嵌入式u-boot浅析

u-boot主要目的是为操作系统的运行提供准备工作，根据其运行流程简单的分为四部分：_start、board_init_f、relocate_code和board_init_r。其中_start和relocate_code是运行在flash上，而board_init_f和board_init_r是运行于DRAM上的。
下面对其四个部分进行简单的介绍分析：
1、_start
这是u-boot的起始部分，程序从/u-boot/cpu/mips/start.S文件中的_start代码段开始执行的。由于此时内存未初始化，所以该部分是运行于flash上的。其主要的内容有：
（1）    对cpu相关寄存器的初始化；
（2）    TLB（Translation Lookaside Buffer）初始化；
（3）    初始化一块临时内存作为栈空间scratch memory，为内存初始化之前调用c语言使用；
（4）    初始化全局符号表指针GOT pointer；

（5）    使用跳转命令跳转到board_init_f；

2、board_init_f

    该部分是在上面申请的临时内存空间中运行的，主要是内存的初始化及整个寻址空间的部分初始化。其主要是循环调用init_sequence函数指针数组中的成员，如下所示

init_fnc_t *init_sequence[] = {      octeon_boot_bus_init,  // GPIO使能、flash空间映射及大小设置等；      timer_init,      env_init,                    early_board_init,   //cpu主频、板子型号等初始化；      init_baudrate,  //串口频率配置；      serial_init, //串口初始化；      console_init_f,      display_banner,              init_dram,  //内存初始化；      checkboard,  //一些检测；      init_func_ram,      switch_init, //初始化switch的配置；      NULL,};

完成上述初始化后，将会申请1MB的内存空间用于存放u-boot代码，并初始化这一内存空间。然后跳转到relocate_code。
3、relocate_code
     该部分主要是将u-boot拷贝到上面申请的1MB内存空间中，然后跳转到board_init_r。
4、board_init_r
  该部分主要是完成后续环境的初始化，如堆空间的分配、串口初始化和网卡初始化等。到目前为止u-boot启动基本完成，已为操作系统运行准备了必要的环境。

5、调试
u-boot的调试方法有很多种，下面介绍两种方式：使用led灯（即点灯）、利用一个已调试完成的u-boot引导调试另一个u-boot等。
在调试过程中在串口未初始化时可以使用点灯的方式跟踪，如果串口已初始化而未输出调试信息，可以关注对串口的配置是否正确。


（1）点灯
所谓的点灯既是在串口设备未初始化之前，驱动led灯的闪烁来判断程序的执行流程来完成调试。使用点灯调试首先需要了解到cpu芯片和led的连接方式，以及所使用的寄存器等。根据pcb图可以得知cpu芯片和led是通过GPIO的进行连接的，再从cpu芯片厂商提供的datasheet查询操作GPIO的相关寄存器和方法。
点灯可以分为两种方式：一种是使用汇编指令进行点灯操作，具体的汇编指令依赖所使用的cpu架构，本文的cpu架构为MIPS；另一种是使用u-boot提供的相关C语言接口进行点灯操作。下面均以GPIO 10的操作分别进行简单介绍：
1）汇编指令点灯操作

#if 1        nop        dli     t0, 0x8001070000000850 /* GPIO 10 */        ld      t1, 0(t0)        or      t1, 1        sd      t1, 0(t0)        nop        ld      t1, 1        nopled:        ld      t1, 1        bne     zero, t1, led        nop#endif

2）C语言接口点灯操作

void gpio_set(int bit)//bit为GPIO号{                uint64_t val = read_csr(GPIO_BIT_CFGX(bit));     write_csr(GPIO_BIT_CFGX(bit), val | 1);     val = read_csr(GPIO_BOOT_ENA);     write_csr(GPIO_BOOT_ENA, val & ~(1<<bit));     write_csr(GPIO_TX_SET, 1 << bit);             }

（2）u-boot引导u-boot
使用u-boot调试u-boot的方式主要是通过已调试完成的u-boot去调试一个待调试的u-boot，本文使用已调试完成的first_uboot作为引导。调试的方式分为两种：
1）待first_uboot启动完成之后，使用其提供的命令（如go）跳转到待调试的u-boot；
2）在first_uboot刚启动时，通过控制汇编跳转指令跳转到待调试的u-boot。
上述两种方式都是为了在调试u-boot过程中减少将flash摘除到擦写器中擦写的次数，提高调试效率。
两者的调试方式虽然类似，但是使用的时期具有一定的区别。第一种方式通过go命令跳转说明first_uboot已经将硬件环境进行了相关的初始化，所以跳转执行时会将待调试的u-boot拷贝到内存中执行，这将导致待调试u-boot初始化硬件的过程不完整。所以建议第一种调试方式主要用于进行初步调试，查看一些不依赖硬件的相关参数。第二种方式可以通过控制跳转点的位置来确保safe_loader还未硬件初始化就跳转到待调试u-boot，这样就能较为完整的调试u-boot，过程中需要结合上述的点灯等操作。虽然这样跳转能确保大部分硬件得到初始化，但是仍然会有一定的问题，目前发现的问题是该cpu为双核，但是通过这样的引导之后加载linux内核未能将第二颗核启动。调试完成之后只使用该u-boot可以顺利将第二颗核启动。

1）go命令跳转
使用go命令跳转进行调试时需要确定已调试的u-boot是否支持该命令，以及待调试u-boot中的相关配置需要进行调整。本文使用已调试完成的first_uboot可以通过命令go跳转到待调试的u-boot进行调试。其中待调试的u-boot需要修改顶层Makefile中的指定其在flash的位置，本文改为0xbec30000。
从上图可以看到需要将first_uboot和u-boot烧录到flash中，先启动first_uboot,完成之后执行go命令跳转到待调试的u-boot中。在调试过程中需要打开u-boot中的相关调试开关，也可以在关键地方增加相应调试信息。

2）汇编指令跳转
根据pcb图并结合u-boot提供的启动汇编代码可以得出，可以使用设备上的RST键进行跳转。从如下截图中可以看出RST键是通过GPIO连接到CPU芯片的GPIO 5号脚。
 
据上面的分析可以设计的调试方式是在启动first_uboot时按RST键则跳转到调试的u-boot，否则继续执行。如下的汇编代码实现了这一调试需求，即在first_uboot刚加载时读取GPIO 5的值，用于判断执行分支。注意跳转指令所使用的地址，j指令为直接跳转，其跳转的地址范围是28位即最大跳转地址空间为256MB；如果跳转地址大过该范围，需要使用寄存器跳转方式，如jr   t1。

#define GPIO_BIT 5     //GPIO 引脚号#define GPIO_RX_DAT  0x8001070000000880 //GPIO状态寄存器dli     t0, GPIO_RX_DATld      t1, 0(t0)andi    t1, (0x1 << GPIO_BIT)bne     zero, t1, boot_contnopli      t1, 0xbfc30000  //跳转地址赋值；j      t1   // 跳转到指定地址，即调试u-boot的起始地址