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。

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。
, X' v6 N/ `, W  x+ t( d9 R$ L
3 k2 w* m/ @" I* X6 Q' W/ Nrelocate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。

/cpu/arm920t/u-boot.lds
1 W1 G$ l, C+ w* T        OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
        OUTPUT_ARCH(arm)
* ]- I5 m, a1 q- P        ENTRY(_start)
        SECTIONS
        {
6 [# b7 n, n/ _) X7 c# C* O                . = 0x00000000; // 从0地址起始

) S, V. ^# Q  v; d7 v* P        . = ALIGN(4);
                .text :
( x- ^8 v% c* {3 n* C. T                {
; r8 A8 `8 c, [; T; W! d% B, F                        cpu/arm920t/start.o (.text)
                        *(.text)
6 ^9 f9 z2 c% F5 a' `/ L( ?* [- k                }
$ I; O7 G' U9 N
. d% o% P  L7 D0 V9 k        . = ALIGN(4);
                .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }
1 Z" a! ?) e. m$ S; S3 \( y
% t; u- d4 w5 p; E6 o        . = ALIGN(4);
1 w" L, B1 z# o( o6 A& f                .data : { *(.data) }

        . = ALIGN(4);
                .got : { *(.got) }

        . = .;
6 D1 I; ?( E, x6 x/ m( E                __u_boot_cmd_start = .;
                .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
                __u_boot_cmd_end = .;

        . = ALIGN(4);
% ~0 r* o+ Q$ d% w                __bss_start = .;
# S0 H- h) W- W5 Q- E+ O                .bss (NOLOAD) : { *(.bss) . = ALIGN(4); }
% G8 A: D* M( z& S8 |" q7 N                _end = .;
        }

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）。
% u+ O: w7 j* N+ r# D9 b
LDFLAGS += -Bstatic -T $(obj)u-boot.lds $(PLATFORM_LDFLAGS)
        ifneq ($(TEXT_BASE),)
$ g6 K; l* T+ L1 k6 s+ `        LDFLAGS += -Ttext $(TEXT_BASE)
        endif

+ O+ ^5 {5 s/ a- Z; N) D- P- J查看u-boot.map文件，代码的连接地址是从0x33F80000开始的。
% h9 i- N+ ?; K6 \
7 u4 P9 {0 R7 C* f6 ?) n" [" T4 @) p167 .text         0x33f80000        0x232c8
) g0 O3 ?6 h; r9 @        168        cpu/arm920t/start.o(.text)
        169        .text                0x33f80000                0x4a0 cpu/arm920t/start.o
        170                                0x33f80048                _bss_start
' ^) [, s( q/ i$ W( H        171                                0x33f8004c                _bss_end
        172                                0x33f80044                _armboot_start
) x( _4 {) @) F" J6 z3 {0 V( ?        173                                0x33f80000                _start
        174        board/samsung/fs2410/lowlevel_init.o(.text)
        175        .text                0x33f804a0         0x64 board/samsung/fs2410/lowlevel_init.o
4 k* E4 e2 \* o) Q; g& s1 @1 u        176                                0x33f804a4                lowlevel_init
        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
* }- A/ Z; t" }8 @: ?
5 B# q1 l" I0 z0 X% g+ ?9 @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。

8 S' ]' m# W/ b+ n/ {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。
5 z6 M  b" _4 B9 n
5 N% p5 `% ]- R- T  g4 X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 b2 I6 M+ \' K下面的代码是从NOR Flash向SDRAM搬运的代码：

! L! F; V: q/ m# }7 ?4 L' u) ~relocate:
                adr r0， _start
                ldr r1， _TEXT_BASE
                cmp r0， r1
                beq stack_setup
" A0 c8 M" e+ c8 h3 z  T                ldr r2， _armboot_start
                ldr r3， _bss_start
                sub r2， r3， r2
2 s) F; |9 F, g                add r2， r0， r2
        copy_loop:
6 x3 a* b1 v7 e4 h                ldmia r0!， {r3-r10}
                stmia r1!， {r3-r10}
9 O0 l1 ~7 c  w& F1 H- F                cmp r0， r2
5 p, r6 E2 A3 R4 ]. s                ble copy_loop
# N! v4 I0 m: P& {
& I2 `: w- \8 p7 O. K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：
2 M( Q4 f; n5 x7 P ldr r0, _TEXT_BASE  /* upper 128 KiB: relocated uboot   */      将0xc3e00000加载到r0
/ e: o  U- g+ Q2 t( P" 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)
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
8 F1 c, R, v. H8 b. l+ r4 x  u#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
" u0 a# E1 H+ u% k* q! a

