u-boot链接分析

kenson

7 J5 Y# _1 h+ {' 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。
! }' d* }6 v4 V/ c
' w; B* d& p( b6 N& u" ibootloader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。

# I3 @5 F( G' krelocate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）。
3 g+ |; [3 `! R. C" M+ R) M
& E, a4 g8 k! X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
8 _1 Y9 e9 P0 E1 A! ~+ q% z        OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
        OUTPUT_ARCH(arm)
( A5 d& e, l$ [% I3 {) I4 {        ENTRY(_start)
7 j, I: W- v5 f% y+ G0 K' ?# T        SECTIONS
  }( E5 d4 D# m' f, ^: M$ x        {
. x% u; R' ]$ r& r                . = 0x00000000; // 从0地址起始

  `, V6 C1 U: k        . = ALIGN(4);
7 V/ |& S  l8 h3 G# R  B                .text :
                {
# g- o+ Y! Y) w% D) o                        cpu/arm920t/start.o (.text)
  j' K$ X  G: m4 G, j5 j                        *(.text)
9 `! C1 F/ [1 j8 ]                }

        . = ALIGN(4);
                .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }
4 v% o0 m: L4 i) Z
        . = ALIGN(4);
                .data : { *(.data) }

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

        . = .;
0 V; d" K# X0 L* B                __u_boot_cmd_start = .;
                .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
                __u_boot_cmd_end = .;
# i5 P+ B& D* ~$ f! E
/ M* x4 b% @3 U: p9 Q        . = ALIGN(4);
$ t& {  Z$ `6 S% {6 M% z; ]                __bss_start = .;
                .bss (NOLOAD) : { *(.bss) . = ALIGN(4); }
9 j, v! |, r) T% B- a                _end = .;
        }

' p! Y. a1 [% k* C8 }9 n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）。

9 s3 r# J; R" X2 L* \LDFLAGS += -Bstatic -T $(obj)u-boot.lds $(PLATFORM_LDFLAGS)
1 E4 a# m0 t9 L* X        ifneq ($(TEXT_BASE),)
        LDFLAGS += -Ttext $(TEXT_BASE)
        endif
% u& {6 ?. R! |
查看u-boot.map文件，代码的连接地址是从0x33F80000开始的。
* s7 E- `0 Y  I2 D- l9 O1 v+ H; Z
167 .text         0x33f80000        0x232c8
        168        cpu/arm920t/start.o(.text)
2 I$ \; f/ K1 L        169        .text                0x33f80000                0x4a0 cpu/arm920t/start.o
        170                                0x33f80048                _bss_start
        171                                0x33f8004c                _bss_end
6 b7 b, w" K& K        172                                0x33f80044                _armboot_start
) O8 }8 i# b  }( e! S9 [& Q        173                                0x33f80000                _start
5 w; M4 z3 C. z* \8 H        174        board/samsung/fs2410/lowlevel_init.o(.text)
        175        .text                0x33f804a0         0x64 board/samsung/fs2410/lowlevel_init.o
        176                                0x33f804a4                lowlevel_init
5 ~3 T5 |( r* y        177        board/samsung/fs2410/nand_read.o(.text)
        178        .text                0x33f80504        0xe8 board/samsung/fs2410/nand_read.o
! ?" c. c! c1 `7 K        179                                0x33f80504                wait_idle
0 v* ~* d7 a( ^8 m4 @! c/ K0 o        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。

3 G6 O6 p1 p/ h9 u# d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。

8 o& a6 [" k( }* D: Y) k7 e1 o5 ?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.
9 C0 Q- j: w8 x& s6 Q( W. ^% ?* D
下面的代码是从NOR Flash向SDRAM搬运的代码：
( y5 ~7 g% d) L  b- T
4 K, v6 u3 Y9 V5 b0 arelocate:
/ P5 ~2 {& q% Y% M                adr r0， _start
4 z5 \% A6 i3 P                ldr r1， _TEXT_BASE
: h# L6 ~9 C! V$ J& @                cmp r0， r1
0 |/ W( L; G: h2 Q- K1 [/ H8 x                beq stack_setup
                ldr r2， _armboot_start
7 O( h/ X( b0 H' a7 K1 n( _& }1 X                ldr r3， _bss_start
. V! u3 p% I) y5 V                sub r2， r3， r2
# q6 i& w7 d* {$ f" r% W) g9 e                add r2， r0， r2
$ J' E4 F5 C3 x* o2 Z0 P, J        copy_loop:
6 M3 W: Y) P  G/ J- f. ^; a                ldmia r0!， {r3-r10}
& Q: e  C) `  k( p5 i                stmia r1!， {r3-r10}
( E6 ~: F% G+ x1 g; A                cmp r0， r2
- b8 B. S9 D  H# K8 ~4 z" _+ f$ y) h                ble copy_loop

