Introduction to Computer Systems II @ Fudan University, spring 2020.
U-Boot for MIPS SoC 研究报告
Das U-Boot - the Universal Boot Loader 是一个开源的用于嵌入式系统的引导加载程序，支持多种计算机体系结构，包括 ARM, RISC-V, MIPS, x86 等等。本文将在 MIPS 架构下试分析 U-Boot 的启动流程，自知理解尚浅，也没能找到完备的参考资料，如有错误还望指正。
0. 简单启动
对于一个最精简的引导加载程序（bootloader）来说，至少需要完成以下几项工作：[^1]
- 初始化硬件
- 将内核（kernel）镜像文件加载到 RAM 中
- 将启动参数传给内核
- 跳转到内核函数入口
如此精简的引导加载程序通常可以直接以汇编的形式保存在 ROM / FLASH 中。（为什么选择 ROM / FLASH？因为 RAM 是易失性存储器，断电就会丢失数据，而硬盘又不能被 CPU 直接访问。）但对于像 U-Boot 这样比较复杂的引导加载程序来说，ROM 的空间大小限制（512 B）难以保存完整的启动代码，因此就需要分为几个阶段：[^1] [^2]
- 加载 ROM / FLASH 中保存的汇编形式的 Primary Program Loader，初始化硬件，其中包括 Secondary Program Loader (SPL) 所需的内部 SRAM；然后在 SRAM 中载入 SPL，并跳转到其入口
- 在 SRAM 中的 SPL 可以使用 C 语言实现更复杂的功能了，本阶段的工作主要是初始化所有硬件，其中包括内核所需的外部 DRAM（First stage bootloader）
- 最后在 DRAM 中载入内核镜像文件，将启动参数传给内核，跳转到内核函数入口（Second stage bootloader）
以下将详细介绍 U-Boot 在这几个阶段具体完成了哪些工作。
1. U-Boot 启动流程
1.1 Primary Program Loader
Primary Program Loader 的代码位于 arch/mips/cpu/start.S，从 ENTRY(_start) 开始执行，到 END(_start) 结束。目前代码在 ROM / FLASH 中执行，本阶段主要完成了以下工作：[^3]
1.1.1 初始化异常向量（exception vector）
.macro uhi_mips_exception
move k0, t9 # preserve t9 in k0
move k1, a0 # preserve a0 in k1
li t9, 15 # UHI exception operation
li a0, 0 # Use hard register context
sdbbp 1 # Invoke UHI operation
.endm#if defined(CONFIG_ROM_EXCEPTION_VECTORS)
/*
* Exception vector entry points. When running from ROM, an exception
* cannot be handled. Halt execution and transfer control to debugger,
* if one is attached.
*/
.org 0x200
/* TLB refill, 32 bit task */
uhi_mips_exception
.org 0x280
/* XTLB refill, 64 bit task */
uhi_mips_exception
.org 0x300
/* Cache error exception */
uhi_mips_exception
.org 0x380
/* General exception */
uhi_mips_exception
.org 0x400
/* Catch interrupt exceptions */
uhi_mips_exception
.org 0x480
/* EJTAG debug exception */
1: b 1b
nop
.org 0x500
#endif1.1.2 初始化协处理器 CP0 的寄存器
协处理器 CP0 用于处理异常和中断，这里初始化了以下寄存器：[^4]
CP0_COUNT：处理器周期计数器
mtc0 zero, CP0_COUNT # clear cp0 count for most accurate boot timingCP0_STATUS：处理器状态及控制器
/* Init CP0 Status */
4: mfc0 t0, CP0_STATUS
and t0, ST0_IMPL
or t0, ST0_BEV | ST0_ERL | STATUS_SET
mtc0 t0, CP0_STATUSCP0_WATCHLO,CP0_WATCHHI：（若CP0_CONFIG1未实现则初始化）断点（watchpoint）地址及控制器
/*
* Check whether CP0 Config1 is implemented. If not continue
* with legacy Watch register initialization.
