u-boot链接分析

kenson

一个典型的嵌入式系统中，bootloader代码放在NOR Flash或NAND Flash里面，系统加电或复位后，首先运行这段代码。通常把bootloader代码放在NOR Flash里面，NAND Flash由于硬件原因不能随机访问，需要特殊的硬件支持机制。
) Y# s5 j, _+ r; K0 ^3 g7 [
5 s4 Y) T# Q: `' U" Bbootloader代码除了初始化以外就是搬运程序，即地址重定位（relocate）。我们为什么需要relocate？主要是经济方面和速度方面的原因。经济方面，NOR Flash和NAND Flash每兆价格相差悬殊，bootloader代码一般在几十到几百K大小，而应用程序通常都很大，几M到几十M的大小，所以用价格低廉的NAND Flash存储。速度方面，程序在NOR Flash里执行的速度远远小于在SDRAM中执行的速度，为了追求更高的速度，也需要relocate，让程序在SDRAM里面执行。

8 v/ m( l( a' o, A: Qrelocate涉及到加载域（VMA）和运行域（LMA）两个概念。加载域是程序代码在ROM、FLASH中的排列次序及地址安排，运行域是程序运行时代码在SRAM、SDRAM中地址安排。存储代码时按照加载域存放在FLASH中，运行时再从FLASH中取出代码到RAM运行域运行，一段代码的加载域和存储域可以不同。（可以参考杜春雷的《ARM体系结构与编程》一书的有关章节）。

7 ?1 A9 Z; a: i( f* v以smdk2410为例，密切相关的就两个文件夹/board/smdk2410和/cpu/arm920t，里面核心文件就u-boot.lds 、config.mk 、start.S。
0 f  ]8 a5 r9 z! H; F8 R) }
/cpu/arm920t/u-boot.lds
: T6 f$ A0 _; f$ z3 D& w        OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
9 `3 d4 k! \6 n3 P        OUTPUT_ARCH(arm)
        ENTRY(_start)
        SECTIONS
        {
                . = 0x00000000; // 从0地址起始
, B0 N- X& r  O, h& }" q
- j9 t& K  T. W9 v- I        . = ALIGN(4);
1 Q8 ^/ b6 J: r( C# F% r& R" s0 `/ ~                .text :
/ K; O. [/ a+ U# c' N: Q! ?                {
- v. I! U6 A+ t( S. H, v                        cpu/arm920t/start.o (.text)
/ i* p# H: @2 R0 J                        *(.text)
- q, r* D! N9 B( r6 |* r. V  A                }

1 \6 V! |1 P) W& Z        . = ALIGN(4);
                .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }
% s/ V) y/ c) G8 i' x
        . = ALIGN(4);
2 ]0 }& r0 k- X0 X. c9 B5 r                .data : { *(.data) }
0 N3 r; |, f1 q
. s! y( ]0 i; o, {        . = ALIGN(4);
                .got : { *(.got) }

" e  q0 Z, g8 T+ S. F        . = .;
                __u_boot_cmd_start = .;
" {! C  S/ [6 _1 F: H# K% f  E- v$ H0 M                .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
  c0 [6 x$ |* {4 ^9 G6 v                __u_boot_cmd_end = .;

- M- [: J+ `) B2 F        . = ALIGN(4);
+ t. I: e) {" R1 }/ k                __bss_start = .;
                .bss (NOLOAD) : { *(.bss) . = ALIGN(4); }
                _end = .;
3 x. S, Z* q0 ]* T& m1 _* \        }
8 S; A% A: Y' r+ c: _, J6 S
, E( v/ C2 ~4 s4 A3 U# @  T9 B连接脚本文件lds中没有设置LMA，只是设置了VMA。VMA的设置是通过顶层目录下的config.mk文件中的LDFLAGS实现的，TEXT_BASE在/board/smdk2410/config.mk中定义为0x33F80000（SDRAM地址）。

LDFLAGS += -Bstatic -T $(obj)u-boot.lds $(PLATFORM_LDFLAGS)
) _& D+ J, c; s9 o/ G  \1 d        ifneq ($(TEXT_BASE),)
3 H  _9 X# q/ _$ Y  \1 i        LDFLAGS += -Ttext $(TEXT_BASE)
* Q, g5 W6 y: Y  p* l        endif

