u-boot链接分析

kenson

8 q4 R, U, `8 j0 B  ~. Y5 J! o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。
2 [( t; v4 O0 C5 ^+ a$ Y
bootloader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。

. x7 T$ B, b' V& n+ a* drelocate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）。

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。
! x7 R. O6 a: K, Z
( L( \7 q$ s' `% }* {$ \. ?/cpu/arm920t/u-boot.lds
) m: c0 L. e; G) V" R$ D( k. X4 h        OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
' n, e. b0 j5 E! h; y        OUTPUT_ARCH(arm)
        ENTRY(_start)
9 J. j& V! E4 T8 Q$ J) a, t$ }        SECTIONS
# t4 v! j1 J! S; H! [1 E; \        {
8 \) p' Q) j2 ~" I6 M$ W- y- @                . = 0x00000000; // 从0地址起始

6 K% t+ N* _9 u+ r4 Y8 C( J2 v        . = ALIGN(4);
                .text :
                {
+ z3 M# o+ ^6 O  ?4 R9 @9 o                        cpu/arm920t/start.o (.text)
                        *(.text)
                }
& @& X4 G* _8 w! p  F
  u; Z: l; i) e: {/ f, r1 e        . = ALIGN(4);
  c" v# m& t% s: ]5 C+ ]4 F                .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }

        . = ALIGN(4);
9 }( R* j4 ?* `( I7 P                .data : { *(.data) }
9 s, |( O8 v. y4 G; B6 S6 Y; T
        . = ALIGN(4);
1 A$ m+ W* _* h9 \. v3 O                .got : { *(.got) }
$ ^! }, a7 U" C  F: E0 r4 s
        . = .;
                __u_boot_cmd_start = .;
2 O9 I4 a& M# ^0 D  T2 J                .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
                __u_boot_cmd_end = .;

        . = ALIGN(4);
                __bss_start = .;
                .bss (NOLOAD) : { *(.bss) . = ALIGN(4); }
                _end = .;
; J5 d+ q. x$ x' u7 R/ k: I5 w        }
4 q& X4 Q* L: s" s! u$ G
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 $(PLATFORM_LDFLAGS)
        ifneq ($(TEXT_BASE),)
) j2 B6 [* d* U' i( O5 z        LDFLAGS += -Ttext $(TEXT_BASE)
; J4 `0 r5 s5 F- D+ h        endif
+ j" O! N* y( ~
查看u-boot.map文件，代码的连接地址是从0x33F80000开始的。
0 q/ O( u- F2 A) B
" H6 W1 F" y0 A( A167 .text         0x33f80000        0x232c8
2 |* f6 u9 G% T. v3 G$ J! u% J2 {( t        168        cpu/arm920t/start.o(.text)
6 O4 H% o2 h3 J- K3 t4 `1 c        169        .text                0x33f80000                0x4a0 cpu/arm920t/start.o
        170                                0x33f80048                _bss_start
        171                                0x33f8004c                _bss_end
        172                                0x33f80044                _armboot_start
        173                                0x33f80000                _start
& v8 G, m1 {( m6 w/ u        174        board/samsung/fs2410/lowlevel_init.o(.text)
, E5 @: O" m5 v( u$ ~. T        175        .text                0x33f804a0         0x64 board/samsung/fs2410/lowlevel_init.o
        176                                0x33f804a4                lowlevel_init
+ _: ^0 i& p$ r# s  U$ X        177        board/samsung/fs2410/nand_read.o(.text)
        178        .text                0x33f80504        0xe8 board/samsung/fs2410/nand_read.o
$ M) T$ ~: Y* K8 s& ?        179                                0x33f80504                wait_idle
        180                                0x33f80518                nand_read_ll

4 k% u& \" C- N, _+ O# D1 xbootloader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。
/ O1 g+ s8 ], U& c# M
+ w' ]( e' }5 ^( v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。

. ~- J7 d1 i4 G) E/ c6 r- a' a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.

* w3 I) j& X+ k/ |2 k下面的代码是从NOR Flash向SDRAM搬运的代码：
4 i  O7 M  k$ [6 K+ U" c
relocate:
                adr r0， _start
                ldr r1， _TEXT_BASE
                cmp r0， r1
                beq stack_setup
; J0 ?) T9 e9 w# e                ldr r2， _armboot_start
                ldr r3， _bss_start
                sub r2， r3， r2
                add r2， r0， r2
        copy_loop:
                ldmia r0!， {r3-r10}
                stmia r1!， {r3-r10}
                cmp r0， r2
! u; p. O$ t3 L! N% o. ?                ble copy_loop

  ]# K9 v: W% p1 {% `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：
3 |) q0 J. g9 t- f5 M ldr r0, _TEXT_BASE  /* upper 128 KiB: relocated uboot   */      将0xc3e00000加载到r0
sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* malloc area                      */      r0减去0x4000的malloc域
5 d* h4 x9 m2 v* ^$ |5 K; u 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)
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
4 P$ @' P" i0 |9 ~" `1 Z#endif
! ]( q0 [" _4 d0 K 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

