背景

之前做过一次uboot的升级，当时留下了一些记录，本文摘录其中比较有意思的两个问题。


启动失败问题
问题简述
uboot代码中用到了一个库，考虑到库本身跟uboot版本没什么关系，就直接把旧的库文件拷贝过来使用。结果编译链接是没问题，启动却会卡住。


消失的打印
为了明确卡住的位置，就去修改了库的源码，添加一些打印（此时还是在旧版本uboot下编译的），结果发现卡住的位置或随着添加打印的变化而变化，且有些打印语句，添加后未打印出来。
我决定先从这些神秘消失的打印入手。
分析下uboot中的printf实现，最底层就是写寄存器，是一个同步的函数，也没什么可疑的地方。
为了确认打印不出来的时候，到底有没有调用到printf，我决定给printf增加一个计数器，在gd结构体中，增加一个printf_count字段，初始化为0，每次打印时执行printf_count++并打印出值。
设计这个试验，本意是确认未打印出来时是否确实也调用到了printf，但却有了别的发现，实验结果中printf_count值会异常变化，不是按打印顺序递增，而是会突变成很大的异常值。
printf_count是gd结构体的成员，那就是gd的问题了。进一步将uboot全局结构体gd的地址打印出来。确认了原因是gd结构体的指针变化了。
这也可以解释部分打印消失的现象，原因是我们在gd中有另一个字段，用于控制打印等级。当gd被改动了，printf就可能解析出错，误以为打印等级为0而提前返回。


gd的实现
那么好端端的，gd为什么会被改了呢？这就要先看看gd到底是怎么实现的了。uboot中维护了一个全局的结构体gd。在代码中加入DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;

即可使用gd指针访问这个全局结构体，许多地方都会借助gd来保存传递信息。进一步看看这个宏的定义
旧版本uboot:
#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR        register volatile gd_t *gd asm ("r8")

新版本uboot:
#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR        register volatile gd_t *gd asm ("r9")
居然不一样，一个是将gd的值放到r8寄存器，一个是放在r9寄存器。
那么就可以猜测到，库是在旧版本uboot中编译出来的，可能使用了r9，那么放到新版本uboot中去，就会破坏r9寄存器中保存的gd值，导致一系列依赖gd的代码不能正常工作。


验证改动
为了求证，将库反汇编出来，发现确实避开了r8寄存器，但使用了r9寄存器。
说明uboot在指定gd寄存器的同时，还有某种方法让其他代码不使用这个寄存器。
那是不是把旧uboot中的这个r8改成r9，重新编译库就可以了呢？试一下，还是不行。
那么禁止其他代码使用r8寄存器肯定就是通过别的方式实现的了。简单粗暴地在旧版本uboot下搜索r8，去掉.c .h等类型后，很容易发现了
./arch/arm/cpu/armv7/config.mk:24LATFORM_RELFLAGS += -fno-common -ffixed-r8 -msoft-floa
将-ffixed-r8修改为-ffixed-r9，重新编译出库，这回就可以正常工作了，打印正常，启动正常。反汇编出来也可以看到，新编译出来的库用了r8没有用r9。
当然更好的改法，是直接在新版本的uboot中编译，这是最可靠的。


追本溯源
话说回来，为什么两个版本的uboot，会使用不同的寄存器呢？难道有什么坑？这就得去翻一下git记录了。
commit fe1378a961e508b31b1f29a2bb08ba1dac063155
Author: Jeroen Hofstee <jeroen@myspectrum.nl>
Date:   Sat Sep 21 14:04:41 2013 +0200

    ARM: use r9 for gd
   
    To be more EABI compliant and as a preparation for building
    with clang, use the platform-specific r9 register for gd
    instead of r8.
   
    note: The FIQ is not updated since it is not used in u-boot,
    and under discussion for the time being.
   
    The following checkpatch warning is ignored:
    WARNING: Use of volatile is usually wrong: see
    Documentation/volatile-considered-harmful.txt
   
    Signed-off-by: Jeroen Hofstee <jeroen@myspectrum.nl>
    cc: Albert ARIBAUD <albert.u.boot@aribaud.net>

从git记录中，也可以确认完整地将r8切换到r9，都需要做哪些修改
diff --git a/arch/arm/config.mk b/arch/arm/config.mk
index 16c2e3d1e0..d0cf43ff41 100644
--- a/arch/arm/config.mk
+++ b/arch/arm/config.mk
@@ -17,7 +17,7 @@ endif

LDFLAGS_FINAL += --gc-sections
PLATFORM_RELFLAGS += -ffunction-sections -fdata-sections \
-                     -fno-common -ffixed-r8 -msoft-float
+                     -fno-common -ffixed-r9 -msoft-float

