技术心得:基于AR9331(MIPS架构)分析系统启动过程(uboot)

简介: 技术心得: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 和有提到)


此地址属于MIPS的KSEG1的地址范围内(见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

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


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_bootcmd##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)


//代码参考:https://weibo.com/u/7930570539

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

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