玩嵌入式Linux的朋友，大概率都有過這樣的體驗：燒錄完U-Boot，插上串口，看著屏幕上彈出U-Boot 202x.xx的打印信息，心里就踏實了——系統(tǒng)活了。

但很少有人想過，從芯片通電到這句打印出現(xiàn)，背后已經(jīng)悄悄跑過了成千上萬條指令。而這一切的起點，也是最神秘、最底層的那一步，就藏在arch/arm/cpu/armv8/start.S這個文件里。

今天，我們就逐幀拆解這份ARMv8架構(gòu)下U-Boot的“啟動基因”，搞懂從通電到進入C語言世界（_main函數(shù)）之前，CPU到底在忙些什么。

（建議收藏，調(diào)試啟動問題時，這篇就是你的“救命指南”）

一、一切的起點：_start標(biāo)號

整個U-Boot的啟動，始于一個全局標(biāo)號_start，這是芯片上電/復(fù)位后，PC指針（程序計數(shù)器）指向的第一個地址，相當(dāng)于U-Boot的“出生證明”。

在_start開頭，有一段非常關(guān)鍵的條件編譯，給SoC廠商留足了“自定義空間”：

#ifdefCONFIG_ENABLE_ARM_SOC_BOOT0_HOOK#include#else  b  reset#endif

簡單說：有些芯片要求引導(dǎo)頭必須包含特殊簽名或頭部結(jié)構(gòu)，廠商就可以在boot0.h里做定制化操作；如果不需要，就直接跳轉(zhuǎn)到reset標(biāo)號，進入下一步。

這一步看似簡單，卻是U-Boot適配不同芯片的關(guān)鍵“后門”。

二、位置無關(guān)：U-Boot能“隨處運行”的秘密

現(xiàn)代U-Boot有個很強大的特性——位置無關(guān)代碼（PIC），也就是說，它的鏈接地址（編譯時指定的地址）和實際加載地址（燒錄到芯片的地址）可以不一樣，怎么燒錄都能正常啟動。

這個特性的核心，就藏在pie_fixup這段代碼里：

pie_fixup:  adr x0, _start     // 讀取 _start 的運行時實際地址  ldr x1, _TEXT_BASE   // 讀取編譯時指定的鏈接地址  sub x9, x0, x1     // 計算實際地址與鏈接地址的偏移量  ...pie_fix_loop: // 遍歷重定位表，給所有需要修正的地址加上偏移量

邏輯很直白：先算出“實際地址”和“預(yù)期地址”的差值（偏移量），再遍歷整個重定位表，把所有需要重定位的位置都加上這個偏移量。

正是這幾步操作，讓U-Boot實現(xiàn)了“任意地址加載，隨處運行”，極大降低了燒錄和調(diào)試的門檻。

三、異常級別切換：從EL3降到EL1的“降權(quán)”操作

ARMv8架構(gòu)的CPU有4個異常級別（EL0~EL3），級別越高，權(quán)限越大。芯片上電時，通常會處于最高權(quán)限的EL3，但Linux內(nèi)核一般只需要運行在EL1（或EL2，用于虛擬化）。

所以，start.S要做的關(guān)鍵一步，就是把CPU的異常級別“降下來”，用一個精妙的宏就能完成統(tǒng)一設(shè)置：

adrx0, vectorsswitch_elx1,3f,2f,1f

這段代碼的作用是：判斷當(dāng)前CPU的異常級別，然后執(zhí)行對應(yīng)級別的初始化：

?EL3（最高級別）：設(shè)置向量表基地址（vbar_el3），配置SCR_EL3寄存器，開啟FP/SIMD功能（浮點/向量運算）。

?EL2（虛擬化級別）：設(shè)置vbar_el2，同樣開啟FP/SIMD。

?EL1（內(nèi)核級別）：設(shè)置vbar_el1。

無論從哪個級別啟動，最后都會統(tǒng)一落到同一個入口，同時初始化通用定時器頻率（cntfrq_el0），為后續(xù)的驅(qū)動和計時功能提供精準(zhǔn)時鐘。

四、開啟緩存+多核“喚醒”：讓系統(tǒng)“跑起來”

芯片上電時，緩存（ICache/DCache）是默認(rèn)關(guān)閉的——緩存雖能提升性能，但啟動初期系統(tǒng)狀態(tài)混亂，開啟緩存會導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。所以U-Boot會在這里手動開啟緩存：