*/
mfc0 t0, CP0_CONFIG
bgez t0, wr_legacy
nop
wr_legacy:
MTC0 zero, CP0_WATCHLO
mtc0 zero, CP0_WATCHHICP0_CAUSE：上次异常的原因CP0_COMPARE：时钟中断控制器（与CP0_COUNT一起使用）
wr_done:
/* Clear WP, IV and SW interrupts */
mtc0 zero, CP0_CAUSE
/* Clear timer interrupt (CP0_COUNT cleared on branch to 'reset') */
mtc0 zero, CP0_COMPARE1.1.3 禁用缓存（如果需要）
跳转到 mips_cache_disable 禁用缓存，代码位于 arch/mips/lib/cache_init.S。
#ifdef CONFIG_MIPS_CACHE_DISABLE
/* Disable caches */
PTR_LA t9, mips_cache_disable
jalr t9
nop
#endif1.1.4 初始化硬件
跳转到 lowlevel_init 初始化 SRAM, I-Cache, D-Cache, CPU, DDR 等 SPL 所需的硬件，更新 CP0_CONFIG，代码位置取决于具体开发板，如 arch/mips/mach-mtmips/mt7628/lowlevel_init.S。
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
/* Initialize any external memory */
PTR_LA t9, lowlevel_init
jalr t9
nop
#endif1.1.5 初始化缓存
跳转到 mips_cache_reset 初始化缓存，代码位于 arch/mips/lib/cache_init.S。
#ifdef CONFIG_MIPS_CACHE_SETUP
/* Initialize caches... */
PTR_LA t9, mips_cache_reset
jalr t9
nop
#endif1.1.6 初始化栈
执行 setup_stack_gd 宏初始化栈（可以通过 CONFIG_MIPS_INIT_STACK_IN_SRAM 设置在 SRAM 中初始化栈，这里就不展开讲了）。
.macro setup_stack_gd
li t0, -16
PTR_LI t1, CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR
and sp, t1, t0 # force 16 byte alignment
PTR_SUBU \
sp, sp, GD_SIZE # reserve space for gd
and sp, sp, t0 # force 16 byte alignment
move k0, sp # save gd pointer
#if CONFIG_VAL(SYS_MALLOC_F_LEN) && \
!CONFIG_IS_ENABLED(INIT_STACK_WITHOUT_MALLOC_F)
li t2, CONFIG_VAL(SYS_MALLOC_F_LEN)
PTR_SUBU \
sp, sp, t2 # reserve space for early malloc
and sp, sp, t0 # force 16 byte alignment
#endif
move fp, sp
/* Clear gd */
move t0, k0
1:
PTR_S zero, 0(t0)
PTR_ADDIU t0, PTRSIZE
blt t0, t1, 1b
nop
#if CONFIG_VAL(SYS_MALLOC_F_LEN) && \
!CONFIG_IS_ENABLED(INIT_STACK_WITHOUT_MALLOC_F)
PTR_S sp, GD_MALLOC_BASE(k0) # gd->malloc_base offset
#endif
.endm /* Set up initial stack and global data */
setup_stack_gd1.1.7 调用函数 board_init_f()
调用函数 board_init_f() 进入下一阶段，代码位置取决于具体开发板，如 arch/mips/mach-mtmips/spl.c（在以前的版本中，位于 arch/mips/lib/board.c，此文件于 2014/11/27 被移除）。
PTR_LA t9, board_init_f
jr t9
move ra, zero1.2 Secondary Program Loader
1.2.1 First stage bootloader
目前代码在 SRAM 中执行，本阶段主要是为 Second stage bootloader 做准备工作：[^2] [^5]
- 调用函数
spl_init()初始化 bootstage（用于记录启动阶段的相关信息）、日志及全部硬件（包括 DRAM），代码位于 common/spl/spl.c - 调用函数
mtmips_spl_serial_init()初始化串口（serial），函数名及代码位置取决于具体开发板，如 arch/mips/mach-mtmips/mt7628/serial.c - 调用函数
preloader_console_init()初始化控制台（console），代码位于 common/spl/spl.c - 调用函数
board_init_r()进入下一阶段，代码位于 common/board_r.c
1.2.2 Second stage bootloader
到了这里，引导加载程序终于有足够的资源来完成所有应当完成的工作了。目前代码在 DRAM 中执行，结合反编译（objdump）最终的 u-boot 二进制文件（MIPS 架构）得到的代码可知，本阶段依次执行了以下这些函数（即 init_sequence_r[]），进行了一系列初始化工作，最后调用 run_main_loop() 进入主循环 main_loop()：[^6] [^7]