$ T5 @& ^, G& P7 A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：
1 B6 u  ^3 S" R- W* K/ T0 ~ 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
* V4 J& N5 _( e" Q. e+ ? 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
0 m1 u! }. [  d5 b# p% V9 l#endif
. v; c, D  F9 H* O$ { 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

4 R- X: F% x2 b3 a  |8 r) x

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。

, x  `( `* c: [  T  y

先上第一张图：

再上第二张图：

测试代码如下：

#include
( i7 z/ Q1 O6 Q) h2 ^( ]1 k#include
4 Q% O) ^' U* U" V#include
% G5 [( M* |/ h' mDECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
int g_foo = 100;
' B- H) x0 Z. ~1 o, G6 h6 F( m' r/ ^int g_foo_bss;
8 M6 B; K0 Q. e3 r. m$ w" Nstatic int g_foo_static;
int do_test(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
# Q! x5 V! f7 J8 k, {" F" x{
9 @3 J) t$ H+ W5 b6 y* } int l_foo = 100;
" w# |6 K9 I" t, ?8 K( u int l_foo_bss;
0 j; t$ V2 a. X static int l_foo_static;
char *bar;
& _3 }, ~6 }! m* Z; F4 S% V% ? char *hello="hello world";

bar = (char*)malloc(strlen(hello) + 1);
; c7 t" `( Y/ G if (bar == NULL)
2 ^5 M' |0 k5 y6 [7 g3 z  return 1;
+ b2 p" x" y/ d* S8 ^0 l+ E5 b strcpy(bar, hello);

. y( e. B' K5 z) G0 a5 K" c printf("sizeof gd:%d sizeof bd:%d", sizeof(gd_t), sizeof(bd_t));
2 U( K+ }+ z+ u$ B6 i0 S printf("gd:%08lx bd:%08lx bd->flags:%d",gd,gd->bd,gd->flags);
  V9 J! Z7 d; u) a
printf("do_test:%p &do_test:%p", do_test, &do_test);
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);
& c# I# z" {( z* x free(bar);
return 0;
}
U_BOOT_CMD(
# ^# h0 f2 J1 r0 @7 p/ V gotohell, 2, 1,do_test,
"just a test of my own",
"nothing"
);

' P6 A- N& m6 T4 q* ]

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
, z( c! H* r& g: f. NI2C:   ready
RAM Configuration:
Bank #0: 30000000 64 MiB
0 V& y! A% z- D9 j: \6 pFlash: 8 MiB
6 y  l( K  E( \* {*** Warning - bad CRC, using default environment

In:    serial
Out:   serial
Err:   serial
Net:   dm9000
Hit any key to stop autoboot:  0
LATE2440> gotohell
sizeof gd:32 sizeof bd:28
. z$ O5 @  X  H. q( H2 T; S9 ogd: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
& Y$ N; M5 O* Khello:33f9b5e4 bar:hello world bar:33f4fbbc
- V( ^% |9 S% zLATE2440>

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！)

/ `5 X  J6 ]* x2 E3 i* ]

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
33f9b64c: 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:%
9 C8 C' V' z* k33f9b67c: 70 20 26 64 6f 5f 74 65 73 74 3a 25 70 0a 00 67    p &do_test:%p..g
7 d, i& n$ \0 ~: H6 ]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>
33f9b6ac: 63 3a 25 70 0a 00 6c 5f 66 6f 6f 3a 25 70 20 6c    c:%p..l_foo:%p l
- x. u9 b3 {4 L/ K33f9b6bc: 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
33f9b6dc: 6c 6f 3a 25 70 20 62 61 72 3a 25 73 20 62 61 72    lo:%p bar:%s bar

. q4 [' W2 k* Y+ R. A

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。

# U0 s( t6 I8 f! }5 j+ C, I, u很高兴对你有帮助