了解 U-Boot 内存占用

Understand U-Boot memory footprint

我不明白加载 U-Boot 时 RAM 中发生了什么。我正在开发 Xilinx Zynq ZC702 评估套件，我正在尝试使用 U-Boot 在其上加载 Linux 内核。于是我用Xilinx的工具Vivado和SDK生成了一个BOOT.bin的文件一步步写到SD卡上：

简而言之，我遵循了 Xilinx User Guide 中描述的所有步骤。

但是现在，在加载内核之前，我想了解发生了什么但我做不到。根据文档，U-Boot 如果从闪存加载，会将自身复制到 RAM 中，并从那里执行自身，但是在哪里？

在网上查了下，发现U-Boot自己解压的地址在include/configs/zynq-common.h by CONFIG_SYS_TEXT_BASE，好像是0x400_0000.

但是在别的网站上看到debug模式下可以打印重定位地址，所以修改了文件common/board_r.c，覆盖了函数" initr_announce”打印“gd->relocaddr”字段。这次好像U-Boot使用了偏移地址0x3FF3_7000.

当我使用 U-Boot 命令 "md" 检查内存时，我看到使用了两个偏移量，并且我在两个位置都看到了一个幻数 "be00_00ea" :

Xilinx First Stage Boot Loader 
Release 2014.4  Feb  8 2016-14:53:56
Devcfg driver initialized 
Silicon Version 3.1
Boot mode is SD
SD: rc= 0
SD Init Done 
Flash Base Address: 0xE0100000
Reboot status register: 0x60400000
Multiboot Register: 0x0000C000
Image Start Address: 0x00000000
Partition Header Offset:0x00000C80
Partition Count: 3
Partition Number: 1
Header Dump
Image Word Len: 0x000F6EC0
Data Word Len: 0x000F6EC0
Partition Word Len:0x000F6EC0
Load Addr: 0x00000000
Exec Addr: 0x00000000
Partition Start: 0x000065D0
Partition Attr: 0x00000020
Partition Checksum Offset: 0x00000000
Section Count: 0x00000001
Checksum: 0xFFD14B7E
Bitstream
In FsblHookBeforeBitstreamDload function 
PCAP:StatusReg = 0x40000A30
PCAP:device ready
PCAP:Clear done
Level Shifter Value = 0xA 
Devcfg Status register = 0x40000A30 
PCAP:Fabric is Initialized done
PCAP register dump:
PCAP CTRL 0xF8007000: 0x4C00E07F
PCAP LOCK 0xF8007004: 0x0000001A
PCAP CONFIG 0xF8007008: 0x00000508
PCAP ISR 0xF800700C: 0x0802000B
PCAP IMR 0xF8007010: 0xFFFFFFFF
PCAP STATUS 0xF8007014: 0x00000A30
PCAP DMA SRC ADDR 0xF8007018: 0x00100001
PCAP DMA DEST ADDR 0xF800701C: 0xFFFFFFFF
PCAP DMA SRC LEN 0xF8007020: 0x000F6EC0
PCAP DMA DEST LEN 0xF8007024: 0x000F6EC0
PCAP ROM SHADOW CTRL 0xF8007028: 0xFFFFFFFF
PCAP MBOOT 0xF800702C: 0x0000C000
PCAP SW ID 0xF8007030: 0x00000000
PCAP UNLOCK 0xF8007034: 0x757BDF0D
PCAP MCTRL 0xF8007080: 0x30800100

DMA Done ! 

FPGA Done ! 
In FsblHookAfterBitstreamDload function 
Partition Number: 2
Header Dump
Image Word Len: 0x0001BA12
Data Word Len: 0x0001BA12
Partition Word Len:0x0001BA12
Load Addr: 0x04000000
Exec Addr: 0x04000000
Partition Start: 0x000FD490
Partition Attr: 0x00000010
Partition Checksum Offset: 0x00000000
Section Count: 0x00000001
Checksum: 0xF7EAFAC8
Application
Handoff Address: 0x04000000
In FsblHookBeforeHandoff function 
SUCCESSFUL_HANDOFF
FSBL Status = 0x1


U-Boot 2015.07 (Feb 11 2016 - 10:24:28 +0100)