#ifndefCONFIG_SYS_ICACHE_OFF  mov x1, #CR_I // 開啟 ICache#else  mov x1, #0  // 關(guān)閉 ICache#endif

然后根據(jù)當(dāng)前異常級別，將配置寫入對應(yīng)的SCTLR_ELx寄存器，同時清除中斷掩碼（DAIF），讓系統(tǒng)能響應(yīng)SError（系統(tǒng)錯誤）。

如果是多核處理器（比如Cortex-A53/A57），還要開啟SMP一致性（多核協(xié)同工作的關(guān)鍵）：

mrsx0, S3_1_c15_c2_1orr x0, x0,#0x40 // 置位 SMPEN 位msr S3_1_c15_c2_1, x0

這一步，就是讓多核CPU從“各自為戰(zhàn)”變成“協(xié)同工作”的基礎(chǔ)。

五、硬件“補丁”：修復(fù)ARM處理器的Errata

哪怕是ARM這樣的巨頭，其處理器也可能存在一些底層bug（行業(yè)內(nèi)叫Errata），這些bug可能導(dǎo)致特定場景下的數(shù)據(jù)不一致、死鎖或性能異常，需要通過固件補丁來修復(fù)。

start.S中的apply_core_errata函數(shù)，就是干這個活的，由Kconfig中的CONFIG_ARM_ERRATA_*選項控制，針對Cortex-A57等處理器的經(jīng)典Errata打補?。?/p>

?Errata 828024：關(guān)閉write-back no-allocate的non-allocate hint，避免數(shù)據(jù)緩存異常。

?Errata 826974：關(guān)掉DMB指令前的投機執(zhí)行，防止指令執(zhí)行順序錯亂。

?Errata 833471 / 829520 / 833069：調(diào)整分支預(yù)測器、FPSCR寄存器刷新等行為，提升穩(wěn)定性。

這些看似晦澀的寄存器操作，每一步都是為了讓處理器更穩(wěn)定、更可靠。

六、多核“點名”：主CPU喚醒所有副CPU

完成底層配置后，就到了板級初始化的第一站——lowlevel_init，主要干三件核心事：

1.主CPU初始化GIC中斷控制器（Distributor和CPU Interface），相當(dāng)于給系統(tǒng)“裝中斷管家”。

2.如果開啟了MULTIENTRY（多核啟動），副CPU會先等待主CPU釋放“自旋表”地址，然后切換到對應(yīng)異常級別，等待主CPU調(diào)度。

3.主CPU繼續(xù)執(zhí)行，走向master_cpu標(biāo)號。

這里有個很巧妙的設(shè)計：smp_kick_all_cpus函數(shù)會通過GIC分發(fā)SGI 0號軟中斷，把所有副CPU“踢醒”，讓它們進入U-Boot啟動流程。副CPU則在slave_cpu標(biāo)號下“待命”，一旦檢測到CPU_RELEASE_ADDR非零，就立即跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。

這就是U-Boot多核啟動的核心邏輯——主CPU “點名”，副CPU “應(yīng)答”，協(xié)同啟動。

七、終章：跳入C語言世界，奔向_main

當(dāng)所有底層配置、多核喚醒都完成后，主CPU就會執(zhí)行關(guān)鍵的一步，跳入C語言的世界：

master_cpu:  bl _main

至此，start.S的使命就暫告一段落了。

接下來的工作，就交給arch/arm/lib/crt0.S和board_init_f/board_init_r完成：重定位U-Boot代碼、清除BSS段、初始化串口、DRAM（內(nèi)存）、外設(shè)，最終才能看到我們熟悉的U-Boot打印信息。

寫在最后

回看這份start.S，它就像一顆經(jīng)過精密雕琢的鉆石——沒有多余的指令，每一個條件編譯、每一次寄存器操作，都是為了把上電時混亂的系統(tǒng)初態(tài)，梳理成一個干凈、穩(wěn)定的運行環(huán)境。

它不僅是U-Boot的啟動起點，更是理解整個ARMv8系統(tǒng)啟動流程的“最佳教科書”。

如果你在調(diào)試嵌入式系統(tǒng)時，遇到“卡在啟動早期”“多核不同步”“打開緩存就掛死”等問題，不妨回到這份代碼里找找答案——真正的寶藏，往往就藏在最開始的地方。

最后，留言區(qū)聊聊：你在調(diào)試U-Boot啟動時，遇到過最頭疼的問題是什么？

審核編輯 黃宇