U-Boot启动内核的过程可以分为两个阶段，两个阶段的功能如下：
（1）第一阶段的功能
Ø 硬件设备初始化
Ø 加载U-Boot第二阶段代码到RAM空间
Ø 设置好栈
Ø 跳转到第二阶段代码入口
（2）第二阶段的功能
Ø 初始化本阶段使用的硬件设备
Ø 检测系统内存映射
Ø 将内核从Flash读取到RAM中
Ø 为内核设置启动参数
Ø 调用内核
1.1.1 U-Boot启动第一阶段代码分析
第一阶段对应的文件是cpu/arm920t/start.S和board/samsung/mini2440/lowlevel_init.S。
U-Boot启动第一阶段流程如下：
图 2.1 U-Boot启动第一阶段流程
根据cpu/arm920t/u-boot.lds中指定的连接方式：
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
. = 0x00000000;
. = ALIGN(4);
.text :
{
cpu/arm920t/start.o (.text)
board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o (.text)
board/samsung/mini2440/nand_read.o (.text)
*(.text)
}
… …
}
第一个链接的是cpu/arm920t/start.o，因此u-boot.bin的入口代码在cpu/arm920t/start.o中，其源代码在cpu/arm920t/start.S中。下面我们来分析cpu/arm920t/start.S的执行。
1. 硬件设备初始化
（1）设置异常向量
cpu/arm920t/start.S开头有如下的代码：
.globl _start
_start: b start_code /* 复位 */
ldr pc, _undefined_instruction /* 未定义指令向量 */
ldr pc, _software_interrupt /* 软件中断向量 */
ldr pc, _prefetch_abort /* 预取指令异常向量 */
ldr pc, _data_abort /* 数据操作异常向量 */
ldr pc, _not_used /* 未使用 */
ldr pc, _irq /* irq中断向量 */
ldr pc, _fiq /* fiq中断向量 */
/* 中断向量表入口地址 */
_undefined_instruction: .word undefined_instruction
_software_interrupt: .word software_interrupt
_prefetch_abort: .word prefetch_abort
_data_abort: .word data_abort
_not_used: .word not_used
_irq: .word irq
_fiq: .word fiq
.balignl 16,0xdeadbeef
以上代码设置了ARM异常向量表，各个异常向量介绍如下：
表 2.1 ARM异常向量表
|
地址 |
异常 |
进入模式 |
描述 |
|
0x00000000 |
复位 |
管理模式 |
复位电平有效时，产生复位异常，程序跳转到复位处理程序处执行 |
|
0x00000004 |
未定义指令 |
未定义模式 |
遇到不能处理的指令时，产生未定义指令异常 |
|
0x00000008 |
软件中断 |
管理模式 |
执行SWI指令产生，用于用户模式下的程序调用特权操作指令 |
|
0x0000000c |
预存指令 |
中止模式 |
处理器预取指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问，产生指令预取中止异常 |
|
0x00000010 |
数据操作 |
中止模式 |
处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访问时，产生数据中止异常 |
|
0x00000014 |
未使用 |
未使用 |
未使用 |
|
0x00000018 |
IRQ |
IRQ |
外部中断请求有效，且CPSR中的I位为0时，产生IRQ异常 |
|
0x0000001c |
FIQ |
FIQ |
快速中断请求引脚有效，且CPSR中的F位为0时，产生FIQ异常 |
在cpu/arm920t/start.S中还有这些异常对应的异常处理程序。当一个异常产生时，CPU根据异常号在异常向量表中找到对应的异常向量，然后执行异常向量处的跳转指令，CPU就跳转到对应的异常处理程序执行。
其中复位异常向量的指令“b start_code”决定了U-Boot启动后将自动跳转到标号“start_code”处执行。
（2）CPU进入SVC模式
start_code:
/*
* set the cpu to SVC32 mode
*/
mrs r0, cpsr
bic r0, r0, #0x1f /*工作模式位清零 */
orr r0, r0, #0xd3 /*工作模式位设置为“10011”（管理模式），并将中断禁止位和快中断禁止位置1 */
msr cpsr, r0
以上代码将CPU的工作模式位设置为管理模式，并将中断禁止位和快中断禁止位置一，从而屏蔽了IRQ和FIQ中断。
（3）设置控制寄存器地址
# if defined(CONFIG_S3C2400)
# define pWTCON 0x15300000
# define INTMSK 0x14400008
# define CLKDIVN 0x14800014
#else /* s3c2410与s3c2440下面4个寄存器地址相同 */
