vboot完全解读

来源：互联网发布：地物波谱数据库编辑：程序博客网时间：2024/06/11 10:52

载自：http://www.cnblogs.com/lknlfy/archive/2012/08/25/2655743.html

上半个月在学习bootloader，突然找到了一个非常好的vboot，vboot只有最基本的内核引导功能（基于s3c2440，从nand flash启动），对其深入研究后，发现对bootloader有了比较全面的理解，虽然没有像uboot那么多功能，但vboot已经实现了bootloader最核心的功能，其他像什么网络功能、烧写功能等等也只是一些裸机驱动而已。学习bootloader需要有汇编的基础，如果有单片机编程经验的话那更是“如鱼得水”了。

先看vboot的整体架构，下面是vboot包含的所有文件：

很简单是吧，其中核心的文件是head.S、main.c和nand.c，vboot.bin已经是编译出来的二进制文件，用于烧写在nand flash里。先看mem.lds文件，这是一个链接脚本，从那里可以找到程序的入口：

1 SECTIONS { 2   . = 000000;3   .myhead ALIGN(0): {*(.text.FirstSector)}4   .text ALIGN(512): { *(.text) }5   .bss ALIGN(4)  : { *(.bss*)  *(COMMON) }6   .data ALIGN(4) : { *(.data*) *(.rodata*) }7 }

比较简单，程序入口位于text.FirstSector这个段里（因为程序是从nand flash的0地址开始执行的），它在head.S文件里定义：

 1     .section .text.FirstSector 2     .globl first_sector 3  4 first_sector: 5 @ 0x00: Reset 6     b    Reset 7  8 @ 0x04: Undefined instruction exception 9 UndefEntryPoint:10     b    UndefEntryPoint11 12 @ 0x08: Software interrupt exception13 SWIEntryPoint:14     b    SWIEntryPoint15 16 @ 0x0c: Prefetch Abort (Instruction Fetch Memory Abort)17 PrefetchAbortEnteryPoint:18     b    PrefetchAbortEnteryPoint19 20 @ 0x10: Data Access Memory Abort21 DataAbortEntryPoint:22     b    DataAbortEntryPoint23 24 @ 0x14: Not used25 NotUsedEntryPoint:26     b    NotUsedEntryPoint27 28 @ 0x18: IRQ(Interrupt Request) exception29 IRQEntryPoint:30     b    IRQHandle31 32 @ 0x1c: FIQ(Fast Interrupt Request) exception33 FIQEntryPoint:34     b    FIQEntryPoint35 36 @0x20: Fixed address global value. will be replaced by downloader.37 38     .long ZBOOT_MAGIC39     .byte OS_TYPE, HAS_NAND_BIOS, (LOGO_POS & 0xFF), ((LOGO_POS >>8) &0xFF)40     .long OS_START41     .long OS_LENGTH42     .long OS_RAM_START43     .string LINUX_CMD_LINE

第5~34行的作用是安装异常向量表，在这里除了复位，其他异常都没有定义具体的执行代码。

 1 .section .text 2 Reset: 3     @ 关闭看门狗 4     mov    r1, #0x53000000 5     mov    r2, #0x0 6     str    r2, [r1] 7  8     @ 关闭中断 9     mov    r1, #INT_CTL_BASE10     mov    r2, #0xffffffff11     str    r2, [r1, #oINTMSK]12     ldr    r2, =0x7ff13     str    r2, [r1, #oINTSUBMSK]    14 15     @ 初始化系统时钟16     mov    r1, #CLK_CTL_BASE17     mvn    r2, #0xff00000018     str    r2, [r1, #oLOCKTIME]   @设置LOCKTIME寄存器19     20     mov    r1, #CLK_CTL_BASE21     ldr    r2, clkdivn_value22     str    r2, [r1, #oCLKDIVN]    @设置分频寄存器23 24     mrc    p15, 0, r1, c1, c0, 0        @ read ctrl register 25     orr    r1, r1, #0xc0000000          @ Asynchronous 异步总线模式 26     mcr    p15, 0, r1, c1, c0, 0        @ write ctrl register27 28     mov    r1, #CLK_CTL_BASE29     ldr r2, =S3C2440_UPLL_48MHZ_Fin12MHz30     str r2, [r1, #oUPLLCON]31 32     nop33     nop34     nop35     nop36     nop37     nop38     nop39     nop40     nop41     42     ldr    sp, DW_STACK_START           @ setup stack pointer43 44     ldr     r2, mpll_value_USER         @ clock user set 12MHz45     str    r2, [r1, #oMPLLCON]46     bl    memsetup47 48     @ set GPIO for UART49     mov    r1, #GPIO_CTL_BASE50     add    r1, r1, #oGPIO_H51     ldr    r2, gpio_con_uart    52     str    r2, [r1, #oGPIO_CON]53     ldr    r2, gpio_up_uart54     str    r2, [r1, #oGPIO_UP]    55     bl    InitUART56 57 58     @ get read to call C functions59     mov    fp, #0            @ no previous frame, so fp=060     mov    a2, #0            @ set argv to NULL 61 62     bl    Main            63 64 1:    b    1b @