查看u-boot.map文件，代码的连接地址是从0x33F80000开始的。
5 [. h. x% K$ V
167 .text         0x33f80000        0x232c8
) r4 q: `. n' H" v' y2 ?+ T/ M        168        cpu/arm920t/start.o(.text)
        169        .text                0x33f80000                0x4a0 cpu/arm920t/start.o
7 @% O: l# X2 `- w7 z; h3 M        170                                0x33f80048                _bss_start
        171                                0x33f8004c                _bss_end
        172                                0x33f80044                _armboot_start
        173                                0x33f80000                _start
        174        board/samsung/fs2410/lowlevel_init.o(.text)
        175        .text                0x33f804a0         0x64 board/samsung/fs2410/lowlevel_init.o
        176                                0x33f804a4                lowlevel_init
: A7 ^) T3 \. Z9 D        177        board/samsung/fs2410/nand_read.o(.text)
        178        .text                0x33f80504        0xe8 board/samsung/fs2410/nand_read.o
        179                                0x33f80504                wait_idle
        180                                0x33f80518                nand_read_ll
6 f( L$ P5 z6 m& t3 _& N
bootloader代码上电之后之所以能够正确执行，有个很重要的原因，就是最初执行的bootloader代码是地址无关的，即这个映象文件可以被放在内存中的任何一个地址上运行。
4 z6 h! l5 l7 g' p0 ~9 U+ J
9 ]' ?# F5 _  m6 L对于地址无关的代码， 寻址是基于pc值的， 在pc值上+/-一个偏移值得到运行地址，如跳转指令B。当执行完代码搬运，就需要跳到和地址相关的地方去执行，即RAM中。一般是跳转到一个标号，这时地址相关代码就开始运行了，如：ldr pc，_start_armboot。
4 Z6 b0 i  l* w# F, j  {  Q5 U
7 f+ j/ Z) O$ \5 @( f! _因为在bin映象生成的时候，就已经把_start_armboot这个符号和实际地址绑定在一起，当执行ldr pc，_start_armboot 语句时，程序就从在ROM中执行跳入到RAM中了，前提是进行了代码搬移。如果没有代码搬运就执行ldr pc，_start_armboot，因为RAM中没有正确的可执行代码，程序就马上飞掉了，所有在搬运之前不能寻址绝对地址有关代码，必须执行代码地址无关.
. N4 I7 U) M0 [+ d& c
# p6 o& G/ |7 t% V下面的代码是从NOR Flash向SDRAM搬运的代码：
, I2 Q) w6 N2 ?  o4 P" j5 A+ I! V
& d! Q0 |! Z, }: drelocate:
- K& X+ _! c, ?  `; [                adr r0， _start
                ldr r1， _TEXT_BASE
" x% s2 Q+ ~2 p. I                cmp r0， r1
* \5 q% R2 }$ }                beq stack_setup
                ldr r2， _armboot_start
) `) p; o9 I; ^                ldr r3， _bss_start
                sub r2， r3， r2
                add r2， r0， r2
( X: B) g) C" r: G) S' _        copy_loop:
- f& @7 a7 v3 q9 v4 d8 A  w- O                ldmia r0!， {r3-r10}
7 K' e6 a  Q; C5 B                stmia r1!， {r3-r10}
                cmp r0， r2
                ble copy_loop

注意其中的 adr r0, _start，这是一条伪指令，一般被编译器替换为sub r0， pc，#offset ，不要理解为读取符合表中_start符号的地址（0x33F80000）。上电开始执行时，pc从0开始，所以现在r0值为0+offset，不等于_TEXT_BASE（0x33F80000）。接下来要用到链接时确定的符号地址_armboot_start（0x33F80044）了，把_start:0x0 (NOR Flash)里的.text、.data的代码往SDRAM里_TEXT_BASE确定的地址: 0x33f80000搬运。s3c2410的SDRAM基地址是0x3000_0000，由于uboot支持的这个board SDRAM64M（0x3000_0000-0x3400_0000），所以把u-boot.bin搬运到内存的高端地址.然后跳到内存中执行，提高速度。