# define pWTCON 0x53000000 /* WATCHDOG控制寄存器地址 */
# define INTMSK 0x4A000008 /* INTMSK寄存器地址 */
# define INTSUBMSK 0x4A00001C /* INTSUBMSK寄存器地址 */
# define CLKDIVN 0x4C000014 /* CLKDIVN寄存器地址 */
# endif
对与s3c2440开发板，以上代码完成了WATCHDOG，INTMSK，INTSUBMSK，CLKDIVN四个寄存器的地址的设置。各个寄存器地址参见参考文献[4] 。
（4）关闭看门狗
ldr r0, =pWTCON
mov r1, #0x0
str r1, [r0] /* 看门狗控制器的最低位为0时，看门狗不输出复位信号 */
以上代码向看门狗控制寄存器写入0，关闭看门狗。否则在U-Boot启动过程中，CPU将不断重启。
（5）屏蔽中断
/*
* mask all IRQs by setting all bits in the INTMR - default
*/
mov r1, #0xffffffff /* 某位被置1则对应的中断被屏蔽 */
ldr r0, =INTMSK
str r1, [r0]
INTMSK是主中断屏蔽寄存器，每一位对应SRCPND（中断源引脚寄存器）中的一位，表明SRCPND相应位代表的中断请求是否被CPU所处理。
根据参考文献4，INTMSK寄存器是一个32位的寄存器，每位对应一个中断，向其中写入0xffffffff就将INTMSK寄存器全部位置一，从而屏蔽对应的中断。
# if defined(CONFIG_S3C2440)
ldr r1, =0x7fff
ldr r0, =INTSUBMSK
str r1, [r0]
# endif
INTSUBMSK每一位对应SUBSRCPND中的一位，表明SUBSRCPND相应位代表的中断请求是否被CPU所处理。
根据参考文献4，INTSUBMSK寄存器是一个32位的寄存器，但是只使用了低15位。向其中写入0x7fff就是将INTSUBMSK寄存器全部有效位（低15位）置一，从而屏蔽对应的中断。
（6）设置MPLLCON,UPLLCON, CLKDIVN
# if defined(CONFIG_S3C2440)
#define MPLLCON 0x4C000004
#define UPLLCON 0x4C000008
ldr r0, =CLKDIVN
mov r1, #5
str r1, [r0]
ldr r0, =MPLLCON
ldr r1, =0x7F021
str r1, [r0]
ldr r0, =UPLLCON
ldr r1, =0x38022
str r1, [r0]
# else
/* FCLK:HCLK:PCLK = 1:2:4 */
/* default FCLK is 120 MHz ! */
ldr r0, =CLKDIVN
mov r1, #3
str r1, [r0]
#endif
CPU上电几毫秒后，晶振输出稳定，FCLK=Fin（晶振频率），CPU开始执行指令。但实际上，FCLK可以高于Fin，为了提高系统时钟，需要用软件来启用PLL。这就需要设置CLKDIVN，MPLLCON，UPLLCON这3个寄存器。
CLKDIVN寄存器用于设置FCLK，HCLK，PCLK三者间的比例，可以根据表2.2来设置。
表 2.2 S3C2440 的CLKDIVN寄存器格式
|
CLKDIVN |
位 |
说明 |
初始值 |
|
HDIVN |
[2:1] |
00 : HCLK = FCLK/1. 01 : HCLK = FCLK/2. 10 : HCLK = FCLK/4 （当 CAMDIVN[9] = 0 时） HCLK= FCLK/8 （当 CAMDIVN[9] = 1 时） 11 : HCLK = FCLK/3 （当 CAMDIVN[8] = 0 时） HCLK = FCLK/6 （当 CAMDIVN[8] = 1时） |
00 |
|
PDIVN |
[0] |
0: PCLK = HCLK/1 1: PCLK = HCLK/2 |
0 |
设置CLKDIVN为5，就将HDIVN设置为二进制的10，由于CAMDIVN[9]没有被改变过，取默认值0，因此HCLK
= FCLK/4。PDIVN被设置为1，因此PCLK= HCLK/2。因此分频比FCLK:HCLK:PCLK = 1:4:8 。
MPLLCON寄存器用于设置FCLK与Fin的倍数。MPLLCON的位[19:12]称为MDIV，位[9:4]称为PDIV，位[1:0]称为SDIV。
对于S3C2440，FCLK与Fin的关系如下面公式：
MPLL(FCLK) = (2×m×Fin)/(p×142s'> )
其中： m=MDIC+8，p=PDIV+2，s=SDIV
MPLLCON与UPLLCON的值可以根据参考文献4中“PLL VALUE SELECTION TABLE”设置。该表部分摘录如下：
表 2.3 推荐PLL值
|
输入频率 |
输出频率 |
MDIV |
PDIV |
SDIV |
|
12.0000MHz |
48.00 MHz |
56(0x38) |
2 |
2 |
|
12.0000MHz |
405.00 MHz |
127(0x7f) |
2 |
1 |
当mini2440系统主频设置为405MHZ，USB时钟频率设置为48MHZ时，系统可以稳定运行，因此设置MPLLCON与UPLLCON为：
MPLLCON=(0x7f<<12) | (0x02<<4) | (0x01) = 0x7f021
