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。
  @' W; m! p+ n2 B- u
$ l. n1 U" E( h* _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。
/ ~6 ^& r) O% s( p4 a3 A8 G
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）。

, \- y3 R6 P5 y9 D& l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。

) j  ?( ~- |% l! J4 ~) j7 B& y/cpu/arm920t/u-boot.lds
        OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
        OUTPUT_ARCH(arm)
: o; H# f  z% p1 x/ e+ W0 ?        ENTRY(_start)
& F( Z: `5 ?) B4 {$ T" G        SECTIONS
" Q: p  h! v. ]8 Q! r" U/ Z        {
" L( `* v1 z1 Z% Q, @                . = 0x00000000; // 从0地址起始

        . = ALIGN(4);
                .text :
                {
                        cpu/arm920t/start.o (.text)
                        *(.text)
) c5 V. o3 Y' {  H% u. f" p* ~                }

        . = ALIGN(4);
                .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }

1 Z8 g; ?+ m/ E) F4 J        . = ALIGN(4);
+ v* E# F' Z1 p- k                .data : { *(.data) }

- a3 i; O8 l' i0 Y        . = ALIGN(4);
                .got : { *(.got) }

        . = .;
$ v, C) o# K& E! x                __u_boot_cmd_start = .;
                .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
/ f5 o: d# m2 ^' H                __u_boot_cmd_end = .;
6 i( e! n' u8 S5 z% [
        . = ALIGN(4);
  z. [& g# Z1 Z                __bss_start = .;
( N1 \0 c7 \' ?  w4 T                .bss (NOLOAD) : { *(.bss) . = ALIGN(4); }
9 t8 T1 y) N# _: [1 U                _end = .;
        }

( O- @5 _. h" M: q, R. |* P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）。

+ R" R0 @% {" ?2 i0 f  w0 vLDFLAGS += -Bstatic -T $(obj)u-boot.lds $(PLATFORM_LDFLAGS)
. H3 J* U5 U3 V- y8 A        ifneq ($(TEXT_BASE),)
        LDFLAGS += -Ttext $(TEXT_BASE)
# [  r( B4 B0 N' a/ U        endif
5 X9 w0 r3 M! t& q/ L8 |) Y
9 n; c( N% H8 Z" b; C: h. v查看u-boot.map文件，代码的连接地址是从0x33F80000开始的。

/ t( ^+ P$ J3 G8 m167 .text         0x33f80000        0x232c8
5 p$ n3 S  h3 o        168        cpu/arm920t/start.o(.text)
) A) Q" p( \% C9 k" F, ?        169        .text                0x33f80000                0x4a0 cpu/arm920t/start.o
        170                                0x33f80048                _bss_start
        171                                0x33f8004c                _bss_end
/ F% j: N3 T' o1 J- n3 o        172                                0x33f80044                _armboot_start
        173                                0x33f80000                _start
% D4 S; Y& d8 k1 @+ v6 `        174        board/samsung/fs2410/lowlevel_init.o(.text)
+ a* D. `" K4 I8 Y  s        175        .text                0x33f804a0         0x64 board/samsung/fs2410/lowlevel_init.o
        176                                0x33f804a4                lowlevel_init
, }8 Y' |, `( p0 W+ f        177        board/samsung/fs2410/nand_read.o(.text)
: j* t9 M+ }* O3 W5 q        178        .text                0x33f80504        0xe8 board/samsung/fs2410/nand_read.o
        179                                0x33f80504                wait_idle
        180                                0x33f80518                nand_read_ll
% M! L( V$ d8 x2 j
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。
2 F1 d, k5 y( x, _/ U1 k
/ @0 r& z7 |4 Z6 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。

1 H+ Z' ^' N- G' Z; i* V# j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.
+ s, o- w, e7 v3 O/ k
$ _7 W6 X# N0 g下面的代码是从NOR Flash向SDRAM搬运的代码：
6 N* ^! {, I  z: j* }
0 d: r, ^. @  K( x0 Prelocate:
6 m: r9 x' T: F  P& Y; n                adr r0， _start
                ldr r1， _TEXT_BASE
4 l0 j  r2 a9 R9 e/ x3 I& B                cmp r0， r1
6 a' p; R6 @) r+ \% u3 N" `                beq stack_setup
                ldr r2， _armboot_start
( c4 `" i3 S8 v2 e                ldr r3， _bss_start
7 V- S* S: M* i                sub r2， r3， r2
                add r2， r0， r2
        copy_loop:
; E) _% I- j9 s! ~9 V- J                ldmia r0!， {r3-r10}
9 g( [% J+ ]" z: D* q! I                stmia r1!， {r3-r10}
" n2 x6 {) r' q" ?5 p                cmp r0， r2
+ _1 G% k: X" j7 A* h( R                ble copy_loop
9 o% Z* D, \4 i
/ v3 U! c3 S, \0 K! I  l( Z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
sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* bdinfo                        */      r0减去128字节的全局结构体
& B% K+ _* d% R$ s. y#if defined(CONFIG_USE_IRQ)
% j1 f( f- Q" Q  @& ]) U 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
8 Z- W, t% u, y1 a 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

