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。
/ E+ x' E2 G& z
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）。

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
        OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
        OUTPUT_ARCH(arm)
        ENTRY(_start)
        SECTIONS
        {
                . = 0x00000000; // 从0地址起始

; \3 o2 Y$ e/ U  y/ W& t        . = ALIGN(4);
                .text :
                {
                        cpu/arm920t/start.o (.text)
0 c- }9 T7 ]8 B6 ^                        *(.text)
2 V3 C  @$ X1 j( Q# u) f                }
0 z6 e2 F5 d" `; r8 W9 S+ u# G6 N
$ m3 g. E4 J( k# u& l5 s) }  A0 l        . = ALIGN(4);
$ n7 a1 N5 p( W: [' a                .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }

        . = ALIGN(4);
* ^6 w& P3 \6 E3 M8 `                .data : { *(.data) }

. T" K4 a; ~: M% Z  x; y        . = ALIGN(4);
                .got : { *(.got) }
3 h& l) O. Z4 W4 M- ?; V. q4 I! b
        . = .;
                __u_boot_cmd_start = .;
- X: w; q: o, Z' L6 N  [6 l                .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
* K9 f3 s& {1 O                __u_boot_cmd_end = .;

        . = ALIGN(4);
                __bss_start = .;
8 h$ o: q1 v) ^1 \                .bss (NOLOAD) : { *(.bss) . = ALIGN(4); }
; i! z/ W# d  ?: ?6 l! }                _end = .;
        }
, L5 R# p- O# H' _+ l5 z
4 p( a9 o- p1 x. ]) k$ |& ~0 D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）。
& g: I) A9 t2 c( k) L
LDFLAGS += -Bstatic -T $(obj)u-boot.lds $(PLATFORM_LDFLAGS)
        ifneq ($(TEXT_BASE),)
        LDFLAGS += -Ttext $(TEXT_BASE)
( e+ q: O1 _! r; A& R' h8 S( T        endif

查看u-boot.map文件，代码的连接地址是从0x33F80000开始的。
; R" }3 v' d! b8 G/ ~% J) U
* B4 |. ^; n  a/ V; |167 .text         0x33f80000        0x232c8
        168        cpu/arm920t/start.o(.text)
        169        .text                0x33f80000                0x4a0 cpu/arm920t/start.o
2 d* K3 T( k2 [        170                                0x33f80048                _bss_start
        171                                0x33f8004c                _bss_end
8 T, B5 t3 ^& B2 h        172                                0x33f80044                _armboot_start
        173                                0x33f80000                _start
# r& F) K" v$ J! e2 X        174        board/samsung/fs2410/lowlevel_init.o(.text)
        175        .text                0x33f804a0         0x64 board/samsung/fs2410/lowlevel_init.o
0 F( C* T  o1 ~9 g, }        176                                0x33f804a4                lowlevel_init
        177        board/samsung/fs2410/nand_read.o(.text)
1 @/ m0 E, Y  ~5 S; X7 ^! t6 Q        178        .text                0x33f80504        0xe8 board/samsung/fs2410/nand_read.o
4 F. S# n& q1 e3 D; s        179                                0x33f80504                wait_idle
        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。
) L2 l7 g' O, @) f9 {- w3 m: h
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。

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.

) F' K2 Y% X& n下面的代码是从NOR Flash向SDRAM搬运的代码：

relocate:
9 [" ~, a1 C1 A9 Z                adr r0， _start
9 B5 `& Z$ R2 B, f                ldr r1， _TEXT_BASE
                cmp r0， r1
                beq stack_setup
$ `/ ~: t# K' Q                ldr r2， _armboot_start
6 i$ U6 K  [, d8 I                ldr r3， _bss_start
: F1 }8 r# W) E, e                sub r2， r3， r2
                add r2， r0， r2
        copy_loop:
" Y7 }2 x# I! c/ X, o! }                ldmia r0!， {r3-r10}
$ u) e* J* e7 |                stmia r1!， {r3-r10}
2 m1 D* B4 L6 U; u( I& ~7 {% w                cmp r0， r2
# T# B5 ^$ J4 ]& X/ k; W2 \) W2 M                ble copy_loop
5 l2 v1 C" a! Y; s9 g) P5 k% F' M
2 {$ H- I. {. w- n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
# e6 s6 |' _: w# b. j+ n2 S9 D. r2 a5 P 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
& S4 \$ j% u$ _1 v#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
9 d) j# z7 n9 g! N; T5 {#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
. m  O: T" d3 @- M0 D# J

