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u-boot链接分析

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发表于 2017-6-12 17:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
) [) J+ v& L% g. y! `; t- A* r! ?, ^
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。
7 @; o- ~/ u& q6 x2 X' Y* c3 D+ P7 l1 D! K+ O0 B$ Q) ?
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。7 u9 u+ X8 D! K& k' J: ^
3 H. S) _( m: A8 {: _
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)。% P  X+ A- Y) f- h( d; R" W4 Z
& |, _( v; Z# z0 f' N, ]9 J
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 k* s% Q$ A3 b* @8 k8 q9 z4 L& j
, A( ?4 W5 i0 ^/ d& w
/cpu/arm920t/u-boot.lds, C' q+ T% _5 z* s2 W- L( t
        OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")% q: w% D1 q  `7 y* }; K
        OUTPUT_ARCH(arm)- ~& n) V/ l: c% x5 E9 [; o% h: ~
        ENTRY(_start)( P% P  v: s/ D7 \
        SECTIONS2 g7 l5 _* e1 @- A1 w
        {
$ d  r& v$ G- ?/ m                . = 0x00000000; // 从0地址起始9 {$ r+ }" x) \# o! y# [0 w$ V
5 G$ B) m- @+ e: \0 X( y* {* c0 [
        . = ALIGN(4);
2 }* J) u" n1 R, ?- @+ G( X$ }                .text :
  b' o* o- ^) ^4 i+ z7 V5 {* [& T                {
) [; P' j: a3 y0 V3 R; d0 b. [6 E                        cpu/arm920t/start.o (.text)
  f9 D' v9 ~  H2 r/ B2 S- K                        *(.text)
8 `4 [9 h1 s$ z0 I                }
+ ~* F: \) Z% W- W2 l. e' O  {. `5 E
; N" H) z) F3 F7 f3 ^3 [        . = ALIGN(4);) ^# \5 }8 l* \+ e, e
                .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }
( `6 Z3 N& y( M; K( r0 P4 z' z/ d' f, g8 m  t
        . = ALIGN(4);
& Z9 n( n- u+ U1 w                .data : { *(.data) }
2 C5 B! j' u6 c  Y% o" t
- y1 R8 m$ B# k0 ^        . = ALIGN(4);
+ p. G( b; y, ~4 f$ ~- N                .got : { *(.got) }/ {8 I& ~' f* h0 |0 n$ b
$ k, f% y2 D, L) R- [
        . = .;9 d) |- ]* e0 I5 I1 x2 X6 y
                __u_boot_cmd_start = .;
. z9 C# {! v% f  m0 \                .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }: C. j1 v8 `1 o; |4 `
                __u_boot_cmd_end = .;4 V& `( n! o: y; D7 N7 \" z

2 g4 \, Z2 G) }        . = ALIGN(4);
( c1 o( b4 o" v                __bss_start = .;' }( v, r; w8 t# B" l% O3 D. o( c
                .bss (NOLOAD) : { *(.bss) . = ALIGN(4); }
  o% n. `' t  D0 Z& a                _end = .;3 B( X1 S" h, d  o
        }
; @% n* p  R& V* A! c
" ~- [" p3 f: e" c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)。3 H2 S+ y7 P" [! g# w' ]