kenson

2.u-boot映像的地址0并非指物理地址0，由不同的启动方式映射到不同的地址。例如v210是映射到0xD0000000处的irom。

3.TEXT_BASE等指向SDRAM的地址均为虚拟地址。

4.TEXT_BASE为顶层Makefile中定义的，例如三星官方BSP中定义的是0xC3E00000，它是程序实际的链接首地址。

5.SDRAM_BASE被MMU映射在0xC0000000。

6._end和__bss_start为链接脚本文件中最后定义的bss段，在链接时确定，并与u-boot映像编译在一起。

7.在bl1段运行时，u-boot映像被复制到TEXT_BASE开始的地址处。

8. u-boot分配用户栈顶的代码为：
- P+ A' t3 U5 k3 s3 r& v& W% L ldr r0, _TEXT_BASE  /* upper 128 KiB: relocated uboot   */      将0xc3e00000加载到r0
' L8 o8 x8 ^# r- S sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* malloc area                      */      r0减去0x4000的malloc域
sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* bdinfo                        */      r0减去128字节的全局结构体
#if defined(CONFIG_USE_IRQ)
, M& j" @6 s: w7 K7 c' l. Q sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)   如果用户有使用IRQ，再减去2*4*1024的中断栈空间
#endif
sub sp, r0, #12  /* leave 3 words for abort-stack    */      为取址终止异常预留3个字空间后设置好用户sp

kenson

转自于http://hi.baidu.com/willowduan/item/911a7ad2e0f343312b35c733
& B8 Q& K3 o4 E9 B0 s

花了两天时间来专门研究u-boot的内存分布，这个图网上已经有了，但只是大致图形，没有详细、深入解析。所以自己就专门画了图，添加一些东西。

此外，还专门测试了一下u-boot下全局变量、未初始化变量等等的地址分布，也画了一张图。不过好像跟linux下进程的内存分布不太一致，估计是u-boot自己管理内存的——很明显，此时linux还不知道在哪里呢。但是，这些都不妨碍我们学习一些底层的东西。

这个测试就是自己编写一个自定义的命令，添加自定义命令其实很简单的，在中已经简单写了一下了。本着“够用即可”的原则，还没有深入追踪u-boot到底如何实现shell命令的——有些时候难得糊涂是很有必要的，凡事看开些总归有好处。

2 k  R0 f* C! |4 I+ e# T$ l

先上第一张图：

再上第二张图：

测试代码如下：

#include
#include
#include
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
int g_foo = 100;
+ c4 V8 x3 a- p; aint g_foo_bss;
static int g_foo_static;
3 V7 u7 ^$ K6 V% D: F  C2 }/ qint do_test(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
9 f. D# H4 s* G2 R{
# A9 u8 Q  F/ G9 R int l_foo = 100;
int l_foo_bss;
, T" y1 g' V! M4 m9 s# Q* ^7 S static int l_foo_static;
9 v; M0 d  T+ \) C9 _1 V- k3 K char *bar;
7 `9 W5 h3 P8 f- `( x8 u char *hello="hello world";
- }. I8 |2 P3 J
# f: Q) ~# F+ v. Q3 a: I bar = (char*)malloc(strlen(hello) + 1);
! C" @! |8 X& S! c- W. @ if (bar == NULL)
$ [' n, D% G6 k2 X  return 1;
strcpy(bar, hello);
) Q$ M* d) F( o
printf("sizeof gd:%d sizeof bd:%d", sizeof(gd_t), sizeof(bd_t));
7 k  P: I5 u0 s8 R! o4 d printf("gd:%08lx bd:%08lx bd->flags:%d",gd,gd->bd,gd->flags);
! C/ b$ \' I- e1 _# U
0 _; C- _4 Y" Y8 e- R printf("do_test:%p &do_test:%p", do_test, &do_test);
printf("g_foo:%p g_foo_bss:%p g_foo_static:%p",&g_foo,&g_foo_bss,&g_foo_static);
printf("l_foo:%p l_foo_bss:%p l_foo_static:%p",&l_foo,&l_foo_bss,&l_foo_static);
printf("hello:%p bar:%s bar:%p", hello, bar, &bar);
, e- @9 U8 ?! {0 |; G free(bar);
/ |. h% k( `- @ return 0;
}
8 F7 [* c5 y  y  m8 sU_BOOT_CMD(
6 v" i2 p3 W/ f. j gotohell, 2, 1,do_test,
3 m5 X2 v9 `( \) s; S7 b "just a test of my own",
3 F. _5 l- `( ?- r# m" Q; V "nothing"
  D5 t9 Z5 \; A0 G);

$ n0 R' d  L! `1 V$ x$ G; h

启动信息如下(有删改)

