📚 课程目录第3章 U-Boot 启动第一阶段

3. U-Boot 启动第一阶段：汇编级初始化（CPU、DDR、时钟）

好，咱们直接切入正题。U-Boot 的第一阶段，说白了就是那段汇编代码。很多同学觉得汇编难，不愿意看。但我跟你说，这部分恰恰是调试启动问题的核心。你想想看，CPU 一上电，C 环境都还没建立，能跑什么？只能跑汇编。

这一阶段的目标很纯粹：把 CPU 初始化好，把时钟配好，把 DDR 搞起来，然后跳转到 C 代码。就这么四件事。但每一件都藏着坑。

3.1 入口点与异常向量表

CPU 上电后，第一件事是去固定的地址取指令。对于 ARM 芯片，通常是 0x00000000 或者 0xFFFF0000。U-Boot 的入口点就在 arch/arm/cpu/armv7/start.S 里。

核心要点： 入口点必须与链接脚本（.lds）中指定的地址一致。否则，你烧进去的代码根本跑不到。

异常向量表紧跟在入口点后面。我见过一个项目，工程师改了中断处理函数，但忘了更新向量表里的跳转地址。结果一触发中断，系统直接飞了。嗯，查了两天才找到原因。

// start.S 中的典型入口
.globl _start
_start:
    b       reset            // 复位向量
    ldr     pc, _undefined_instruction
    ldr     pc, _software_interrupt
    ldr     pc, _prefetch_abort
    ldr     pc, _data_abort
    ldr     pc, _not_used
    ldr     pc, _irq           // 中断
    ldr     pc, _fiq           // 快速中断

注意看，复位向量用的是 b reset，是相对跳转。其他向量用的是 ldr pc, ...，是绝对跳转。为什么？因为复位后 MMU 还没开，地址空间是平坦的，相对跳转没问题。但其他异常可能发生在任何模式下，用绝对跳转更安全。

3.2 CPU 模式与状态初始化

进入 reset 标号后，第一件事是设置 CPU 为 SVC（超级用户）模式。为什么要这么做？因为其他模式（比如 IRQ、FIQ）的栈还没配，万一进来个中断，连压栈的地方都没有。

reset:
    /* 设置 CPU 为 SVC 模式，关闭 IRQ 和 FIQ */
    mrs     r0, cpsr
    bic     r0, r0, #0x1f       // 清除模式位
    orr     r0, r0, #0xd3       // SVC 模式 + IRQ/FIQ 禁止
    msr     cpsr, r0

这里有个细节：0xd3 这个值，二进制是 1101 0011。低 5 位 10011 是 SVC 模式，第 6、7 位是 1，表示关中断。我刚开始学的时候，总觉得这些数字是魔法数。后来习惯了，其实就那么几种模式，背下来就好。

模式	CPSR 模式位	用途
USR	10000	用户模式，权限最低
FIQ	10001	快速中断，有专用寄存器
IRQ	10010	普通中断
SVC	10011	超级用户，启动时使用
MON	10110	安全监控模式

我的习惯： 在设置完 CPU 模式后，立刻把各个模式的栈指针（SP）初始化。虽然有些模式暂时用不到，但万一调试时误入了，不至于立刻崩溃。

3.3 关闭看门狗与中断

这一步很多人会忽略。看门狗（WDT）在芯片出厂时默认是开启的。如果你不关它，代码跑着跑着，看门狗超时了，啪，复位了。你还在那纳闷：怎么代码跑一会就重启？

/* 关闭看门狗 —— 以 S5PV210 为例 */
ldr     r0, =0xE2700000        // WDT 控制寄存器地址
mov     r1, #0x0
str     r1, [r0]               // 写 0 关闭

不同芯片的看门狗地址不一样。我建议你拿到开发板后，第一件事就是查芯片手册，找到 WDT 的基地址。我曾经在一个项目里，因为看门狗没关，调试了整整一个下午。后来发现，嗯，就是少了一行代码。

中断也要全部屏蔽。虽然前面已经关了 IRQ 和 FIQ，但有些芯片还有别的中断源。保险起见，把中断控制器里的所有中断都 mask 掉。

3.4 时钟系统初始化

时钟是芯片的心脏。CPU 能跑多快，DDR 能跑多快，全靠时钟。U-Boot 第一阶段通常会把时钟配到一个较高的频率，这样后面的代码执行更快。

时钟配置的流程一般是：

选择时钟源：外部晶振还是内部振荡器？
配置 PLL：锁相环，把低频时钟倍频到高频。
设置分频器：给 CPU、总线、外设分配不同的时钟。
切换时钟源：从低速时钟切换到 PLL 输出的高速时钟。

注意： 切换时钟源时，一定要先确认 PLL 已经锁定（Locked）。PLL 锁定需要时间，通常是微秒级。如果没锁定就切换，CPU 可能直接跑飞。

/* 以 i.MX6UL 为例的时钟初始化片段 */
ldr     r0, =CCM_BASE_ADDR

/* 1. 使能 PLL1 (ARM PLL) */
ldr     r1, [r0, #CCM_ANALOG_PLL_ARM]
orr     r1, r1, #(1 << 13)     // 使能 PLL
str     r1, [r0, #CCM_ANALOG_PLL_ARM]