第4~6行，关闭看门狗，以免系统不断复位；第9~13行，关闭中断；第16~18行，设置系统时钟稳定（锁定）时间；第20~22行，设置时钟分频比为1:4:8（FCLK:HCLK:PCLK）；第24~26行，设置为异步总线模式（因为FCLK已经不等于HCLK）；第28~30,行，设置UPLL为48MHZ，用于USB通信；第42行，设置栈指针，为下面调用c程序做准备；第44~45行，设置FCLK为400MHZ，那么HCLK=100MHZ，PCLK=50MHZ；第46行，跳到内存初始化程序：

 1 memsetup: 2     @ initialise the static memory  3  4     @ set memory control registers 5     mov    r1, #MEM_CTL_BASE 6     adrl    r2, mem_cfg_val 7     add    r3, r1, #52       @13*4 8 1:  ldr    r4, [r2], #4 9     str    r4, [r1], #410     cmp    r1, r311     bne    1b12     mov    pc, lr

2440总共有13个设置内存的寄存器，因此第7行的立即数是52（13*4）；第8~11行，通过循环设置13个寄存器的值。返回到memsetup下面的代码：

 1 @ set GPIO for UART 2     mov    r1, #GPIO_CTL_BASE 3     add    r1, r1, #oGPIO_H 4     ldr    r2, gpio_con_uart     5     str    r2, [r1, #oGPIO_CON] 6     ldr    r2, gpio_up_uart 7     str    r2, [r1, #oGPIO_UP]     8     bl    InitUART 9 10 11     @ get read to call C functions12     mov    fp, #0            @ no previous frame, so fp=013     mov    a2, #0            @ set argv to NULL 14 15     bl    Main            16 17 1:    b    1b @

第2~8行，用于初始化串口（115200bps，8N1）；第12~13行，设置两个arm寄存器；第15行，跳到Main函数执行。在main.c文件里：

 1 void Main(void) 2 { 3     MMU_EnableICache(); 4     MMU_EnableDCache(); 5  6     Port_Init(); 7     NandInit(); 8  9     if (g_page_type == PAGE_UNKNOWN) {10         Uart_SendString("\r\nunsupport NAND\r\n");11         for(;;);12     }13 14     GetParameters();15 16     Uart_SendString("loading Image of Linux from Nand Flash...\n\r");17     ReadImageFromNand();18 }

第3~4行，使能Dcache和Icache：

static inline void MMU_EnableICache(void){    asm (        "mrc p15,0,r0,c1,c0,0\n"        "orr r0,r0,#(1<<12)\n"        "mcr p15,0,r0,c1,c0,0\n"    );}static inline void MMU_EnableDCache(void){    asm (        "mrc p15,0,r0,c1,c0,0\n"        "orr r0,r0,#(1<<2)\n"        "mcr p15,0,r0,c1,c0,0\n"    );}

第6行，初始化一些IO口（没用到）；第7行，初始化nand flash控制器，在nand.c文件里定义：

void NandInit(void){    NFCONF = (TACLS << 12) | (TWRPH0 << 8) | (TWRPH1 << 4) | (0 << 0);    NFCONT =        (0 << 13) | (0 << 12) | (0 << 10) | (0 << 9) | (0 << 8) | (0 << 6) |        (0 << 5) | (1 << 4) | (1 << 1) | (1 << 0);    NFSTAT = 0;    NandReset();    NandCheckId();}

设置具体nand flash芯片的时序参数、页的大小和位宽等，初始化之后，就可以读写nand flash了。回到Main函数的第14行调用的GetParameters()函数的定义：

static inline void GetParameters(void){    U32 Buf[2048];    g_os_type = OS_LINUX;    //内核在flash中的起始地址    g_os_start = 0x50000;    //内核映像的大小    g_os_length = 0x300000;    //内核被拷贝到内存的起始地址    g_os_ram_start = 0x30008000;    // vivi LINUX CMD LINE    //从flash的参数分区中读命令行参数    NandReadOneSector((U8 *)Buf, 0x40000);    if (Buf[0] == 0x49564956 && Buf[1] == 0x4C444D43) {        memcpy(g_linux_cmd_line, (char *)&(Buf[2]), sizeof g_linux_cmd_line);    }}

