须在内核可以访问的高地址，并且不会被其他数据干扰。取出sp值：int sp； asm( "mr %0,1": "=r"(sp) : );// sp=r1。即栈。

（2） sp -= 1024; 留出1k空间，保证访问安全

（3） lmb_reserve(lmb, sp, (CFG_SDRAM_BASE + get_effective_memsize() - sp)); //把这sp以上的空间加入到lmb保护起来。

（4） boot_get_fdt ：获取fdt，这段代码较长，我没有细看。主要就是从image中获取tdt的地址和大小。

（5） boot_get_cmdline：获取命令行参数，在lmb中申请一段空间，然后把uboot中bootargs的内容复制到里面。

（6） boot_get_kbd：获取board info，也就是从gd（global data）中将bd复制到lmb中。

（7）找到内核起始位置

（8）找ramdisk。如果有，首先判断是否有效，是否是initrd，然后拷贝到RAM中的rd_load地址，这个地址在image 结构中有定义。

（9） boot_relocate_fdt ：将fdt定位到lmb中

（10）启动内核，将fdt参数和内核本身参数传递给内核。

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