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。
. a+ q: O9 ^. N7 I0 u
4 p# c5 u  W$ h* c! |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。

relocate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）。

9 o. A$ b6 o/ N* \9 P7 H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。
# k6 l5 o5 T. L5 I! \& w1 Z( U
3 F3 u. a  [- P  z! G: r9 q- B  G! C/cpu/arm920t/u-boot.lds
# }+ ]: c( g7 ~6 a/ h        OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
8 o; _  Y/ i3 q+ s! K  K$ _        OUTPUT_ARCH(arm)
        ENTRY(_start)
        SECTIONS
0 w3 m, s3 e' m3 j        {
                . = 0x00000000; // 从0地址起始

        . = ALIGN(4);
                .text :
                {
                        cpu/arm920t/start.o (.text)
8 t3 F8 `: d/ M5 P% Q                        *(.text)
                }

7 l/ ?' d8 j, ~1 ~2 l& Z' g        . = ALIGN(4);
                .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }
1 e8 x9 U- s  ~  i5 O
% R# }3 o- g" _; E# e- R4 A5 b, t        . = ALIGN(4);
                .data : { *(.data) }
# E5 W1 i( Q2 Z* N* t! p' v
        . = ALIGN(4);
                .got : { *(.got) }

        . = .;
2 Q; w0 O1 D7 T; f6 I- n) p+ E                __u_boot_cmd_start = .;
1 q+ s% t( d; ]$ S                .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
3 r; V4 H8 `2 {0 c6 X% f  I; W$ d                __u_boot_cmd_end = .;

. _/ v6 g: }/ `9 [7 A9 Q        . = ALIGN(4);
) m2 U( Z% M# c6 P                __bss_start = .;
2 ~( _# k  }* z8 A3 R                .bss (NOLOAD) : { *(.bss) . = ALIGN(4); }
# Y8 c* w+ m" `5 U5 Q1 i* D+ `; u; J                _end = .;
        }
/ y. R3 j& W( [$ `+ T
+ P8 o* ~7 K9 D$ L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）。
- }2 R, |. c3 H9 J, J
8 k/ @9 T  R! OLDFLAGS += -Bstatic -T $(obj)u-boot.lds $(PLATFORM_LDFLAGS)
# h; d; e: T! O' Q4 [4 P- z) }1 \0 P! i        ifneq ($(TEXT_BASE),)
        LDFLAGS += -Ttext $(TEXT_BASE)
  A/ L. |5 K" C! ^0 h        endif
9 O0 B8 P- u2 e8 A9 t
查看u-boot.map文件，代码的连接地址是从0x33F80000开始的。

167 .text         0x33f80000        0x232c8
        168        cpu/arm920t/start.o(.text)
        169        .text                0x33f80000                0x4a0 cpu/arm920t/start.o
6 {( }9 z6 _8 E5 C1 Z- i        170                                0x33f80048                _bss_start
        171                                0x33f8004c                _bss_end
        172                                0x33f80044                _armboot_start
6 V- C1 \+ a. o6 n        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
        177        board/samsung/fs2410/nand_read.o(.text)
0 o8 W; D& J8 D( R        178        .text                0x33f80504        0xe8 board/samsung/fs2410/nand_read.o
        179                                0x33f80504                wait_idle
7 ~8 t3 f2 S/ |* T  B, O; W5 F        180                                0x33f80518                nand_read_ll

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 C/ ~( f9 i/ v& N
( W7 V% {0 s8 H& j4 i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。
# ^3 ~7 ]$ \- c$ z7 I6 _
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.

下面的代码是从NOR Flash向SDRAM搬运的代码：

+ v7 r6 @* M% y9 R% G8 B) z+ ~4 C0 Xrelocate:
/ r  @+ X' U7 {; F# U                adr r0， _start
                ldr r1， _TEXT_BASE
0 y" A! O$ c4 p( f  S4 v+ R                cmp r0， r1
; n: p# A+ Q3 c9 u# C0 b                beq stack_setup
                ldr r2， _armboot_start
- O; @! {7 m3 U                ldr r3， _bss_start
6 b' ~( R1 P5 @1 y                sub r2， r3， r2
                add r2， r0， r2
% c$ p1 J, A7 W% F5 q        copy_loop:
1 h  X5 o- L! m' B8 o; h  Q7 \9 m                ldmia r0!， {r3-r10}
* E' X% l4 N& \& S& m5 W  l                stmia r1!， {r3-r10}
                cmp r0， r2
                ble copy_loop
4 N: {* a% g* G; L6 c
1 Y- G+ d/ D0 k4 x6 c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：
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
: v. [5 S0 p- P% t4 [; w 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)
9 c( H. Q2 o) s+ Z 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
+ p* V4 o; |: ]; ]