# ?" q# j" l1 v4 t; P( K

kenson

转自于http://hi.baidu.com/willowduan/item/911a7ad2e0f343312b35c733
, B3 M: c8 j% B" B0 F

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
1 r# V: y. O; J3 r. }% e. E& W/ x#include
7 L5 O( _: {9 N3 R. d#include
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
6 k* c1 }1 n% h# q1 ~int g_foo = 100;
& n: T% |2 J/ I) e* P1 `' o1 @! F) O, Oint g_foo_bss;
static int g_foo_static;
! H2 B1 f. F; @9 \' K3 T5 ]- f8 [- }" Zint do_test(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
{
/ j+ g& `8 o# z3 r int l_foo = 100;
9 p( J& E! k4 \/ D int l_foo_bss;
static int l_foo_static;
char *bar;
7 x8 y7 p5 i4 e! L char *hello="hello world";
' W1 }; j4 _, f! e( W2 W- d0 y' W
bar = (char*)malloc(strlen(hello) + 1);
if (bar == NULL)
  return 1;
( C  K6 H% @1 m9 |" ^ strcpy(bar, hello);
& c- s  c' d& Y% F5 v
printf("sizeof gd:%d sizeof bd:%d", sizeof(gd_t), sizeof(bd_t));
printf("gd:%08lx bd:%08lx bd->flags:%d",gd,gd->bd,gd->flags);

/ D* B$ M4 f( `8 P3 g9 R4 _ printf("do_test:%p &do_test:%p", do_test, &do_test);
0 b7 [) E! @3 u+ e6 s printf("g_foo:%p g_foo_bss:%p g_foo_static:%p",&g_foo,&g_foo_bss,&g_foo_static);
) v3 x3 Z* Q9 e6 W9 v" o( d, q# u 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);
: ~/ B' c' O2 J8 W2 d( ~ free(bar);
' J( F& B) \- s) B9 A  f return 0;
}
U_BOOT_CMD(
* _% b- L! v( B1 T gotohell, 2, 1,do_test,
"just a test of my own",
. J7 ~/ o5 Z) ?6 L9 y "nothing"
);

8 c3 D6 ], t/ y; v4 B

启动信息如下(有删改)

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

U-Boot code: 33F80000 -> 33F9CC64  BSS: -> 33FA1EC0
! S& P' D" K5 {# `8 O- |9 WI2C:   ready
9 W' Z- l6 c" ]1 R- ?2 A0 eRAM Configuration:
Bank #0: 30000000 64 MiB
" T# [' m& W/ e' F$ g: }! CFlash: 8 MiB
*** Warning - bad CRC, using default environment

In:    serial
9 \9 T2 ?$ A" x/ g" Q* [, vOut:   serial
Err:   serial
Net:   dm9000
Hit any key to stop autoboot:  0
LATE2440> gotohell
2 c7 x' y, }3 h" S/ Gsizeof gd:32 sizeof bd:28
gd:33f4ffe0 bd:33f4ffc4 bd->flags:3
0 a' s4 R" H) j6 }! e! N7 rdo_test:33f90740 &do_test:33f90740
2 ]5 D7 y7 c# x6 \- k& X& sg_foo:33f9c59c g_foo_bss:33fa1dbc g_foo_static:33fa1dc0
$ l+ F( F# k9 ll_foo:33f4fbc4 l_foo_bss:33f4fbc0 l_foo_static:33fa1dc4
hello:33f9b5e4 bar:hello world bar:33f4fbbc
2 a: S( G4 Q  S7 HLATE2440>

% W6 ~' q/ m# P

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！)

9 f0 M/ R1 c; U1 ^

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
* G( m$ o* w1 `) m( X% I33f9b64c: 62 64 3a 25 64 0a 00 67 64 3a 25 30 38 6c 78 20    bd:%d..gd:%08lx
33f9b65c: 62 64 3a 25 30 38 6c 78 20 62 64 2d 3e 66 6c 61    bd:%08lx bd->fla
LATE2440>
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
33f9b68c: 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
LATE2440>
+ I' Y( v. n; l5 L  }+ V0 Q* g33f9b6ac: 63 3a 25 70 0a 00 6c 5f 66 6f 6f 3a 25 70 20 6c    c:%p..l_foo:%p l
2 k1 y2 j/ \" A, j33f9b6bc: 5f 66 6f 6f 5f 62 73 73 3a 25 70 20 6c 5f 66 6f    _foo_bss:%p l_fo
* B* i# q* H8 @( K  s2 \33f9b6cc: 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

1 [: {9 s- D# ]( r7 K

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。

' \0 C" o- X& ?, s

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。

" i9 m% l9 ]8 z) r3 R9 D很高兴对你有帮助