U-Boot 阶段
U-Boot 在 Artinchip 平台上承担两个功能角色：
- 引导内核
- 镜像烧录
本章重点描述 U-Boot 这一级引导程序的主要启动流程以及在不同启动介质下的处理。 镜像烧录功能将在 镜像烧录 章节进行描述。
1. 前初始化
U-Boot 的前初始化是指执行代码重定位之前的初始化，此时 U-Boot 在 DRAM 的前端空间执行。
前初始化分为两个阶段：
- 芯片架构相关的初始化代码
- 板子相关的前初始化代码
阶段一： 芯片架构相关初始化
这个阶段主要是对 CPU 进行了基本的初始化，并且将上一级引导程序传递过来的参数保存起来。 ArtInChip 平台上实现了对应的 save_boot_params 处理函数，并且将调用现场的关键寄存器信息保存到 boot_params_stash 全局变量中。
_start // arch/riscv/cpu/start.S
|-> save_boot_params // arch/riscv/mach-artinchip/lowlevel_init.S
| // BROM 或者 SPL 跳转到 U-Boot 执行的时候，传递了一些参数，这里首先将这
| // 些参数保存起来。
|
|-> la t0, trap_entry // 设置异常处理
|-> li t1, CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR // 设置初始栈
|-> jal board_init_f_alloc_reserve
|-> jal harts_early_init
后续的程序在需要了解当前的启动介质时，可以从中读取相关的信息。
阶段二： 板子相关的前初始化
_start // arch/riscv/cpu/start.S
|-> save_boot_params // arch/riscv/mach-artinchip/lowlevel_init.S
|-> ...
|-> la t5, board_init_f
board_init_f() 函数内逐个调用初始化函数列表 init_sequence_f 中的函数：
static const init_fnc_t init_sequence_f[] = {
setup_mon_len,
#ifdef CONFIG_OF_CONTROL
fdtdec_setup,
#endif
initf_malloc,
log_init,
initf_bootstage, /* uses its own timer, so does not need DM */
setup_spl_handoff,
initf_console_record,
arch_cpu_init, /* basic arch cpu dependent setup */
mach_cpu_init, /* SoC/machine dependent CPU setup */
initf_dm,
arch_cpu_init_dm,
#if defined(CONFIG_BOARD_EARLY_INIT_F)
board_early_init_f,
#endif
env_init, /* initialize environment */
init_baud_rate, /* initialze baudrate settings */
serial_init, /* serial communications setup */
console_init_f, /* stage 1 init of console */
display_options, /* say that we are here */
display_text_info, /* show debugging info if required */
INIT_FUNC_WATCHDOG_INIT
#if defined(CONFIG_MISC_INIT_F)
misc_init_f,
#endif
INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
#if defined(CONFIG_SYS_I2C)
init_func_i2c,
#endif
announce_dram_init,
dram_init, /* configure available RAM banks */
setup_dest_addr,
reserve_round_4k,
#ifdef CONFIG_ARM
reserve_mmu,
#endif
reserve_video,
reserve_trace,
reserve_uboot,
reserve_malloc,
reserve_board,
setup_machine,
reserve_global_data,
reserve_fdt,
reserve_bootstage,
reserve_bloblist,
reserve_arch,
reserve_stacks,
dram_init_banksize,
show_dram_config,
display_new_sp,
#ifdef CONFIG_OF_BOARD_FIXUP
fix_fdt,
#endif
INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
reloc_fdt,
reloc_bootstage,
reloc_bloblist,
setup_reloc,
NULL,
};
由于 DRAM 在 PBP 阶段已经初始化，这里的 dram_init 只是初始化 DRAM 驱动， 用于获取 DRAM 基本信息。
DTS 相关的流程可参考 fdtdec_setup 和 initf_dm ：
fdtdec_setup(); // lib/fdtdec.c
|-> gd->fdt_blob = board_fdt_blob_setup(); // lib/fdtdec.c
| // 对于 U-Boot, DTB 的位置是 _end 开始的位置，此处加载 dtb
|-> fdtdec_prepare_fdt();
|-> fdt_check_header(gd->fdt_blob);
initf_dm(); // common/board_f.c
|-> dm_init_and_scan(true); // drivers/core/root.c
|-> dm_init(IS_ENABLED(CONFIG_OF_LIVE)); // drivers/core/root.c
|-> dm_scan_platdata(pre_reloc_only=true);
|-> dm_extended_scan_fdt(gd->fdt_blob, pre_reloc_only=true);
| |-> dm_scan_fdt(blob, pre_reloc_only);
| | |-> dm_scan_fdt_node(gd->dm_root, blob, 0, true);
| | |-> lists_bind_fdt(parent, offset_to_ofnode(offset), NULL,true);
| | | // drivers/core/lists.c
| | | // 此阶段仅处理设置了 "u-boot,dm-pre-reloc" 的并且
| | | // 对应驱动也是设置了 DM_FLAG_PRE_RELOC 的设备和驱动的绑定
| | |
| | |-> device_bind_with_driver_data(parent, entry, name,id->data,
| | | node, &dev);
| | |-> device_bind_common(...)