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 `$ u& ?  s8 K, r1 d  m

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
#include
#include
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
5 j3 O' J; `; J( {" u( Mint g_foo = 100;
int g_foo_bss;
static int g_foo_static;
int do_test(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
9 I$ f* ~( X5 S: ?0 n2 \9 A$ B{
int l_foo = 100;
2 s! v2 h: I0 J4 i9 q2 s int l_foo_bss;
' q3 o! c/ t" h- r9 F. A: F& r static int l_foo_static;
8 c, `  c/ y# p( } char *bar;
char *hello="hello world";
2 k. b" V4 }/ F2 e' H) B+ u
; i: O1 t) `# j& y2 J& D6 _" z bar = (char*)malloc(strlen(hello) + 1);
; R6 w! _! s; }6 \# j$ @ if (bar == NULL)
0 P& y0 y8 V1 `+ o- t0 C/ ^$ B  return 1;
5 p* m; u9 L+ ~% y% q$ a strcpy(bar, hello);

printf("sizeof gd:%d sizeof bd:%d", sizeof(gd_t), sizeof(bd_t));
) \5 G1 x% x9 n7 \5 c printf("gd:%08lx bd:%08lx bd->flags:%d",gd,gd->bd,gd->flags);

4 t0 m5 t5 T$ J- k printf("do_test:%p &do_test:%p", do_test, &do_test);
+ o# ~, B7 j5 q: l& e* ]# u 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);
free(bar);
return 0;
}
# U6 W9 H& B; u2 t7 M/ `! K% s4 wU_BOOT_CMD(
gotohell, 2, 1,do_test,
"just a test of my own",
+ A) Z% h) r4 p6 {; U# j "nothing"
);

启动信息如下(有删改)

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

. F1 G- q9 t! ]* F. y) EU-Boot code: 33F80000 -> 33F9CC64  BSS: -> 33FA1EC0
I2C:   ready
$ Y# l6 r& A% t. \7 I* H- BRAM Configuration:
) O7 ~7 K0 M" OBank #0: 30000000 64 MiB
Flash: 8 MiB
*** Warning - bad CRC, using default environment

In:    serial
Out:   serial
' g/ l2 ?+ c7 ^9 JErr:   serial
Net:   dm9000
9 b# ?2 P" l" e& Q& [( \Hit any key to stop autoboot:  0
0 K- J) E- x6 aLATE2440> gotohell
sizeof gd:32 sizeof bd:28
8 ~3 U( q8 p6 x% m( {; d( u% k/ i) cgd:33f4ffe0 bd:33f4ffc4 bd->flags:3
do_test:33f90740 &do_test:33f90740
( x' I2 b* }/ H; vg_foo:33f9c59c g_foo_bss:33fa1dbc g_foo_static:33fa1dc0
" S" c6 H: y0 F; fl_foo:33f4fbc4 l_foo_bss:33f4fbc0 l_foo_static:33fa1dc4
hello:33f9b5e4 bar:hello world bar:33f4fbbc
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！)

& ]8 d1 x, H$ F* _

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)
3 ~* \9 f+ h2 G  I2 X- }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
, _/ S$ e% _9 c/ q# ~33f9b64c: 62 64 3a 25 64 0a 00 67 64 3a 25 30 38 6c 78 20    bd:%d..gd:%08lx
  C6 W. t0 r! E8 N33f9b65c: 62 64 3a 25 30 38 6c 78 20 62 64 2d 3e 66 6c 61    bd:%08lx bd->fla
4 Q& b! D5 }+ }  ?/ Z( A0 lLATE2440>
33f9b66c: 67 73 3a 25 64 0a 00 64 6f 5f 74 65 73 74 3a 25    gs:%d..do_test:%
/ m% {( ~- v" s33f9b67c: 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>
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
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

$ d: j. H, t, o- u

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。

+ E4 C1 x0 a3 W( J0 Y( d

hotdll

谢谢楼主解惑，写的这么详细。

kenson

hotdll 发表于 2017-6-12 21:26
. ^2 K$ Y7 G& B& P谢谢楼主解惑，写的这么详细。

: I+ q" U* s# h0 Z很高兴对你有帮助