2 G* t) Z! a! S/ o9 ~* |LDFLAGS += -Bstatic -T $(obj)u-boot.lds $(PLATFORM_LDFLAGS)
$ x6 g6 b# x% r" V: w. z6 _$ C' K        ifneq ($(TEXT_BASE),)
6 q3 \# N2 z/ e7 Q. M        LDFLAGS += -Ttext $(TEXT_BASE)
; k, C+ ^  p9 g0 Q7 @        endif
7 @% F0 w2 ^* h7 J# ?
* d0 g: w; V% @8 ?+ }; A" Z查看u-boot.map文件,代码的连接地址是从0x33F80000开始的。$ B6 R. h$ C( Y4 i8 w
8 ?) n# p' w# u
167 .text         0x33f80000        0x232c84 o' d3 y6 f6 I* b& X$ H1 M
        168        cpu/arm920t/start.o(.text)
! `) L- M/ }' Y" C        169        .text                0x33f80000                0x4a0 cpu/arm920t/start.o
7 r9 F; G" H& O) u2 t% v        170                                0x33f80048                _bss_start  X- U! I& `1 j1 e/ b# `  y1 e
        171                                0x33f8004c                _bss_end
, Z% J. }6 B7 m: O        172                                0x33f80044                _armboot_start) I. N5 q. j7 d" g* P$ B3 K% _
        173                                0x33f80000                _start
) k2 w' g. c# |8 F) j) U        174        board/samsung/fs2410/lowlevel_init.o(.text)
3 ~! o- R- W2 Z- r. y        175        .text                0x33f804a0         0x64 board/samsung/fs2410/lowlevel_init.o
( r6 ~2 a0 V: _+ `        176                                0x33f804a4                lowlevel_init8 S0 L$ V1 u1 P9 @; A, w' C' s8 Y8 {0 V/ I
        177        board/samsung/fs2410/nand_read.o(.text)
3 u- w  m. {8 z+ R        178        .text                0x33f80504        0xe8 board/samsung/fs2410/nand_read.o1 q1 i" \: n. {! J  m
        179                                0x33f80504                wait_idle1 x& l, J: N9 F* j1 _
        180                                0x33f80518                nand_read_ll
, L, ?& M' o; [9 j* ]
0 }" Y; h9 {6 F0 O6 P3 f2 Nbootloader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。& e" F6 }2 F$ Q9 L5 W4 ^1 ]

9 n6 {/ I3 Q; `0 D, [6 p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。: p0 H6 i8 v# R( D  S& w
2 @* A3 W$ ]+ N% ~" j. 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.2 ]7 w/ M1 I& b: s& N

  C9 w8 ^  h+ ?下面的代码是从NOR Flash向SDRAM搬运的代码:
& D; o- a6 X1 A, R! o  M, ?: S/ z1 M3 z' X- h! L% f) @
relocate:
0 n, b+ e9 j' K                adr r0, _start
( R0 e/ m, w4 h2 R8 ^4 Z( ^                ldr r1, _TEXT_BASE
$ Y; Q" I8 Q% [% r" P                cmp r0, r14 ]3 X1 Q% k3 `; D0 Z1 Z# a
                beq stack_setup  J- k  n3 T5 G2 _3 ?& [5 b
                ldr r2, _armboot_start; z: B4 a( N5 b* w6 I, Z
                ldr r3, _bss_start
: l( E- T9 C8 m; \                sub r2, r3, r29 x& K! Z  t" c3 Q4 w& x8 }
                add r2, r0, r2" F' O) r& C' s7 E, o; F
        copy_loop:' M4 a$ l/ _8 P0 e9 t
                ldmia r0!, {r3-r10}
4 @$ ~6 B- v6 r6 T" q8 v                stmia r1!, {r3-r10}
- w# l* {  z+ D8 F; \$ M: ^% c1 X& N                cmp r0, r2
7 P- e3 n0 k/ y+ Y% C; ]0 e9 C                ble copy_loop+ n; ^7 L8 M3 @; _: D
1 D( v- ?8 J. Q. h3 {9 t
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。
 楼主| 发表于 2017-6-12 17:05 | 显示全部楼层
2012030114582457.jpg
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 L( V# y0 t$ k
ldr r0, _TEXT_BASE  /* upper 128 KiB: relocated uboot   */      将0xc3e00000加载到r0
) l& ]9 D, a, b3 Y; _7 o sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* malloc area                      */      r0减去0x4000的malloc域
! b/ y- o4 ~2 }1 f% R sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* bdinfo                        */      r0减去128字节的全局结构体
: U" S* H# N& v: e; k% b#if defined(CONFIG_USE_IRQ)
; U* q8 a: r9 }# Y  N 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
* q# [" }  [( i8 ?% Z7 X#endif
! E3 Y8 j3 w2 B. L% }+ A1 @9 T 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

/ I. Q1 M8 K4 s' j3 q
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 楼主| 发表于 2017-6-12 17:10 | 显示全部楼层
转自于http://hi.baidu.com/willowduan/item/911a7ad2e0f343312b35c733" I( t9 n8 q& C  c" p