| | | // dev = calloc(1, sizeof(struct udevice));
| | | //
| | | // dev->platdata = platdata;
| | | // dev->driver_data = driver_data;
| | | // dev->name = name;
| | | // dev->node = node;
| | | // dev->parent = parent;
| | | // dev->driver = drv;
| | | // dev->uclass = uc;
| | | // 创建 udevice，并将 driver 挂上
| | |
| | |-> uclass_bind_device(dev);
| |-> dm_scan_fdt_ofnode_path("/clocks", pre_reloc_only);
| |-> dm_scan_fdt_ofnode_path("/firmware", pre_reloc_only);
|-> dm_scan_other(pre_reloc_only);
此阶段并没有对 DTS 中列出的所有设备和驱动进行初始化处理，仅对标记了 “u-boot,dm-pre-reloc” 的设备， 以及驱动中标记了 DM_FLAG_PRE_RELOC 的驱动进行处理，以缩短这个阶段的处理时间。
注意
initf_dm 和 initr_dm 都会搜索一遍 DTB，花费的时间比较多，如果这里能够节省搜索的数量， 对于快速启动会有比较大的帮助。
2. 代码重定位
通常内核的代码段放在 DRAM 的开始位置，U-Boot 的代码位置放到 DRAM 的末端。 但是由于不同项目所用的 DRAM 大小不一致，为了方便，将 U-Boot 的链接地址也定义在 DRAM 比较前面的固定位置。在加载 U-Boot 初始化完 DRAM 之后，U-Boot 读取当前平台的 DRAM 大小， 然后在加载 Kernel 之前将自身代码段和数据段等信息重定位到 DRAM 的末端继续运行， 将 DRAM 的前端空间让给 Kernel。
_start // arch/riscv/cpu/start.S
|-> save_boot_params // arch/riscv/mach-artinchip/lowlevel_init.S
|-> ...
|-> board_init_f(); // common/board_f.c
|-> setup_reloc(); // common/board_f.c
|-> jump_to_copy(); // common/board_f.c
|-> relocate_code(); // arch/riscv/cpu/start.S
| // RISCV 上的实现，relocate 之后，函数不返回，直接跳转到 board_init_r 执行
|-> invalidate_icache_all()
|-> flush_dcache_all()
|-> board_init_r();
重定位的具体位置 gd->relocaddr 的计算可查看 common/board_f.c ：
static const init_fnc_t init_sequence_f[] = {
...
setup_dest_addr,
reserve_round_4k,
reserve_mmu,
reserve_video,
reserve_trace,
reserve_uboot,
...
setup_reloc,
NULL,
};
最终 gd->reloc_off 的计算，在 setup_reloc 中完成。
注解
如果 CONFIG_SYS_TEXT_BASE == relocation address，则不需要做重定位的工作， 可以节省启动时间。这个需要根据当前项目的 DRAM 大小进行计算 CONFIG_SYS_TEXT_BASE 的值。
3. 后初始化
后初始化阶段是代码重定位之后执行的初始化流程，由下面的 board_init_r 开始。
_start // arch/riscv/cpu/start.S
|-> save_boot_params // arch/riscv/mach-artinchip/lowlevel_init.S
|-> ...