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。

2 m) F3 B; E% I! R/ Z* E/ d  s

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
4 t, F# u& K3 Y#include
/ I% O8 X) ?& t: C0 Z#include
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
3 z( N) h/ e8 ]int g_foo = 100;
int g_foo_bss;
- \" l/ ]  n3 I3 ustatic int g_foo_static;
5 Y" c% j, c: hint do_test(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
9 E0 K! m1 S* O8 f7 u" m' v1 w{
& j3 x, @5 g( C/ K" f8 j2 k2 K int l_foo = 100;
int l_foo_bss;
static int l_foo_static;
+ J5 z7 ~  J! p- {% |7 h char *bar;
char *hello="hello world";

bar = (char*)malloc(strlen(hello) + 1);
" n" d4 W" M, H* ~4 D: b1 P if (bar == NULL)
  return 1;
- \# Q% S1 J. B strcpy(bar, hello);
, ?' i5 o, S; G/ y
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);
& @& ]& _3 q+ U9 k5 r2 A
printf("do_test:%p &do_test:%p", do_test, &do_test);
8 u0 u- Y$ v2 I3 L$ j; T printf("g_foo:%p g_foo_bss:%p g_foo_static:%p",&g_foo,&g_foo_bss,&g_foo_static);
& |6 A1 J$ n- ]0 X printf("l_foo:%p l_foo_bss:%p l_foo_static:%p",&l_foo,&l_foo_bss,&l_foo_static);
% ]% F/ `9 N1 {! z& C printf("hello:%p bar:%s bar:%p", hello, bar, &bar);
free(bar);
# @4 F3 H4 U* [! }! p1 t( O return 0;
}
0 L5 q: @* Q" iU_BOOT_CMD(
gotohell, 2, 1,do_test,
- a1 `7 \: o& ]$ V6 u/ m "just a test of my own",
3 Q% c) Y5 C$ H! G, o# o "nothing"
);

启动信息如下(有删改)

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

  s  D+ d9 Y; m6 I- MU-Boot code: 33F80000 -> 33F9CC64  BSS: -> 33FA1EC0
I2C:   ready
RAM Configuration:
) F) \. ]& ^$ K  O' P1 V  NBank #0: 30000000 64 MiB
Flash: 8 MiB
# A; R2 M% l) _7 _) o* T; F*** Warning - bad CRC, using default environment

In:    serial
/ T8 H8 k: q4 e+ S: b' x! \Out:   serial
8 ?, K; L: ]" ]6 V/ {# E  f$ JErr:   serial
* E- u! F$ G, ^' q) G6 o. YNet:   dm9000
" u6 L# X; x& n' f; J" i# yHit any key to stop autoboot:  0
1 K. ?, v9 T+ C$ z% A/ JLATE2440> gotohell
" c$ h; |! @# K6 f1 E1 B) Isizeof 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
# x+ N9 t2 t. U' s8 d/ qhello:33f9b5e4 bar:hello world bar:33f4fbbc
& f% u4 h: f: R" e4 B! N. bLATE2440>

% R! H! C" \! L. L$ R( v

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 w: S1 S  y0 ?! C, A/ C  B

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)
$ Q- E2 B5 d7 q33f9b62c: 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
9 l4 g" H1 k, d33f9b64c: 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
; @: D3 ]0 w" g8 w  _* n( R9 C& ?' YLATE2440>
8 ^  ?# V2 W# k( B" |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
$ o8 n7 h" n5 z' z4 n33f9b68c: 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
* z$ r* }& i" f! r2 rLATE2440>
: e  Q8 h- \2 o1 v4 }# Z7 }33f9b6ac: 63 3a 25 70 0a 00 6c 5f 66 6f 6f 3a 25 70 20 6c    c:%p..l_foo:%p l
! Z  }0 i6 k& k2 e, i' w8 j  c& ?33f9b6bc: 5f 66 6f 6f 5f 62 73 73 3a 25 70 20 6c 5f 66 6f    _foo_bss:%p l_fo
( E) E" E' ]1 R$ P1 {6 W' v$ G6 _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

% E, z2 |5 e% R5 E( L

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。

/ i9 E/ Z1 p9 ?4 M) @

hotdll

谢谢楼主解惑，写的这么详细。

kenson

hotdll 发表于 2017-6-12 21:26
0 A* Q" M* R% l9 x谢谢楼主解惑，写的这么详细。

很高兴对你有帮助