3. U-Boot源码结构与构建系统

U-Boot 启动的第一行代码，说白了就是跟硬件打交道。我刚开始接触这块时，总觉得不就是设置几个寄存器嘛，后来才发现——顺序错一步，板子就变砖。这一章咱们把最底层的三件事讲透：CPU 模式怎么切、异常向量表怎么摆、时钟怎么配。

3.1 CPU 模式设置——从 EL3 到 SVC 的切换

ARM 处理器上电后，默认在最高特权级。以 ARMv8 为例，启动时处于 EL3（Monitor 模式）。但 U-Boot 大部分代码跑在 SVC 模式（Supervisor），所以第一步就是降权。

我习惯把这段代码放在 start.S 的最前面，紧挨着 reset 入口。为什么？因为异常向量表还没配好，任何中断进来都会 crash。

/* 示例：ARMv8 从 EL3 切换到 SVC 模式 */
reset:
    /* 读取当前异常级别 */
    mrs     x0, CurrentEL
    and     x0, x0, #0x0C
    cmp     x0, #0x0C      /* EL3? */
    b.eq    el3_entry

el3_entry:
    /* 设置 SCR_EL3，允许 lower EL 使用 SIMD 等 */
    mov     x0, #0x0
    msr     scr_el3, x0

    /* 设置 SPSR_EL3，目标 EL1（SVC模式） */
    mov     x0, #0x1C5      /* SPSR: EL1h, 所有中断屏蔽 */
    msr     spsr_el3, x0

    /* 设置返回地址，跳转到 el1_entry */
    adr     x0, el1_entry
    msr     elr_el3, x0
    eret                        /* 执行切换 */

el1_entry:
    /* 现在处于 EL1 SVC 模式 */
    msr     spsel, #1       /* 使用 SP_EL1 */
    ldr     x0, =__stack_start
    mov     sp, x0

3.2 异常向量表——CPU 的“紧急电话本”

异常向量表，你可以把它理解成 CPU 的紧急电话本。每个异常类型对应一个入口地址，CPU 拿到异常后直接查表跳转。

ARMv8 的向量表有 4 个基地址，每个基地址对应不同的异常类型。U-Boot 通常只配一个基地址，放在 __vectors 段。

每个入口只放一条跳转指令，因为向量表必须 128 字节对齐。我见过有人把整个异常处理函数直接塞进去，结果编译出来地址不对齐，CPU 直接跑飞。

/* 向量表示例 */
.align 11                     /* 2^11 = 2048 字节对齐 */
.globl __vectors
__vectors:
    b    _sync_el1_sp0        /* 0x000 */
    .align 7                  /* 128 字节对齐 */
    b    _irq_el1_sp0         /* 0x080 */
    .align 7
    b    _fiq_el1_sp0         /* 0x100 */
    .align 7
    b    _serror_el1_sp0      /* 0x180 */
    .align 7
    b    _sync_el1_spx        /* 0x200 */
    .align 7
    b    _irq_el1_spx         /* 0x280 */
    .align 7
    b    _fiq_el1_spx         /* 0x300 */
    .align 7
    b    _serror_el1_spx      /* 0x380 */

3.3 系统时钟初始化——让 SoC 跑起来

时钟是 SoC 的心脏。没有时钟，CPU 不跑、外设不动、DDR 不工作。U-Boot 的时钟初始化通常分三步：

1. 配置 PLL——从外部晶振倍频到目标频率
2. 设置分频器——给 CPU、总线、外设分配不同时钟
3. 切换时钟源——从低速时钟切换到 PLL 输出

我习惯先读芯片手册的时钟树，搞清楚每个 PLL 的输入范围。举个例子，某款 SoC 的 CPU PLL 输入只能接受 24MHz 晶振，你如果接了 25MHz，PLL 根本锁不住。

/* 时钟初始化伪代码 */
void clock_init(void)
{
    /* 1. 等待 PLL 稳定 */
    while (!(readl(PLL_STATUS) & PLL_LOCK_MASK))
        ;

    /* 2. 设置 CPU 分频 */
    writel(CPU_DIV_VAL, CPU_CLK_DIV);

    /* 3. 切换时钟源到 PLL */
    writel(CLK_SEL_PLL, CLK_SELECT);

    /* 4. 等待切换完成 */
    while (!(readl(CLK_SEL_STATUS) & CLK_SEL_DONE))
        ;
}

3.4 本章知识结构图

下面这张图把 CPU 模式、异常向量表、时钟初始化三者的关系串起来了。你可以看到，U-Boot 启动时这三步是严格顺序执行的。

3.5 常见问题与避坑指南

• 模式切换后 SP 没配：我见过有人切到 SVC 模式后忘了设栈指针，结果调用第一个函数就 crash。记住：eret 之后第一件事就是配 SP。
• 向量表地址写错：VBAR_EL1 写的是物理地址，如果你开了 MMU，记得用虚拟地址。我早期移植时在这上面栽过跟头。
• PLL 锁定超时：有些 SoC 的 PLL 锁定需要几百微秒，别在循环里死等，加个超时机制。我习惯设 100ms 超时，超时后打印错误并 fallback 到低速时钟。