Model: Zynq ZC702 Development Board
I2C:   ready
DRAM:  ECC disabled 1 GiB
MMC:   zynq_sdhci: 0
SF: Detected N25Q128A with page size 256 Bytes, erase size 64 KiB, total 16 MiB
In:    serial
Out:   serial
Err:   serial
Model: Zynq ZC702 Development Board
Net:   Gem.e000b000
Hit any key to stop autoboot:  0 
zynq-uboot> md 0x4000000
04000000: ea0000be e59ff014 e59ff014 e59ff014    ................
04000010: e59ff014 e59ff014 e59ff014 e59ff014    ................
04000020: 04000060 040000c0 04000120 04000180    `....... .......
04000030: 040001e0 04000240 040002a0 deadbeef    ....@...........
04000040: 0badc0de e320f000 e320f000 e320f000    ...... ... ... .
04000050: e320f000 e320f000 e320f000 e320f000    .. ... ... ... .
04000060: e51fd028 e58de000 e14fe000 e58de004    (.........O.....
04000070: e3a0d013 e169f00d e1a0e00f e1b0f00e    ......i.........
04000080: e24dd048 e88d1fff e51f2050 e892000c    H.M.....P ......
04000090: e28d0048 e28d5034 e1a0100e e885000f    H...4P..........
040000a0: e1a0000d eb0005dc e320f000 e320f000    .......... ... .
040000b0: e320f000 e320f000 e320f000 e320f000    .. ... ... ... .
040000c0: e51fd088 e58de000 e14fe000 e58de004    ..........O.....
040000d0: e3a0d013 e169f00d e1a0e00f e1b0f00e    ......i.........
040000e0: e24dd048 e88d1fff e51f20b0 e892000c    H.M...... ......
040000f0: e28d0048 e28d5034 e1a0100e e885000f    H...4P..........
zynq-uboot> md 0x3ff37000
3ff37000: ea0000be e59ff014 e59ff014 e59ff014    ................
3ff37010: e59ff014 e59ff014 e59ff014 e59ff014    ................
3ff37020: 3ff37060 3ff370c0 3ff37120 3ff37180    `p.?.p.? q.?.q.?
3ff37030: 3ff371e0 3ff37240 3ff372a0 deadbeef    .q.?@r.?.r.?....
3ff37040: 3f312628 e320f000 e320f000 e320f000    (&1?.. ... ... .
3ff37050: e320f000 e320f000 e320f000 e320f000    .. ... ... ... .
3ff37060: e51fd028 e58de000 e14fe000 e58de004    (.........O.....
3ff37070: e3a0d013 e169f00d e1a0e00f e1b0f00e    ......i.........
3ff37080: e24dd048 e88d1fff e51f2050 e892000c    H.M.....P ......
3ff37090: e28d0048 e28d5034 e1a0100e e885000f    H...4P..........
3ff370a0: e1a0000d eb0005dc e320f000 e320f000    .......... ... .
3ff370b0: e320f000 e320f000 e320f000 e320f000    .. ... ... ... .
3ff370c0: e51fd088 e58de000 e14fe000 e58de004    ..........O.....
3ff370d0: e3a0d013 e169f00d e1a0e00f e1b0f00e    ......i.........
3ff370e0: e24dd048 e88d1fff e51f20b0 e892000c    H.M...... ......
3ff370f0: e28d0048 e28d5034 e1a0100e e885000f    H...4P..........
zynq-uboot>

为什么 U-Boot 需要这两个偏移量？ U-Boot 的实际内存占用是多少？更一般地说，我可以将我的内核放在哪里以确保它不会覆盖某些东西？

ARM 架构上的 u-boot 重定位

这是两阶段启动过程的完整顺序：

  1. ROM 代码将 SPL（从 SD 卡上的 MLO 文件）读取到 CONFIG_SPL_TEXT_BASE 地址。该地址通常位于 SRAM 中，无需初始化即可发挥作用（与 RAM 相反）。 ROM 代码跳转到 SPL 代码。
  2. SPL 配置 RAM，然后读取 u-boot（从 SD 卡上的 u-boot.img 文件）到 CONFIG_SYS_TEXT_BASE RAM 地址（通常在 RAM 的开头）和 运行它
  3. u-boot 将自身重新定位到 gd->relocaddr RAM 地址（通常在 RAM 的末尾）并跳转到重新定位的代码
  4. 现在我们准备启动内核

