[Android6.0][MTK6737] 启动流程分析

OS:Android6.0
Hardware:MTK6737

一、启动流程概览

1. BootRom

固化在 CPU 内部。
负责从外部的存储器中加载 Preloader。
负责 USB Download。

2. Preloader

属于 Bootloader 的第一部分。
负责 MTK Licensed
负责基础 Module 的初始化，比如 eMMC，PLL，DRAM 等。
负责加载 LittleKernel（LK）

3. LK

属于 Bootloader 的第二部分。
负责设备的初始化。
负责加载 Linux Kernel。
支持 fastboot 更新。

4. Kernel

负责设备初始化 / 内核初始化。
负责引导启动内核态 init 进程。

5. Android

负责引导启动用户态 init 进程。
负责 Zygote 启动。
负责 Framework 初始化等。

以上基本可以化为三个部分：Bootloader（Preloader+LK）、Kernel、Android。
后面我们深入代码逐个分析。

二、Bootloader 引导

Bootloader 部分主要功能包括设置处理器和内存频率、指定调试信息端口、可引导的存储设备等。完成可执行环境创建后，把 software 装载到内存并执行。除了装载 software ，外部工具也可以和 bootloader 握手，指示设备进入不同的操作模式（比如 USB 下载模式和 META 模式）。就算没有外部工具的握手，也可以通过自定义按键，使 bootloader 进入这些模式。

由于不同芯片商对 arm core 封装差异比较大，所以不同的 arm 处理器,对于上电引导都是由特定处理器芯片厂商自己开发的程序,这个上电引导程序通常比较简单,会初始化硬件,提供下载模式等,然后才会加载通常的 bootloader （uboot）。

对于 MTK 平台，其 bootloader 分为两个部分
1. preloader ，依赖平台
2. LK（little kernel），作用和 uboot 类似，依赖操作系统，负责引导 linux 系统和 Android 框架

我们结合前面的那张图，更加详细的看一下启动过程中 Bootloader 部分的动作：
1. 设备上电，BootROM 开始运行。
2. BootROM 初始化软件堆栈（SoftwareStack）、通信端口和可引导存储设备（NAND/EMMC）。
3. BootROM 从存储器中加载 pre-loader 到内部 SRAM（ISRAM）中，因为这时候还没有初始化外部的 DRAM。
4. BootROM 跳转 pre-loader 入口并执行。
5. pre-loader 初始化 DRAM 并加载 u-boot 到 RAM中
6. pre-loader 跳转到 u-boot 中执行，u-boot 开始做初始化，比如显示初始化
7. u-boot 从存储器中加载引导镜像（boot image）包括 linux kernel 和 ramdisk
8. u-boot 跳转到 linux kernel 并执行。

2.1 preloader 启动过程

2.1.1 preloader 的功能

负责在芯片组平台准备好可执行环境
如果检测到外部工具，会试图通过 uart 或者 usb 与外部工具握手
从 NAND/EMMC 加载 u-boot ，并跳转到 u-boot
使用工具握手,设备能够触发进入下载模式来下载需要的镜像,或是进入工厂/测试模式,比如 META 模式和 ATE 工厂模式,在这些模式下可以测试模块,或是通过传递引导参数给 U-Boot 和 linux kernel 来校准设备 (device calibration)

preloader 中的硬件部分

PLL 模块
调整处理器和外部内存频率。PLL 模块初始化后，处理器和外部内存的频率由 26MHZ/26MHZ 增加到 1GHZ/192MHZ。

UART 模块
用于调试或是 META 模式下的握手。
默认情况下 UART4 初始化波特率为 9216000bps ，用于调试信息输出。
UART1 初始化为 115200bps 和作为 UART META 默认端口。不过 UART1 也可以被作为调试或者是 UART META 端口。

计时器 timer 模块
用于计算硬件模块所需要的延时或是超时时间。

内存模块
preloader 由 bootROM 加载和芯片组内部的 SRAM 中执行，因为外部的 DRAM 还没有初始化。
接下来 preloader 采用内置的内存设置来初始化 DRAM，这样 u-boot 就可以被加载到 DRAM 中并执行。

GPIO

PMIC

RTC
当通过 power 按键开机后，preloader 拉高 RTC 的 PWBB 来保持设备一直有电，并继续引导 u-boot。
RTC alarm 可能是设备开机的启动源，这种情况，设备不需要按 power 按键就可以自启动。

USB

NAND

MSDC
pre-loader 可以从 NAND Flash 或者是 EMMC 中加载 u-boot，两种选其一

2.1.2 preloader 启动代码

代码流程如下图：

2.2 LK 启动过程

LK （Little Kernel）也是一种 bootloader ，作用和 u-boot 差不多。
MTK它由 preloader 引导并执行，因为 preloader 中已经完成了硬件模块，所以不需要在 lk 中重新配置这些模块了。但部分模块会在 lk 中重新被复位来配置硬件寄存器，这样可以创造一个干净的环境。比如计时器模块，在 lk 中，timer 被重新复位清零硬件计数来对计时进行复位。