# Support generic board on ARM
__HAVE_ARCH_GENERIC_BOARD := y
diff --git a/arch/arm/cpu/armv7/lowlevel_init.S b/arch/arm/cpu/armv7/lowlevel_init.S
index 82b2b86520..69e3053a42 100644
--- a/arch/arm/cpu/armv7/lowlevel_init.S
+++ b/arch/arm/cpu/armv7/lowlevel_init.S
@@ -22,11 +22,11 @@ ENTRY(lowlevel_init)
        ldr     sp, =CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR
        bic     sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */
#ifdef CONFIG_SPL_BUILD
-       ldr     r8, =gdata
+       ldr     r9, =gdata
#else
        sub     sp, #GD_SIZE
        bic     sp, sp, #7
-       mov     r8, sp
+       mov     r9, sp
#endif
        /*
         * Save the old lr(passed in ip) and the current lr to stack
diff --git a/arch/arm/include/asm/global_data.h b/arch/arm/include/asm/global_data.h
index 79a9597419..e126436093 100644
--- a/arch/arm/include/asm/global_data.h
+++ b/arch/arm/include/asm/global_data.h
@@ -47,6 +47,6 @@ struct arch_global_data {

#include <asm-generic/global_data.h>

-#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR     register volatile gd_t *gd asm ("r8")
+#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR     register volatile gd_t *gd asm ("r9")

#endif /* __ASM_GBL_DATA_H */
diff --git a/arch/arm/lib/crt0.S b/arch/arm/lib/crt0.S
index 960d12e732..ac54b9359a 100644
--- a/arch/arm/lib/crt0.S
+++ b/arch/arm/lib/crt0.S
@@ -69,7 +69,7 @@ ENTRY(_main)
        bic     sp, sp, #7      /* 8-byte alignment for ABI compliance */
        sub     sp, #GD_SIZE    /* allocate one GD above SP */
        bic     sp, sp, #7      /* 8-byte alignment for ABI compliance */
-       mov     r8, sp          /* GD is above SP */
+       mov     r9, sp          /* GD is above SP */
        mov     r0, #0
        bl      board_init_f

@@ -81,15 +81,15 @@ ENTRY(_main)
  * 'here' but relocated.
  */

-       ldr     sp, [r8, #GD_START_ADDR_SP]     /* sp = gd->start_addr_sp */
+       ldr     sp, [r9, #GD_START_ADDR_SP]     /* sp = gd->start_addr_sp */
        bic     sp, sp, #7      /* 8-byte alignment for ABI compliance */
-       ldr     r8, [r8, #GD_BD]                /* r8 = gd->bd */
-       sub     r8, r8, #GD_SIZE                /* new GD is below bd */
+       ldr     r9, [r9, #GD_BD]                /* r9 = gd->bd */
+       sub     r9, r9, #GD_SIZE                /* new GD is below bd */

        adr     lr, here
-       ldr     r0, [r8, #GD_RELOC_OFF]         /* r0 = gd->reloc_off */
+       ldr     r0, [r9, #GD_RELOC_OFF]         /* r0 = gd->reloc_off */
        add     lr, lr, r0
-       ldr     r0, [r8, #GD_RELOCADDR]         /* r0 = gd->relocaddr */
+       ldr     r0, [r9, #GD_RELOCADDR]         /* r0 = gd->relocaddr */
        b       relocate_code
here:

@@ -111,8 +111,8 @@ clbss_l:cmp r0, r1                  /* while not at end of BSS */
        bl red_led_on

        /* call board_init_r(gd_t *id, ulong dest_addr) */
-       mov     r0, r8                  /* gd_t */
-       ldr     r1, [r8, #GD_RELOCADDR] /* dest_addr */
+       mov     r0, r9                  /* gd_t */
+       ldr     r1, [r9, #GD_RELOCADDR] /* dest_addr */
        /* call board_init_r */
        ldr     pc, =board_init_r       /* this is auto-relocated! */
启动慢问题
问题简述
填了几个坑之后，新的uboot可以启动到内核了，但发现启动速度非常慢，内核启动速度慢了接近10倍！明明是同一个内核，为什么差异这么大。


排查寄存器
初步排查了下设备树配置，以及uboot跳转内核前的一些关键寄存器，确实在两个版本的uboot中有所不同，但具体去看这些不同，发现都不会影响速度，将一些驱动对齐之后寄存器差异基本就消失了。


差异的分界
那再细看，kernel的速度有差异，uboot呢？在哪个时间点之后，速度开始产生差异？
尝试在两个版本的uboot中插入一些操作，对比时间戳，发现两个uboot在某个节点之后的速度确实有区别。
进一步排查，原来是在打开cache操作之后，旧uboot的速度就会比新uboot快。尝试将旧uboot的cache关掉，则二者基本一致。尝试将旧uboot操作cache的代码，移植到新uboot，未发生改变。
此时可确认新uboot的开cache有问题。但觉得这个跟kernel启动慢没关系。因为uboot进入kernel之前都会关cache，由kernel自己去重新打开。
也就是不管是用哪份uboot，也不管uboot中是否开了cache，对kernel阶段都应该没有影响才对。
于是记录下来uboot的这个问题，待后续修复。先继续找kernel启动慢的原因。（注：现在看来当时的做法是有问题的，这里的异常这么明显，应该设法追踪下去找出原因才对）