UPLLCON=(0x38<<12) | (0x02<<4) | (0x02) = 0x38022
（7）关闭MMU，cache
接着往下看：
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
bl cpu_init_crit
#endif
cpu_init_crit这段代码在U-Boot正常启动时才需要执行，若将U-Boot从RAM中启动则应该注释掉这段代码。
下面分析一下cpu_init_crit到底做了什么：
320 #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
321 cpu_init_crit:
322 /*
323 * 使数据cache与指令cache无效 */
324 */
325 mov r0, #0
326 mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* 向c7写入0将使ICache与DCache无效*/
327 mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* 向c8写入0将使TLB失效
*/
328
329 /*
330 * disable MMU stuff and caches
331 */
332 mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 /* 读出控制寄存器到r0中 */
333 bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS)
334 bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM)
335 orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 2 (A) Align
336 orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-Cache
337 mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 /* 保存r0到控制寄存器 */
338
339 /*
340 * before relocating, we have to setup RAM timing
341 * because memory timing is board-dependend, you will
342 * find a lowlevel_init.S in your board directory.
343 */
344 mov ip, lr
345
346 bl lowlevel_init
347
348 mov lr, ip
349 mov pc, lr
350 #endif /* CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT */
代码中的c0，c1，c7，c8都是ARM920T的协处理器CP15的寄存器。其中c7是cache控制寄存器，c8是TLB控制寄存器。325~327行代码将0写入c7、c8，使Cache，TLB内容无效。
第332~337行代码关闭了MMU。这是通过修改CP15的c1寄存器来实现的，先看CP15的c1寄存器的格式（仅列出代码中用到的位）：
表 2.3 CP15的c1寄存器格式（部分）
|
15 |
14 |
13 |
12 |
11 |
10 |
9 |
8 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
|
. |
. |
V |
I |
. |
. |
R |
S |
B |
. |
. |
. |
. |
C |
A |
M |
各个位的意义如下：
V : 表示异常向量表所在的位置，0：异常向量在0x00000000；1：异常向量在
0xFFFF0000
I : 0 ：关闭ICaches；1 ：开启ICaches
R、S : 用来与页表中的描述符一起确定内存的访问权限
B : 0 ：CPU为小字节序；1 ： CPU为大字节序
C : 0：关闭DCaches；1：开启DCaches
A : 0：数据访问时不进行地址对齐检查；1：数据访问时进行地址对齐检查
M : 0：关闭MMU；1：开启MMU
332~337行代码将c1的 M位置零，关闭了MMU。
（8）初始化RAM控制寄存器
其中的lowlevel_init就完成了内存初始化的工作，由于内存初始化是依赖于开发板的，因此lowlevel_init的代码一般放在board下面相应的目录中。对于mini2440，lowlevel_init在board/samsung/mini2440/lowlevel_init.S中定义如下：
45 #define BWSCON 0x48000000 /* 13个存储控制器的开始地址 */
… …
129 _TEXT_BASE:
130 .word TEXT_BASE
131
132 .globl lowlevel_init
133 lowlevel_init:
134 /* memory control configuration */
135 /* make r0 relative the current location so that it */
136 /* reads SMRDATA out of FLASH rather than memory ! */
137 ldr r0, =SMRDATA