对于没有 SPL 的单阶段启动，通常只使用 u-boot.bin 文件。在这种情况下，您只有第 3 步和第 4 步。

搬迁有两种情况（如doc/README.arm-relocation所述）：

  1. CONFIG_SYS_TEXT_BASE != gd->relocaddr: 将执行搬迁
  2. CONFIG_SYS_TEXT_BASE == gd->relocaddr: 不会执行重定位

在您的情况下，您看到执行了重定位（如 CONFIG_SYS_TEXT_BASE != gd->relocaddr）。

所以，解决你的问题：

Why U-Boot need those two offsets ?

u-boot ARM relocation task 中描述了搬迁背后的原因：

...we can measure the actual size of memory present on the board, and then relocate U-Boot to the very end of the RAM, leaving nearly the whole RAM usable as one big contiguous area for "applications" like loading Linux kernel, ramdisk, etc.

确实，如果您查看代码，您会发现 gd->relocaddr 是 RAM 的末尾减去监视器代码 (U-Boot) 大小：

gd->relocaddr = gd->ram_top;
...
gd->relocaddr -= gd->mon_len;

还可以执行一些额外的内存保留。例如，在我的平台 (TI DRA7XX EVM) 上，我可以看到正在调用的下一个函数：

setup_dest_addr()
reserve_round_4k()
reserve_mmu()
reserve_uboot()

实际搬迁是在 board_init_f() 调用之后完成的。

arch/arm/lib/crt0.S:

bl board_init_f
...
b relocate_code

arch/arm/lib/relocate.S:

ENTRY(relocate_code)

现在可以轻松回答您的下一个问题了：

what is the real memory footprint of U-Boot ?

搬迁前 U-Boot 位于 CONFIG_SYS_TEXT_BASE。搬迁后 U-Boot 位于 gs->relocaddr.

关于你的最后一个问题：

where can I put my kernel to be sure that it will not overwrite something?

由于 U-Boot 被重新定位到 RAM 的末尾，理论上您可以使用任何 RAM 地址来放置内核。但是看看 CONFIG_EXTRA_ENV_SETTINGS 中的定义 include/configs/zynq-common.h:

"sdboot=if mmcinfo; then " \
        "run uenvboot; " \
        "echo Copying Linux from SD to RAM... && " \
        "load mmc 0 ${kernel_load_address} ${kernel_image} && " \
        "load mmc 0 ${devicetree_load_address} ${devicetree_image} && " \
        "load mmc 0 ${ramdisk_load_address} ${ramdisk_image} && " \
        "bootm ${kernel_load_address} ${ramdisk_load_address} ${devicetree_load_address}; " \
    "fi[=14=]" \

从那里您可以看到您应该将内核加载到 ${kernel_load_address}，即 0x2080000:

"kernel_load_address=0x2080000[=15=]" \

请参阅该定义的其余部分以了解其他常量。

bdinfo 命令

您会发现 bdinfo 命令很有用：可以使用 U-Boot shell 中的 bdinfo 命令找到重定位地址以及其他有用的信息。例如 DRA7XX EVM：

=> bdinfo

DRAM bank   = 0x00000000
-> start    = 0x80000000
-> size     = 0x60000000
TLB addr    = 0xDFFF0000
relocaddr   = 0xDFF5D000
reloc off   = 0x5F75D000
irq_sp      = 0xDEF3CEE0
sp start    = 0xDEF3CED0

从这里你可以看到：

  • RAM 起始于 0x80000000
  • RAM 大小为 0x60000000
  • ...所以 RAM 结束 (gd->ram_top) 是 0x80000000 + 0x60000000 = 0xE0000000
  • 搬迁地址为0xDFF5D000
  • 为重定位保留的内存是0xE0000000 - 0xDFF5D000 = 652 KB
  • 监视器 (U-Boot) 大小约为 TLB addr - relocaddr = 0xDFFF0000 - 0xDFF5D000 = 588 KB

另请参阅：

[1] u-boot : Relocation

[2]

[3] commit that adds ARM relocation support to u-boot