锁定uboot
uboot的嫌疑非常大，但还不能完全确认，因为uboot之前还有一级spl。是否会是spl的问题呢？
尝试改用新spl+旧uboot，启动速度正常。而新spl+新uboot的启动速度则很慢，其他因素都不变，说明问题确实出在uboot阶段。


多做or少做
当时到这一步就卡住了，直接比较两份uboot的代码不太现实，差异太大了。
后来我就给自己提了个问题，到底新uboot是多做了某件事情，还是少做了某件事情？
换个说法，目前已知
spl --> 旧uboot --> kernel(速度快)
spl --> 新uboot --> kernel(速度快)
但到底是以下的情况A还是情况B呢？
A: spl（速度慢） --> 旧uboot(做了某个会提升速度的操作) --> kernel(速度快)
   spl（速度慢） --> 新uboot(少做了某个会提升速度的操作) --> kernel(速度慢)

B: spl（速度快） --> 旧uboot(没做特殊操作) --> kernel(速度快)
   spl（速度快） --> 新uboot(多做了某个会限制速度的操作) --> kernel(速度慢)
为了验证，我决定让spl直接启动内核，看看内核到底是快是慢。
支持过程碰到了一些小问题
1.spl没有能力加载这么大的kernel
解决：此时不需要kernel能完全启动，只需要能加载启动一段，足以体现出启动速度是否正常即可，于是裁剪出一个非常小kernel来辅助实验。
2.kernel需要dtb
解决：内核有一个CONFIG_BUILD_ARM_APPENDED_DTB_IMAGE选项。选上重新编译。编译后再用dd将kernel和dtb拼接到一起，作为新的kernel。这样，spl就只需要加载一个文件并跳转过去即可。
试验结果，spl启动的kernel和使用新uboot启动的kernel速度一致，均比旧uboot启动的kernel慢。说明，旧uboot中做了某个关键操作，而新uboot没做。


找出关键操作
那接下来的任务就是，找出旧uboot中的这个关键操作了。
怎么找呢？有了上一步的成果，我们可以使用以下方法来排查

• spl加载kernel和旧uboot

• spl跳转到旧uboot，此时kernel其实已经在dram中准备好了，随时可以启动

• 在旧uboot的启动流程各个阶段，尝试直接跳转到kernel，观察启动速度

• 如果在旧uboot的A点跳转kernel启动慢，B点跳转启动快，则说明关键操作位于AB点之间。

  
  

方法有了，很快就锁定到start.S，进一步在start.S中揪出了这段代码
#if defined(CONFIG_ARM_A7)
@set SMP bit
    mrc     p15, 0, r0, c1, c0, 1
    orr        r0, r0, #(1<<6)
    mcr        p15, 0, r0, c1, c0, 1
#endif
新uboot的start.S中没有这段代码，尝试在新uboot的start.S中添加此操作，速度立马恢复正常了。
再全局搜索下，原来这个新版本uboot中，套路是在board_init中进行此项设置的，而这个平台从旧版本移植过来，就没有设置 SMP bit, 补上即可。


SMP bit是什么
SMP 是指对称多处理器，看起来这个 bit 会影响多核的 cache一致性，此处没有再深入研究。
但可以知道，对于单处理器的情况，也需要设置这个bit才能正常使用cache。贴下arm的图和描述：
[6] SMP

Signals if the Cortex-A9 processor is taking part in coherency or not.

In uniprocessor configurations, if this bit is set, then Inner Cacheable Shared is treated as Cacheable. The reset value is zero.
搜下kernel的代码，发现也是有地方调用了的。不过这个芯片是单核的，根本就没配置CONFIG_SMP。
#ifdef CONFIG_SMP
ALT_SMP(mrc p15, 0, r0, c1, c0, 1)
ALT_UP(mov r0, #(1 << 6))  @ fake it for UP
tst r0, #(1 << 6)   @ SMP/nAMP mode enabled?
orreq r0, r0, #(1 << 6)  @ Enable SMP/nAMP mode
orreq r0, r0, r10   @ Enable CPU-specific SMP bits
mcreq p15, 0, r0, c1, c0, 1
#endif
总结
整理出来一方面是记录这两个bug，另一方面也是想记录下当时的一些操作。毕竟同样的bug可能以后都不会碰到了，但解bug的方法和思路却是可以积累复用的。