|-> board_init_f(); // common/board_f.c
|-> setup_reloc(); // common/board_f.c
|-> jump_to_copy(); // common/board_f.c
|-> relocate_code(); // arch/riscv/cpu/start.S
| // RISCV 上的实现，relocate 之后，函数不返回，直接跳转到 board_init_r 执行
|-> invalidate_icache_all()
|-> flush_dcache_all()
|-> board_init_r();
board_init_r 函数中逐个执行函数列表 init_sequence_r 中的初始化函数。
static init_fnc_t init_sequence_r[] = {
initr_trace,
initr_reloc,
#ifdef CONFIG_ARM
initr_caches,
#endif
initr_reloc_global_data,
initr_barrier,
initr_malloc,
log_init,
initr_bootstage, /* Needs malloc() but has its own timer */
initr_console_record,
#ifdef CONFIG_SYS_NONCACHED_MEMORY
initr_noncached,
#endif
bootstage_relocate,
#ifdef CONFIG_OF_LIVE
initr_of_live,
#endif
#ifdef CONFIG_DM
initr_dm,
#endif
#if defined(CONFIG_ARM) || defined(CONFIG_NDS32) || defined(CONFIG_RISCV) || \
defined(CONFIG_SANDBOX)
board_init, /* Setup chipselects */
#endif
stdio_init_tables,
initr_serial,
initr_announce,
#if CONFIG_IS_ENABLED(WDT)
initr_watchdog,
#endif
INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
#ifdef CONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOC
initr_manual_reloc_cmdtable,
#endif
#ifdef CONFIG_ADDR_MAP
initr_addr_map,
#endif
#if defined(CONFIG_BOARD_EARLY_INIT_R)
board_early_init_r,
#endif
INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
#ifdef CONFIG_POST
initr_post_backlog,
#endif
INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
#ifdef CONFIG_ARCH_EARLY_INIT_R
arch_early_init_r,
#endif
power_init_board,
#ifdef CONFIG_MTD_NOR_FLASH
initr_flash,
#endif
INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
#ifdef CONFIG_CMD_NAND
initr_nand,
#endif
#ifdef CONFIG_CMD_ONENAND
initr_onenand,
#endif
#ifdef CONFIG_MMC
initr_mmc,
#endif
initr_env,
#ifdef CONFIG_SYS_BOOTPARAMS_LEN
initr_malloc_bootparams,
#endif
INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
initr_secondary_cpu,
#if defined(CONFIG_ID_EEPROM) || defined(CONFIG_SYS_I2C_MAC_OFFSET)
mac_read_from_eeprom,
#endif
INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
stdio_add_devices,
initr_jumptable,
#ifdef CONFIG_API
initr_api,
#endif
console_init_r, /* fully init console as a device */
#ifdef CONFIG_DISPLAY_BOARDINFO_LATE
console_announce_r,
show_board_info,
#endif
#ifdef CONFIG_ARCH_MISC_INIT
arch_misc_init, /* miscellaneous arch-dependent init */
#endif
#ifdef CONFIG_MISC_INIT_R
misc_init_r, /* miscellaneous platform-dependent init */
#endif
INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
interrupt_init,
#ifdef CONFIG_ARM
initr_enable_interrupts,
#endif
#ifdef CONFIG_CMD_NET
initr_ethaddr,
#endif
#ifdef CONFIG_BOARD_LATE_INIT
board_late_init,
#endif
#ifdef CONFIG_CMD_NET
INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET
initr_net,
#endif
#ifdef CONFIG_POST
initr_post,
#endif
#if defined(CONFIG_PRAM)
initr_mem,
#endif
run_main_loop,
};
其中下面几个重要的阶段需要留意。
board_init_r();
|
|-> initr_dm // 初始化设备驱动，这次扫描所有的设备，并且绑定到匹配的驱动上
| |-> dm_init_and_scan(false);
| |-> dm_init(IS_ENABLED(CONFIG_OF_LIVE)); // drivers/core/root.c
| |-> dm_scan_platdata(pre_reloc_only=true);
| |-> dm_extended_scan_fdt(gd->fdt_blob, pre_reloc_only=true);
| |-> dm_scan_other(pre_reloc_only);
|
|-> initr_flash // SPI NOR 的初始化
| |-> flash_size = flash_init();
|
|-> initr_nand // RAW NAND 的初始化
|-> initr_mmc
| |-> mmc_initialize(gd->bd);
|
|-> initr_env
| |-> env_relocate(); // env/common.c
| |-> env_load(); // env/env.c
|
|-> stdio_add_devices();
|
|-> board_late_init(); // board/artinchip/d211/d211.c
|-> setup_boot_device();
|-> env_set("boot_device", "mmc");
Cache Enable
RISCV 上，U-Boot 运行在 S-Mode，没有权限开关 Cache，因此只能由 SPL 来开关 Cache。
Device Model
在后初始化阶段，会扫描所有的设备和驱动，并且将设备和对应的驱动进行绑定。
存储介质的初始化
NOR/NAND/MMC 等存储介质的驱动在这个阶段开始初始化。
环境变量加载
环境变量中保存着 U-Boot 的配置，以及相关的启动信息，此时需要从对应的存储介质中加载使用。
显示驱动
如果项目使能了 U-Boot 阶段的显示，此时在 stdio_add_devices() 中对显示和按键驱动进行初始化。
其他配置
在 board_late_init() 中，将从 SPL 传递过来的启动设备信息，更新到环境变量中，使得后续的启动脚本 可以获知当前的启动设备信息。
4. 环境变量加载如前面所述，环境变量的处理有两个阶段：
- 环境变量初始
- 环境变量读取
如下面的调用流程， env_init() 在 board_init_f() 阶段执行，但具体的加载过程 在 board_init_r() 阶段执行。
reset // arch/riscv/cpu/start.S
|-> save_boot_params // arch/riscv/mach-artinchip/lowlevel_init.S
|-> ...