2.2.1 LK 中的上电情景

LK 加载后，电池将检查 power 按键是否按下，
如果当前启动的原因是 USB 充电器，而不是 power 按键，电池模块将等待用户按下 power 按键启动;

// lk/platform/mt6735/mtk_key.c
BOOL mtk_detect_key(unsigned short key)  /* key: HW KeyCode */

key 表示要检查的按键码，返回值表示这个按键是否按下，此函数来判断指定的按键是否按下。

2.2.2 LK 中的充电情景

2.2.3 LK 中的其他启动模式

Factory mode
出厂模式，用于批量生产

META mode
META 模式，用于批量生产的功能性测试

Advanced META mode
META 高级模式，用于批量生产时的功能性测试，用以测试多媒体功能，和 android 启动共存
恢复模式，用于 SD 卡镜像升级

ATE Factory boot
自动测试环境出场模式。通过 PC 的 ATE 工具发送命令测试产品特性。

Alarm boot
RTC 闹钟启动

Fastboot
刷机

download boot
下载时，支持 logo 显示

sw reboot
启动原因是重启

2.2.4 LK 启动代码

代码流程如下图：

lk/arch/arm/crt0.S

lk/kernel/main.c

/* called from crt0.S */
void kmain(void) __NO_RETURN __EXTERNALLY_VISIBLE;
void kmain(void)
{
#if !defined(MACH_FPGA) && !defined(SB_LK_BRINGUP)
        boot_time = get_timer(0);
#endif

        // get us into some sort of thread context
        thread_init_early();

        // early arch stuff
        arch_early_init();  // 使能 MMU、cache

        // do any super early platform initialization
        platform_early_init();  // 使能 Uart、中断、定时器、DRAM Banks、wot、display

#if defined(MACH_FPGA) || defined(SB_LK_BRINGUP)
        boot_time = get_timer(0);
#endif

        // do any super early target initialization
        target_early_init(); // 空，可以在这里实现一些定制的超级初始化

        dprintf(INFO, "welcome to lk\n\n");

        // deal with any static constructors
        dprintf(SPEW, "calling constructors\n");
        call_constructors();

        // bring up the kernel heap
        dprintf(SPEW, "initializing heap\n");
        heap_init();

        // initialize the threading system
        dprintf(SPEW, "initializing threads\n");
        thread_init();

        // initialize the dpc system
        dprintf(SPEW, "initializing dpc\n");
        dpc_init();

        // initialize kernel timers
        dprintf(SPEW, "initializing timers\n");
        timer_init();

#ifdef  MTK_LK_IRRX_SUPPORT
   mtk_ir_init(0);
#endif

#if (!ENABLE_NANDWRITE)
        // create a thread to complete system initialization
        dprintf(SPEW, "creating bootstrap completion thread\n");
        thread_resume(thread_create("bootstrap2", &bootstrap2, NULL, DEFAULT_PRIORITY, DEFAULT_STACK_SIZE));

        // enable interrupts
        exit_critical_section();

        // become the idle thread
        thread_become_idle();
#else
        bootstrap_nandwrite();
#endif
}

这里会创建一个 bootstrap2 线程

static int bootstrap2(void *arg)
{
        dprintf(SPEW, "top of bootstrap2()\n");

        arch_init(); // 空

        // XXX put this somewhere else
#if WITH_LIB_BIO
        bio_init();
#endif
#if WITH_LIB_FS
        fs_init();
#endif

        // initialize the rest of the platform
        dprintf(SPEW, "initializing platform\n");
        platform_init(); // 启动模式选择电池、显示 Logo、背光打开、设置软件的环境变量

        // initialize the target
        dprintf(SPEW, "initializing target\n");
        target_init(); // 空

        dprintf(SPEW, "calling apps_init()\n");
        apps_init();

        return 0;
}

apps_init //\bootable\bootloader\lk\app\app.c
start_app
mt_boot_init //bootable\bootloader\lk\app\mt_boot\mt_boot.c
如果 g_boot_mode 为 FASTBOOT 就走 fastboot 模式
否则 boot_linux_from_storage()

boot_linux_from_storage() 是关键
char g_CMDLINE[200] = COMMANDLINE_TO_KERNEL;

这个 COMMANDLINE_TO_KERNEL 定义在 \lk\include\platform\mt_reg_base.h

三、Linux 内核启动

Linux 内核启动一般由外部 bootloader 引导，也可以在头部嵌入一个 loader，这部分和硬件结合紧密，一般由汇编编写。

3.1 zImage 解压

内核 zImage 解压缩
head.S 首先初始化自解压相关的如内存等环境，接下来调用 decompress_kernel 进行解压（./arch/arm/boot/compressed/misc.c)

3.2 start_kernel 启动

start_kernel 启动内核（./init/main.c)
start_kernel 是任何版本 Linux 内核的通用初始化函数，它会初始化很多东西，输出 Linux 版本信息、设置体系结构相关的环境，页表结构初始化，设置系统自陷入口，初始化系统 IRQ，初始化核心调度器等。
最后调用 rest_init

3.3 rest_init 调用 kernel_init

启动 init 进程
执行 schedule 开始任务调度。这个 init 是由 android 的 ./system/core/init 下的代码编译出来的，由此进入了 android 代码。