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。


0 u' V9 c5 V% G( k

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。

) m6 p( D# P$ ^+ Q- f: E" E% e0 o

先上第一张图:

1007961891618773150.jpg

再上第二张图:

1007961891618773151.jpg

测试代码如下:

#include
4 P1 V1 j9 ~9 u#include ; l( u- z% D6 P$ P
#include 8 x( {9 g7 d4 O2 p* B* G0 y
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;/ A7 k% x! D) [, y/ l: K
int g_foo = 100;
+ W( J9 `2 A" }. d# e7 J1 Z) Gint g_foo_bss;
5 S) k! H3 G) K0 e' W( W; dstatic int g_foo_static;* z, ^& V; Y# ?- V  u
int do_test(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])' v1 h0 h  S% Q) [2 h
{
% u; }9 I5 S8 H) c int l_foo = 100;
9 T) a/ D9 ]3 q: j9 Q5 Q int l_foo_bss;
1 d& _" R/ {5 c- R2 I0 |2 a2 G/ g0 _ static int l_foo_static;7 c( m5 R0 n1 n' y, D( H
char *bar;- H; M4 Y9 l' o7 V! b3 y! e
char *hello="hello world";
+ d' {4 f; d1 F3 b* P' y9 e. x6 [ ' |8 v5 p9 v8 q8 Q+ o1 |9 o
bar = (char*)malloc(strlen(hello) + 1);
7 e2 T8 ]; r4 X% U# H1 ]! r if (bar == NULL)2 `; [' d7 A. M& q- Z8 e, a, }
  return 1;- Z0 l% g) ^! ?; G0 h  h& d% L
strcpy(bar, hello);
, b, K7 z7 Z1 ~5 Y
* a: ~) N3 P* `, E+ [  B printf("sizeof gd:%d sizeof bd:%d", sizeof(gd_t), sizeof(bd_t));
# I5 }- u' P4 E5 C printf("gd:%08lx bd:%08lx bd->flags:%d",gd,gd->bd,gd->flags);
+ W+ h  W8 L8 Q$ _6 C7 e 3 c/ T. F8 b/ z
printf("do_test:%p &do_test:%p", do_test, &do_test);
# B% }' [! P4 u9 H printf("g_foo:%p g_foo_bss:%p g_foo_static:%p",&g_foo,&g_foo_bss,&g_foo_static);
, O) u& N# j% m7 M" _ printf("l_foo:%p l_foo_bss:%p l_foo_static:%p",&l_foo,&l_foo_bss,&l_foo_static);( w8 E7 \; u# B2 ?' O6 P
printf("hello:%p bar:%s bar:%p", hello, bar, &bar);% e7 o: x: T  c1 @" x
free(bar);% o1 a9 H( j" ~% S6 F+ X: O1 H( A
return 0;
7 y6 k" t/ _- T. y; z9 o5 c}
) y: H- h% L  Q! v1 tU_BOOT_CMD(1 ]8 F) F1 \0 X7 D) g4 L
gotohell, 2, 1,do_test,5 W$ v5 ]7 Q" U8 q: q4 W
"just a test of my own",
/ h! ]2 w# I/ V9 Y3 m8 ~ "nothing"
: L4 b9 `+ p) J  u3 m! X);

! P  |7 X) I* P& q4 j; X. X

启动信息如下(有删改)

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


; l$ g# o5 [' q: Q- K( qU-Boot code: 33F80000 -> 33F9CC64  BSS: -> 33FA1EC0
: c1 R* u) l- y5 o/ GI2C:   ready/ ], u4 M) v' X# L& ]
RAM Configuration:# D$ J- K5 U" {4 }6 u1 \2 p
Bank #0: 30000000 64 MiB
& W  i0 {" }# ?) V9 c# F; p  TFlash: 8 MiB8 y7 _! q% T$ d
*** Warning - bad CRC, using default environment