|-> board_init_f(); // common/board_f.c
|-> setup_reloc(); // common/board_f.c
|-> jump_to_copy(); // common/board_f.c
|-> relocate_code(); // arch/riscv/cpu/start.S
|-> invalidate_icache_all()
|-> flush_dcache_all()
|-> board_init_r();
| // 逐个调用 init_sequence_r 里面的函数，其中包括 initr_env
|-> initr_env(); // common/board_r.c
|-> should_load_env(void);// common/board_r.c
| // 由于没有在 DTS 中进行配置，总是返回 1
| // fdtdec_get_config_int(gd->fdt_blob, "load-environment", 1);
|-> env_relocate(); // env/common.c
|-> env_load(); // env/env.c
U-Boot 支持在多种存储介质中保存环境变量，并且提供了一个插拔式的机制，用于实现从 不同的存储介质中加载环境变量内容。
在添加新的环境变量加载器时，只需要实现对应存储介质的 load 和 save 函数， 然后通过宏 U_BOOT_ENV_LOCATION 将对应的信息添加到 .u_boot_list_2 链接段中。 比如下面的定义，将生成 .u_boot_list_2_env_driver_2_spinand 信息。
U_BOOT_ENV_LOCATION(spinand) = {
.location = ENVL_SPINAND,
ENV_NAME("SPINAND")
.load = env_spinand_load,
#if defined(CMD_SAVEENV)
.save = env_save_ptr(env_spinand_save),
#endif
};
env_driver_lookup() 函数首先通过检查当前的启动设备，然后从 .u_boot_list_2 段中查找对应启动设备的 ENV 加载驱动，最后调用对应的驱动读取并导入环境变量内容。
env_load(); // env/env.c
|-> env_driver_lookup(ENVOP_LOAD, prio);
| |-> loc = env_get_location(); // board/artinchip/d211/env_location.c
| | |-> bd = aic_get_boot_device(); // 获取当前的启动设备
| |
| |-> _env_driver_lookup(loc);
| |-> drv = ll_entry_start();
| // 查找指定存储介质的 env 加载驱动
|
|-> drv->load();
// 此处调用个存储介质的对应函数
env_ram_load(); // board/artinchip/d211/env_location.c
env_spinand_load(); // env/spinand.c
env_sf_load(); // env/sf.c
env_mmc_load(); // env/mmc.c
具体各种存储介质中，环境变量保存的位置可参考 存储介质上的保存 。
5. 命令行阶段
board_init_r 函数最后进入 run_main_loop 执行 Autoboot 命令或者进入控制台。
board_init_r(); // common/board_r.c
|-> run_main_loop(); // common/board_r.c
|-> main_loop(); // common/main.c
|-> cli_init(); // 初始化 command line
| |-->u_boot_hush_start();
|
|-> bootdelay_process(); // common/autoboot.c
| | // 获取boot delay时间参数，从env中获取bootcmd参数
| |-> s = env_get("bootcmd");
| // 获取 bootcmd 的内容
|-> cli_process_fdt(); // common/cli.c
| // 尝试从 DTS 中获取 bootcmd 参数，DTS 的配置优先级高于 ENV
|-> autoboot_command(); // common/autoboot.c
|-> abortboot();
| // 检查是否需要终止启动
|
|-> run_command_list(); // common/cli.c
// 执行 bootcmd 的内容，一般是执行脚本
倒计时读秒
进入命令行的主循环之后，U-Boot 首先获取 boot delay 的时间设置。Boot delay 的时间 是指 U-Boot 在执行启动命令之前的倒计时读秒的时间，该时间在 ArtInChip 平台上在环境变量 env.txt 中进行配置:
bootdelay=3
如果不需要倒计时读秒，可以将该设置改为 0 。
启动命令
U-Boot 检查并且默认执行 bootcmd 所指定的启动命令。该启动命令可以在两个地方设置：
- 环境变量中设置
- DTS 中设置
ArtInChip 平台上通过环境变量 env.txt 设置，同行是一段启动脚本。
按键中断
进入 autoboot_command 在执行启动命令之前，U-Boot 还会检查用户是否有通过串口 按键中断启动流程。该检查无论 bootdelay 时间是否为 0 都会进行。