设置了内核映像在nand flash的起始地址和大小，还有设置内核映像被拷贝到ram的起始地址，命令行参数是通过BIOS(nor flash里的supervivi)写到nand flash的0x40000地址处，通过NandReadOneSector()把它读出来，其中Buf[0]、Buf[1]这两个值是“暗藏值”，是对应于具体的BIOS的，是由BIOS写进去的，位于命令行参数的第一和第二个字，因为BIOS的代码不不开源的，无法修改，所以移植vboot的时候只要是用这个BIOS来烧写vboot就不用修改两个值（不用太纠结，我曾纠结了很久）。从memcpy()函数也可以知道，Buf[0]和Buf[1]这两个值是用来识别具体的BIOS的，没用于命令行参数。现在看NandReadOneSector()函数：

 1 int NandReadOneSector(U8 * buffer, U32 addr) 2 { 3     int ret; 4      5     switch(g_page_type) { 6     case PAGE512: 7         ret = NandReadOneSectorP512(buffer, addr); 8         break; 9     case PAGE2048:10         ret = NandReadOneSectorP2048(buffer, addr);11         break;12     default:13         for(;;);14     }15     return ret;16 }

因为我板子（GT2440）上的nand flash是64M的，页的大小为512字节，所以看第7行的调用：

static inline int NandReadOneSectorP512(U8 * buffer, U32 addr){    U32 sector;    sector = addr >> 9;    NandReset();#if 0    NF_RSTECC();    NF_MECC_UnLock();#endif    NF_nFCE_L();    NF_CLEAR_RB();    NF_CMD(0x00);    NF_ADDR(0x00);    NF_ADDR(sector & 0xff);    NF_ADDR((sector >> 8) & 0xff);    NF_ADDR((sector >> 16) & 0xff);    delay();    NF_DETECT_RB();    ReadPage512(buffer, &NFDATA);#if 0    NF_MECC_Lock();#endif    NF_nFCE_H();    return 1;}

该函数里前面那些是设置读操作，设置读起始地址，核心是调用ReadPage512()函数，它由汇编实现，在head.S里：

 1 .globl ReadPage512 2  3 ReadPage512: 4     stmfd    sp!, {r2-r7} @ 将r2~r7寄存器的值压栈 5     mov    r2, #0x200   @ 512个字节 6  7 1: 8     ldr    r4, [r1] 9     ldr    r5, [r1]10     ldr    r6, [r1]11     ldr    r7, [r1]12     stmia    r0!, {r4-r7}13     ldr    r4, [r1]14     ldr    r5, [r1]15     ldr    r6, [r1]16     ldr    r7, [r1]17     stmia    r0!, {r4-r7}18     ldr    r4, [r1]19     ldr    r5, [r1]20     ldr    r6, [r1]21     ldr    r7, [r1]22     stmia    r0!, {r4-r7}23     ldr    r4, [r1]24     ldr    r5, [r1]25     ldr    r6, [r1]26     ldr    r7, [r1]27     stmia    r0!, {r4-r7}28     subs    r2, r2, #64  @ 一次循环读64个字节29     bne    1b;30     ldmfd    sp!, {r2-r7} @ 恢复r2~r7寄存器的值31     mov    pc,lr @ 返回

挺好懂的，不多解析。再回到Main()函数的17行（最后一个函数调用）调用ReadImageFromNand()：

 1 void ReadImageFromNand(void) 2 { 3     unsigned int Length; 4     U8 *RAM; 5     unsigned BlockNum; 6     unsigned pos; 7  8     Length = g_os_length; 9     //内核的大小（单位：块）10     Length = (Length + BLOCK_SIZE - 1) >> (BYTE_SECTOR_SHIFT + SECTOR_BLOCK_SHIFT) << (BYTE_SECTOR_SHIFT + SECTOR_BLOCK_SHIFT); // align to Block Size11     //内核在flash中的第几块12     BlockNum = g_os_start >> (BYTE_SECTOR_SHIFT + SECTOR_BLOCK_SHIFT);13     //要拷贝到的起始地址14     RAM = (U8 *) g_os_ram_start;15     for (pos = 0; pos < Length; pos += BLOCK_SIZE) {16         unsigned int i;17         // skip badblock18         //坏块检测19         for (;;) {20             if (NandIsGoodBlock21                 (BlockNum <<22                  (BYTE_SECTOR_SHIFT + SECTOR_BLOCK_SHIFT))) {23                 break;24             }25             BlockNum++;    //try next26         }27         for (i = 0; i < BLOCK_SIZE; i += SECTOR_SIZE) {28             int ret =29                 NandReadOneSector(RAM,30                           (BlockNum <<31                            (BYTE_SECTOR_SHIFT +32                         SECTOR_BLOCK_SHIFT)) + i);33             RAM += SECTOR_SIZE;34             ret = 0;35 36         }37 38         BlockNum++;39     }40 41     CallLinux();42 }