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。

, Q6 B$ p# x$ q/ k5 ~* `

先上第一张图：

再上第二张图：

测试代码如下：

#include
#include
% C8 I2 H$ R( n: x  Z4 n#include
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
int g_foo = 100;
; m* s; Q6 B7 O3 t" |7 Xint g_foo_bss;
9 ?6 O; N2 W1 I' j$ \& A; dstatic int g_foo_static;
int do_test(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
{
int l_foo = 100;
; F1 G7 G& E" F6 F int l_foo_bss;
( u0 a$ F6 j: r$ q/ c( A1 m static int l_foo_static;
- u! [# x% t! b8 [6 E: }2 A9 Q char *bar;
char *hello="hello world";

% j$ y0 s/ g3 C# q: G( b bar = (char*)malloc(strlen(hello) + 1);
if (bar == NULL)
  return 1;
, l3 m6 P7 W; m strcpy(bar, hello);
9 X$ ]8 `- o& T/ K
printf("sizeof gd:%d sizeof bd:%d", sizeof(gd_t), sizeof(bd_t));
9 ]5 C4 p' J* D( L$ m) Y5 |! W printf("gd:%08lx bd:%08lx bd->flags:%d",gd,gd->bd,gd->flags);

printf("do_test:%p &do_test:%p", do_test, &do_test);
7 X3 M4 O- y; O* T" Q8 Z5 W0 j* t8 i printf("g_foo:%p g_foo_bss:%p g_foo_static:%p",&g_foo,&g_foo_bss,&g_foo_static);
  h) R1 k2 Z! l* m 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);
+ I2 m2 v8 ^4 l" C2 m free(bar);
4 ]+ E  Y' I+ f; L return 0;
7 _: B1 c5 I+ Y. q: H0 J# E}
' q% x2 A* U) n6 sU_BOOT_CMD(
1 Y% E9 D9 j) M3 c, r3 [ gotohell, 2, 1,do_test,
8 Q2 s( j& h4 i "just a test of my own",
"nothing"
);

启动信息如下(有删改)

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

* B& @( Y8 Z2 P6 I/ z. ^1 bU-Boot code: 33F80000 -> 33F9CC64  BSS: -> 33FA1EC0
/ H& ]4 {2 z4 n$ TI2C:   ready
, P1 j0 h, G: p  ^% H; m) U" X+ cRAM Configuration:
Bank #0: 30000000 64 MiB
Flash: 8 MiB
*** Warning - bad CRC, using default environment

In:    serial
$ E! ~  o+ y' b7 o, sOut:   serial
( l) x  b0 ?3 i5 WErr:   serial
Net:   dm9000
: U8 R9 H  L( u! DHit any key to stop autoboot:  0
LATE2440> gotohell
+ J2 b4 X9 |) h( M8 U* Fsizeof gd:32 sizeof bd:28
gd:33f4ffe0 bd:33f4ffc4 bd->flags:3
6 `/ n3 w6 X  N& a; |- ~do_test:33f90740 &do_test:33f90740
3 o8 E# n0 Q& p7 A, q  G& a5 B5 tg_foo:33f9c59c g_foo_bss:33fa1dbc g_foo_static:33fa1dc0
l_foo:33f4fbc4 l_foo_bss:33f4fbc0 l_foo_static:33fa1dc4
# N5 s' o& l; p# Jhello:33f9b5e4 bar:hello world bar:33f4fbbc
9 `( L/ S7 X& h+ {LATE2440>

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
33f9b63c: 6f 66 20 67 64 3a 25 64 20 73 69 7a 65 6f 66 20    of gd:%d sizeof
- K5 D5 E- N4 G/ ~0 K" `# ?33f9b64c: 62 64 3a 25 64 0a 00 67 64 3a 25 30 38 6c 78 20    bd:%d..gd:%08lx
% t2 e1 R" p) d0 u8 |# d8 u, h33f9b65c: 62 64 3a 25 30 38 6c 78 20 62 64 2d 3e 66 6c 61    bd:%08lx bd->fla
4 y, ]) Q; r8 Q2 V2 HLATE2440>
33f9b66c: 67 73 3a 25 64 0a 00 64 6f 5f 74 65 73 74 3a 25    gs:%d..do_test:%
) t. E% S/ j- a6 Z7 v3 @33f9b67c: 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
/ k) [/ Y% X* o2 b2 N33f9b69c: 73 3a 25 70 20 67 5f 66 6f 6f 5f 73 74 61 74 69    s:%p g_foo_stati
- `1 `# l5 J, G7 b: ?LATE2440>
33f9b6ac: 63 3a 25 70 0a 00 6c 5f 66 6f 6f 3a 25 70 20 6c    c:%p..l_foo:%p l
33f9b6bc: 5f 66 6f 6f 5f 62 73 73 3a 25 70 20 6c 5f 66 6f    _foo_bss:%p l_fo
0 D7 ^9 L) r% r$ m8 C  W33f9b6cc: 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。

hotdll

谢谢楼主解惑，写的这么详细。

kenson

hotdll 发表于 2017-6-12 21:26
9 ?, Z7 H5 h3 O6 [谢谢楼主解惑，写的这么详细。

4 H8 Y8 w, O& @很高兴对你有帮助