initr_trace()initr_reloc()initr_reloc_global_data()initr_barrier()initr_malloc()log_init()initr_bootstage()initr_console_record()initr_binman()initr_dm_devices()stdio_init_tables()serial_initialize()initr_announce()initr_trap()power_init_board()initr_flash()initr_env()initr_malloc_bootparams()initr_secondary_cpu()stdio_add_devices()initr_jumptable()console_init_r()misc_init_r()interrupt_init()timer_init()initr_ethaddr()initr_net()initr_ide()run_main_loop()
主循环 main_loop() 的代码位于 common/main.c，主要完成的工作是设置环境变量，初始化 CLI (Command Line Interface)，最后启动操作系统内核，U-Boot 的启动流程到这里就结束了。
void main_loop(void)
{
const char *s;
bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_MAIN_LOOP, "main_loop");
if (IS_ENABLED(CONFIG_VERSION_VARIABLE))
env_set("ver", version_string); /* set version variable */
cli_init();
if (IS_ENABLED(CONFIG_USE_PREBOOT))
run_preboot_environment_command();
if (IS_ENABLED(CONFIG_UPDATE_TFTP))
update_tftp(0UL, NULL, NULL);
s = bootdelay_process();
if (cli_process_fdt(&s))
cli_secure_boot_cmd(s);
autoboot_command(s);
cli_loop();
panic("No CLI available");
}2. 研究历程
2.1 获得交叉编译工具链
由于目标架构是 MIPS，而本机则是 x86_64，因此我们需要一个交叉编译工具链（toolchain）。当然我们可以从各种地方直接下载得到，不过为了熟悉整个流程，这里我们还是手动编译了一下。相关代码已经上传到 GitHub，目标架构为 mipsel-unknown-elf。
2.2 编译 U-Boot
配置完交叉编译环境后，就可以编译 U-Boot 了。由于手边没有开发板，我们使用 QEMU 来模拟 MIPS 环境。U-Boot 的源码位于 git://www.denx.de/git/u-boot.git。
这里主要参考的是清华的教程，在此感谢清华前辈的工作。
2.3 研究 U-Boot 源码
主要就是以看源码为主，遇到理解不了的地方就上 Google 查。本来正常的思路应该是查阅官方文档，但是官方文档是 2008 年的版本，年久失修，其中提到的很多实现细节已经和当前代码有很大出入。此外，英文互联网似乎对 U-Boot 的研究分析并不太多，至少我好像搜不太到。而中文互联网又或者是在研究旧版本（然后互相抄来抄去），或者是在研究 ARM 架构，较新版本 MIPS 架构的相关资料也比较少见。所以整个研究过程还是比较煎熬的，资料匮乏，缺少指导，自己也没什么头绪。大概也只能研究到这种程度了（
研究期间遇到一处有趣的事情，就是 MIPS 架构是默认有一个 delay slot 的，但是我不知道。然后我就很困惑源码里 branch 以后，b 指令下面的那条指令什么时候执行。当然实际上它会在 branch 时就得到执行，虽然我们自己设计 MIPS CPU 时会把它 discard 掉，但按照规范它其实应该这样做。
2.4 心得体会
总体就是这样。其实我对这样的研究过程不太满意，我希望能有一个更完善的引导过程，像北航和清华一样（北航的 manual 也给了我一些启发），不然全程就会处于一种莫名其妙的状态，没有方向。毕竟我们目前还没有系统上过 OS 课程（只是学了个基础），这个期末项目说实在的，有点高估了学生的自学能力。
3. 参考资料
[^1]: Understanding Of U-Boot - So, today I thought...
[^2]: u-boot SPL 启动流程 - wowothink
[^3]: u-boot/u-boot/arch/mips/cpu/start.S - GitHub
[^4]: MIPS32™ Architecture For Programmers Volume III: The MIPS32™ Privileged Resource Architecture
[^5]: u-boot/u-boot/arch/mips/mach-mtmips/spl.c - GitHub
[^6]: u-boot/u-boot/common/board_r.c - GitHub
[^7]: u-boot 启动流程 - wowothink
版权声明：本文为原创文章，版权归 Hakula 所有。
本文链接：https://hakula.xyz/os/u-boot_mips.html
本文采用 CC BY-NC-SA 4.0 许可协议 进行许可。
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