主要是从nand flash里把内核映像一块一块地读到ram里，每读一块之前先进行坏块检测，如果是坏块就跳过，继续读下一块（这里的坏块检测是一个比较粗略的检测方法），直到把整个内核映像读到ram里面。这里内核映像的大小设置为3M（实际上不到3M），因此读也是读3M大小到ram里面。最后该函数的第41行调用CallLinux()：

 1 static void CallLinux(void) 2 { 3     struct param_struct { 4         union { 5             struct { 6                 unsigned long page_size;    /*  0 */ 7                 unsigned long nr_pages;    /*  4 */ 8                 unsigned long ramdisk_size;    /*  8 */ 9                 unsigned long flags;    /* 12 */10                 unsigned long rootdev;    /* 16 */11                 unsigned long video_num_cols;    /* 20 */12                 unsigned long video_num_rows;    /* 24 */13                 unsigned long video_x;    /* 28 */14                 unsigned long video_y;    /* 32 */15                 unsigned long memc_control_reg;    /* 36 */16                 unsigned char sounddefault;    /* 40 */17                 unsigned char adfsdrives;    /* 41 */18                 unsigned char bytes_per_char_h;    /* 42 */19                 unsigned char bytes_per_char_v;    /* 43 */20                 unsigned long pages_in_bank[4];    /* 44 */21                 unsigned long pages_in_vram;    /* 60 */22                 unsigned long initrd_start;    /* 64 */23                 unsigned long initrd_size;    /* 68 */24                 unsigned long rd_start;    /* 72 */25                 unsigned long system_rev;    /* 76 */26                 unsigned long system_serial_low;    /* 80 */27                 unsigned long system_serial_high;    /* 84 */28                 unsigned long mem_fclk_21285;    /* 88 */29             } s;30             char unused[256];31         } u1;32         union {33             char paths[8][128];34             struct {35                 unsigned long magic;36                 char n[1024 - sizeof(unsigned long)];37             } s;38         } u2;39         char commandline[1024];40     };41     //启动参数在内存的起始地址42     struct param_struct *p = (struct param_struct *)0x30000100;43     memset(p, 0, sizeof(*p));44     memcpy(p->commandline, g_linux_cmd_line, sizeof(g_linux_cmd_line));45     //内存页的大小4K46     p->u1.s.page_size = 4 * 1024;47     //内存总共有多少页48     p->u1.s.nr_pages = 64 * 1024 * 1024 / (4 * 1024);49 50     {51         unsigned int *pp = (unsigned int *)(0x30008024);52         if (pp[0] == 0x016f2818) {  //zImage的魔数，在内核中定义53             //Uart_SendString("\n\rOk\n\r");54         } else {55             Uart_SendString("\n\rWrong Linux Kernel\n\r");56             for (;;) ;57         }58 59     }60      asm (61         "mov    r5, %2\n"62         "mov    r0, %0\n"63         "mov    r1, %1\n"64         "mov    ip, #0\n"65         "mov    pc, r5\n"66         "nop\n" "nop\n":    /* no outpus */67         :"r"(0), "r"(782), "r"(g_os_ram_start)68     );69 }

首先定义了一个struct param_struct结构体变量，从这里就可以看出，vboot用的是旧的方式（新的是用tag方式），struct param_struct与内核里定义的一样。第41~59行，看注释可以明白，第60~67行，是内核的一些约定：

R0 = 0

R1 = 机器ID

.....

最后第65行，设置pc为内核映像在内存中的起始地址，直接跳到内核映像的入口，从而开始内核代码的执行......

总结：

vboot是一个十分精简的bootloader，从nand flash启动，目前只支持2440 Linux，只有引导内核的功能，它的编译后的二进制文件不会超过4K（这是由2440从nand flash启动所限制的），编译vboot只需要在代码目录下执行make，便可生成vboot.bin文件，通过BIOS将它烧写到nand flash里。强烈推荐想学习ARM bootloader的同学从vboot开始入手。