138 ldr r1, _TEXT_BASE
139 sub r0, r0, r1 /* SMRDATA减 _TEXT_BASE就是13个寄存器的偏移地址
*/
140 ldr r1, =BWSCON /* Bus Width Status Controller */
141 add r2, r0, #13*4
142 0:
143 ldr r3, [r0], #4 /*将13个寄存器的值逐一赋值给对应的寄存器*/
144 str r3, [r1], #4
145 cmp r2, r0
146 bne 0b
147
148 /* everything is fine now */
149 mov pc, lr
150
151 .ltorg
152 /* the literal pools origin */
153
154 SMRDATA: /* 下面是13个寄存器的值 */
155 .word … …
156 .word … …
… …
lowlevel_init初始化了13个寄存器来实现RAM时钟的初始化。lowlevel_init函数对于U-Boot从NAND
Flash或NOR Flash启动的情况都是有效的。
U-Boot.lds链接脚本有如下代码：
.text :
{
cpu/arm920t/start.o (.text)
board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o (.text)
board/samsung/mini2440/nand_read.o (.text)
… …
}
board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o将被链接到cpu/arm920t/start.o后面，因此board/samsung/mini2440/lowlevel_init.o也在U-Boot的前4KB的代码中。
U-Boot在NAND Flash启动时，lowlevel_init.o将自动被读取到CPU内部4KB的内部RAM中。因此第137~146行的代码将从CPU内部RAM中复制寄存器的值到相应的寄存器中。
对于U-Boot在NOR Flash启动的情况，由于U-Boot连接时确定的地址是U-Boot在内存中的地址，而此时U-Boot还在NOR
Flash中，因此还需要在NOR Flash中读取数据到RAM中。
由于NOR Flash的开始地址是0，而U-Boot的加载到内存的起始地址是TEXT_BASE，SMRDATA标号在Flash的地址就是SMRDATA－TEXT_BASE。
综上所述，lowlevel_init的作用就是将SMRDATA开始的13个值复制给开始地址[BWSCON]的13个寄存器，从而完成了存储控制器的设置
（9）复制U-Boot第二阶段代码到RAM
cpu/arm920t/start.S原来的代码是只支持从NOR Flash启动的，经过修改现在U-Boot在NOR Flash和NAND
Flash上都能启动了，实现的思路是这样的：
bl bBootFrmNORFlash /* 判断U-Boot是在NAND Flash还是NOR
Flash启动 */
cmp r0, #0 /* r0存放bBootFrmNORFlash函数返回值，若返回0表示NAND
Flash启动，否则表示在NOR Flash启动 */
beq nand_boot /* 跳转到NAND Flash启动代码 */
/* NOR Flash启动的代码 */
b stack_setup /* 跳过NAND Flash启动的代码 */
nand_boot:
/* NAND Flash启动的代码 */
stack_setup:
/* 其他代码 */
其中bBootFrmNORFlash函数作用是判断U-Boot是在NAND Flash启动还是NOR
Flash启动，若在NOR Flash启动则返回1，否则返回0。根据ATPCS规则，函数返回值会被存放在r0寄存器中，因此调用bBootFrmNORFlash函数后根据r0的值就可以判断U-Boot在NAND
Flash启动还是NOR Flash启动。bBootFrmNORFlash函数在board/samsung/mini2440/nand_read.c中定义如下：
int bBootFrmNORFlash(void)
{
volatile unsigned int *pdw = (volatile unsigned int *)0;
unsigned int dwVal;
dwVal = *pdw; /* 先记录下原来的数据 */
*pdw = 0x12345678;
if (*pdw != 0x12345678) /* 写入失败，说明是在NOR Flash启动 */
{
return 1;
}
else /* 写入成功，说明是在NAND Flash启动 */
{
*pdw = dwVal; /* 恢复原来的数据*/
return 0;
}
}
无论是从NOR Flash还是从NAND Flash启动，地址0处为U-Boot的第一条指令“
b start_code”。
对于从NAND Flash启动的情况，其开始4KB的代码会被自动复制到CPU内部4K内存中，因此可以通过直接赋值的方法来修改。
对于从NOR Flash启动的情况，NOR Flash的开始地址即为0，必须通过一定的命令序列才能向NOR
Flash中写数据，所以可以根据这点差别来分辨是从NAND Flash还是NOR Flash启动：向地址0写入一个数据，然后读出来，如果发现写入失败的就是NOR
Flash，否则就是NAND Flash。
下面来分析NOR Flash启动部分代码：