U-Boot 2010.09-svn9 (Nov 30 2010 - 09:36:08)

# V/ b& o% ?+ rU-Boot code: 33F80000 -> 33F9CC64  BSS: -> 33FA1EC0
I2C:   ready
RAM Configuration:
4 u2 u/ w" g+ {0 {) E- s; g8 WBank #0: 30000000 64 MiB
( i' O- n6 F4 E/ a8 Y9 T4 TFlash: 8 MiB
) U+ S0 W! F1 x2 P* ~/ _*** Warning - bad CRC, using default environment

In:    serial
3 f* E8 l) `' oOut:   serial
Err:   serial
Net:   dm9000
Hit any key to stop autoboot:  0
LATE2440> gotohell
! N* ^7 c0 s: c+ Usizeof gd:32 sizeof bd:28
gd:33f4ffe0 bd:33f4ffc4 bd->flags:3
do_test:33f90740 &do_test:33f90740
g_foo:33f9c59c g_foo_bss:33fa1dbc g_foo_static:33fa1dc0
l_foo:33f4fbc4 l_foo_bss:33f4fbc0 l_foo_static:33fa1dc4
/ S: U5 S7 L2 f- d0 Mhello:33f9b5e4 bar:hello world bar:33f4fbbc
% w% u1 }' h) K3 Z( A# W) }LATE2440>

6 q# e! C) y1 ?

其中的“U-Boot 2010.09-svn9 ”表示在svn控制下的第9个版本(看来提交服务器不勤快啊！)

注：本文出现的地址肯定会根据实际情况而改变（因为u-boot映像文件大小会改变的）！但也肯定不会影响其本质！这一点，山人可以作保证。如果有心情，可以使用md来查看你想查看的内存地址的内容，对比代码，这样可以认识更深入一些。

比如，某一些查看内存是这样的：

LATE2440> md.b 33f9b62c (这个地址是hello那个地址，注意，这个地址改变了)
33f9b62c: 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64 00 73 69 7a 65    hello world.size
" X: a4 y. R$ v# f) Q* y! r: s33f9b63c: 6f 66 20 67 64 3a 25 64 20 73 69 7a 65 6f 66 20    of gd:%d sizeof
33f9b64c: 62 64 3a 25 64 0a 00 67 64 3a 25 30 38 6c 78 20    bd:%d..gd:%08lx
2 w2 K5 b8 j/ G. G$ g) X6 }33f9b65c: 62 64 3a 25 30 38 6c 78 20 62 64 2d 3e 66 6c 61    bd:%08lx bd->fla
3 z  R4 K7 p( p7 {# X  y. A9 uLATE2440>
33f9b66c: 67 73 3a 25 64 0a 00 64 6f 5f 74 65 73 74 3a 25    gs:%d..do_test:%
33f9b67c: 70 20 26 64 6f 5f 74 65 73 74 3a 25 70 0a 00 67    p &do_test:%p..g
; Y: P% t& n0 I+ e# U! s33f9b68c: 5f 66 6f 6f 3a 25 70 20 67 5f 66 6f 6f 5f 62 73    _foo:%p g_foo_bs
33f9b69c: 73 3a 25 70 20 67 5f 66 6f 6f 5f 73 74 61 74 69    s:%p g_foo_stati
3 G5 u/ O9 m+ D" wLATE2440>
33f9b6ac: 63 3a 25 70 0a 00 6c 5f 66 6f 6f 3a 25 70 20 6c    c:%p..l_foo:%p l
+ d. c9 `& z* y( k33f9b6bc: 5f 66 6f 6f 5f 62 73 73 3a 25 70 20 6c 5f 66 6f    _foo_bss:%p l_fo
4 b/ ~/ {# `0 o33f9b6cc: 6f 5f 73 74 61 74 69 63 3a 25 70 0a 00 68 65 6c    o_static:%p..hel
33f9b6dc: 6c 6f 3a 25 70 20 62 61 72 3a 25 73 20 62 61 72    lo:%p bar:%s bar

本文有图有真相，不作太多解释，以免显露自己的无知及不足。

4 ^8 x& ]* g. M4 ~3 |

hotdll

谢谢楼主解惑，写的这么详细。

kenson

hotdll 发表于 2017-6-12 21:26
; s! L; J, k; f- D谢谢楼主解惑，写的这么详细。

$ H. k1 t4 _/ L很高兴对你有帮助