/* 2. 等待 PLL 锁定 */
1:  ldr     r1, [r0, #CCM_ANALOG_PLL_ARM]
    tst     r1, #(1 << 31)      // 检查锁定位
    beq     1b                  // 没锁定就继续等

/* 3. 切换 CPU 时钟到 PLL1 */
ldr     r1, [r0, #CCM_CACRR]
bic     r1, r1, #0x7           // 清除分频位
str     r1, [r0, #CCM_CACRR]

这段代码里，那个 1: 和 beq 1b 是个循环等待。我见过有人忘了加这个等待，结果芯片工作不稳定，时好时坏。这种问题最难查，因为不是必现的。

3.5 DDR 初始化

DDR 初始化是整个第一阶段里最复杂、最容易出问题的部分。DDR 的时序参数非常多，而且每个芯片都不一样。U-Boot 里通常会把 DDR 的配置参数放在一个结构体里，然后调用一个通用的初始化函数。

DDR 初始化的关键步骤：

配置 DDR 控制器：设置地址映射、突发长度、CAS 延迟等。
配置 DDR PHY：物理层，负责信号的电气特性。
发送 ZQ 校准命令：DDR3/DDR4 需要校准输出阻抗。
发送 MRS 命令：模式寄存器设置，配置 DDR 芯片的工作模式。
执行训练：读写训练，确保数据线、地址线、控制线的时序正确。

避坑指南： 我曾经在一个项目里，DDR 初始化总是失败。查了三天，最后发现是 DDR 的 VREF（参考电压）没配好。DDR3 的 VREF 一般是 VDDQ 的一半，但有些板子因为电源纹波大，需要软件调整。嗯，从那以后，我每次调 DDR 都会先量一下 VREF。

/* DDR 初始化伪代码 */
void ddr_init(struct ddr_params *params)
{
    /* 1. 复位 DDR 芯片 */
    ddr_reset(params->reset_pin);

    /* 2. 配置控制器 */
    ddr_ctrl_config(params->ctrl_cfg);

    /* 3. 配置 PHY */
    ddr_phy_config(params->phy_cfg);

    /* 4. 等待 ZQ 校准完成 */
    while (!(readl(params->base + DDR_STATUS) & ZQ_DONE));

    /* 5. 执行训练 */
    ddr_training(params->base);
}

这里要注意，DDR 初始化必须在时钟稳定之后进行。而且，DDR 的供电顺序也有要求：VDDQ 要先于 VDD 上电。这些在芯片手册里都有，但很多人不看。

3.6 重定位与栈设置

DDR 初始化完成后，内存就有了。这时候，U-Boot 会把自身从 Flash（或 ROM）复制到 DDR 中。这个过程叫重定位（Relocation）。

为什么要重定位？因为 Flash 的读取速度太慢了。把代码放到 DDR 里，执行速度能快几十倍。

/* 重定位代码示例 */
relocate:
    ldr     r0, =_start          // Flash 中的起始地址
    ldr     r1, =_TEXT_BASE      // DDR 中的目标地址
    ldr     r2, =_bss_start      // BSS 段起始地址
    sub     r2, r2, r0           // 计算代码长度

    /* 复制代码到 DDR */
    bl      copy_loop

    /* 设置栈指针 */
    ldr     sp, =_stack_end

    /* 跳转到 DDR 中的 C 代码入口 */
    ldr     pc, =board_init_f

重定位之后，栈也设置好了。这时候，C 环境才算真正建立。注意，跳转到 C 代码时，要用 ldr pc, =... 这种绝对跳转，因为代码已经在 DDR 里了，地址是固定的。

3.7 第一阶段流程图

下面这张图，把整个第一阶段的流程串起来了。你可以对照着看，每一步都做了什么。

3.8 调试要点总结

第一阶段全是汇编，没法用 printk 调试。那怎么调？我常用的方法有几种：

点灯大法：在关键步骤后点亮不同的 LED。比如，时钟初始化成功后亮红灯，DDR 初始化成功后亮绿灯。这是最原始但最有效的方法。
示波器量波形：量时钟输出引脚，看频率对不对。量 DDR 的 DQS 信号，看有没有读写动作。
JTAG 单步调试：用调试器（比如 J-Link）单步执行，看寄存器值对不对。这是最彻底的方法，但需要硬件支持。

我的建议： 在写第一阶段代码时，就预留好调试接口。比如，在某个 GPIO 上输出脉冲，用示波器看脉冲宽度就能知道代码执行到哪里了。别等到出了问题再想办法，那时候就晚了。

好了，第一阶段的内容就这些。说白了就是：配 CPU、配时钟、配 DDR、搬代码、设栈、跳转。每一步都有坑，但只要你理解了原理，调试起来就不难。