In:    serial& T2 J5 n1 A! A- q! G# U
Out:   serial
7 N" O" D' l; y7 y3 OErr:   serial! S1 J: G- F- ]6 q
Net:   dm9000: X9 f' w2 m% j+ c. [8 n
Hit any key to stop autoboot:  05 J. p6 {, r0 k+ [4 X* B$ G
LATE2440> gotohell6 w* ~- o. f9 R! D" C* n# L
sizeof gd:32 sizeof bd:28
' ^: S" ]" H0 R( pgd:33f4ffe0 bd:33f4ffc4 bd->flags:3
$ Q! f: y  ^5 `& Y3 c* G& v5 Jdo_test:33f90740 &do_test:33f90740
+ q$ ~8 B# p7 X; fg_foo:33f9c59c g_foo_bss:33fa1dbc g_foo_static:33fa1dc0* s/ O) m3 I' |- [& I
l_foo:33f4fbc4 l_foo_bss:33f4fbc0 l_foo_static:33fa1dc4
# Y# o: _8 s) g  o8 Nhello:33f9b5e4 bar:hello world bar:33f4fbbc
$ j, A* D0 `# Y+ {( Y. \LATE2440>

6 t: Q  D! Y7 v2 E8 x. M6 _8 L0 o

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!)

- l, o2 ^: |+ F% j

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)
( [$ h0 n0 N2 ^6 T4 A% ~33f9b62c: 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64 00 73 69 7a 65    hello world.size4 M1 T" ?, U1 G7 f6 D
33f9b63c: 6f 66 20 67 64 3a 25 64 20 73 69 7a 65 6f 66 20    of gd:%d sizeof
$ N' T2 [  g$ q% E' R33f9b64c: 62 64 3a 25 64 0a 00 67 64 3a 25 30 38 6c 78 20    bd:%d..gd:%08lx$ L$ k5 P* p$ m% H
33f9b65c: 62 64 3a 25 30 38 6c 78 20 62 64 2d 3e 66 6c 61    bd:%08lx bd->fla' R: c: w$ t5 y- N4 t
LATE2440>
( @6 K/ ?0 E  @. O33f9b66c: 67 73 3a 25 64 0a 00 64 6f 5f 74 65 73 74 3a 25    gs:%d..do_test:%
* k" X/ [9 \( D0 {5 `- ]4 D33f9b67c: 70 20 26 64 6f 5f 74 65 73 74 3a 25 70 0a 00 67    p &do_test:%p..g0 m2 t" N4 N! i+ l& y" S
33f9b68c: 5f 66 6f 6f 3a 25 70 20 67 5f 66 6f 6f 5f 62 73    _foo:%p g_foo_bs
5 J7 `" Y) m  \33f9b69c: 73 3a 25 70 20 67 5f 66 6f 6f 5f 73 74 61 74 69    s:%p g_foo_stati* Q$ O* r, M% {  |
LATE2440>
6 B/ q  ^  ]2 j+ `5 J# W6 E33f9b6ac: 63 3a 25 70 0a 00 6c 5f 66 6f 6f 3a 25 70 20 6c    c:%p..l_foo:%p l
+ u$ X% Y: l! f) {$ ?( m, e  t33f9b6bc: 5f 66 6f 6f 5f 62 73 73 3a 25 70 20 6c 5f 66 6f    _foo_bss:%p l_fo) O5 j- V! a5 m! F6 X
33f9b6cc: 6f 5f 73 74 61 74 69 63 3a 25 70 0a 00 68 65 6c    o_static:%p..hel# G' K2 x* r9 V6 }0 l7 ^; R
33f9b6dc: 6c 6f 3a 25 70 20 62 61 72 3a 25 73 20 62 61 72    lo:%p bar:%s bar


6 n0 g) W$ F+ s" z, ~5 r: C9 \8 n

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。

( \, J- \! V& D
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发表于 2017-6-12 21:26 | 显示全部楼层
谢谢楼主解惑,写的这么详细。
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 楼主| 发表于 2017-6-12 21:31 | 显示全部楼层
hotdll 发表于 2017-6-12 21:266 e% n$ |, P- O3 A
谢谢楼主解惑,写的这么详细。

' }3 ?6 y. `$ w% ?3 A( M很高兴对你有帮助
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