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。

先上第一张图：

再上第二张图：

测试代码如下：

#include
#include
#include
# o1 w3 j" t% s' o+ jDECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
int g_foo = 100;
int g_foo_bss;
6 _; L/ s* j( c, Ystatic int g_foo_static;
int do_test(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
{
int l_foo = 100;
1 U8 k# v6 V; V$ U7 i int l_foo_bss;
static int l_foo_static;
char *bar;
( b% c6 D% p* r# T0 A' H% Y char *hello="hello world";

bar = (char*)malloc(strlen(hello) + 1);
! D0 _$ S: E9 g( I if (bar == NULL)
  return 1;
strcpy(bar, hello);

: a0 \5 c8 o" `4 u3 s" {4 n printf("sizeof gd:%d sizeof bd:%d", sizeof(gd_t), sizeof(bd_t));
& ~9 N) Q" b8 z9 i2 K- }" I printf("gd:%08lx bd:%08lx bd->flags:%d",gd,gd->bd,gd->flags);

printf("do_test:%p &do_test:%p", do_test, &do_test);
  O4 i: L( k% Z: @. p 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);
free(bar);
return 0;
}
U_BOOT_CMD(
8 S" S2 W4 l( A- q3 c9 G' J" } gotohell, 2, 1,do_test,
' z9 S2 G0 W) q2 ?/ o9 e( w1 Q "just a test of my own",
"nothing"
8 \8 M) J0 F- f* c);

启动信息如下(有删改)

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

( z) L# x% E" F" C- ?3 ZU-Boot code: 33F80000 -> 33F9CC64  BSS: -> 33FA1EC0
I2C:   ready
# D4 I5 @$ @  [& X- n/ B6 oRAM Configuration:
# i$ k, z% ~! ~" [. X$ `' g0 {; rBank #0: 30000000 64 MiB
Flash: 8 MiB
0 O+ e) p* U1 s( U0 b5 v/ O) A*** Warning - bad CRC, using default environment

In:    serial
Out:   serial
Err:   serial
Net:   dm9000
Hit any key to stop autoboot:  0
  C* d. N' d2 Z, b% b# O+ a2 [LATE2440> gotohell
sizeof gd:32 sizeof bd:28
# g3 t  R7 h# P6 r  ]6 h: q9 cgd:33f4ffe0 bd:33f4ffc4 bd->flags:3
do_test:33f90740 &do_test:33f90740
0 n1 @8 n! [+ V8 `2 yg_foo:33f9c59c g_foo_bss:33fa1dbc g_foo_static:33fa1dc0
l_foo:33f4fbc4 l_foo_bss:33f4fbc0 l_foo_static:33fa1dc4
0 y( N7 t( i& n9 [/ f9 D1 J0 Thello:33f9b5e4 bar:hello world bar:33f4fbbc
LATE2440>

; u+ S' B3 s* k+ D  |

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！)

8 v4 |2 i1 S. }4 S

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
33f9b63c: 6f 66 20 67 64 3a 25 64 20 73 69 7a 65 6f 66 20    of gd:%d sizeof
) v5 t5 {* X) p4 J; d& X- Y) S. R33f9b64c: 62 64 3a 25 64 0a 00 67 64 3a 25 30 38 6c 78 20    bd:%d..gd:%08lx
- k' J7 H# d& [0 D: f* S: G33f9b65c: 62 64 3a 25 30 38 6c 78 20 62 64 2d 3e 66 6c 61    bd:%08lx bd->fla
9 z1 l" R. _0 I% lLATE2440>
; |" X4 ~) g. v1 F$ r33f9b66c: 67 73 3a 25 64 0a 00 64 6f 5f 74 65 73 74 3a 25    gs:%d..do_test:%
. u- ^* \8 @6 o# i! z33f9b67c: 70 20 26 64 6f 5f 74 65 73 74 3a 25 70 0a 00 67    p &do_test:%p..g
33f9b68c: 5f 66 6f 6f 3a 25 70 20 67 5f 66 6f 6f 5f 62 73    _foo:%p g_foo_bs
* f0 O; `- N8 A5 K! _9 x" E33f9b69c: 73 3a 25 70 20 67 5f 66 6f 6f 5f 73 74 61 74 69    s:%p g_foo_stati
6 R; R0 X/ j8 r& v. BLATE2440>
' q) z* g8 p) @) y: K33f9b6ac: 63 3a 25 70 0a 00 6c 5f 66 6f 6f 3a 25 70 20 6c    c:%p..l_foo:%p l
4 B9 I0 w. u  r2 N. a+ ~0 |33f9b6bc: 5f 66 6f 6f 5f 62 73 73 3a 25 70 20 6c 5f 66 6f    _foo_bss:%p l_fo
33f9b6cc: 6f 5f 73 74 61 74 69 63 3a 25 70 0a 00 68 65 6c    o_static:%p..hel
+ ~$ g2 r9 r. A33f9b6dc: 6c 6f 3a 25 70 20 62 61 72 3a 25 73 20 62 61 72    lo:%p bar:%s bar

! p* @/ _: I* y9 b

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。

hotdll

谢谢楼主解惑，写的这么详细。

kenson

hotdll 发表于 2017-6-12 21:26
谢谢楼主解惑，写的这么详细。

很高兴对你有帮助