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第1章 uboot概述

1.1 概述

1.2 内存映射（案例）

1.3 uboot在嵌入式系统启动中的位置

第2章uboot启动流程（源码分析）

2.1 入口函数：_start

2.3 执行流程（文字描述）

2.4 初始化过程

第3章 uboot如何加载内核

3.1vmlinuz/vmlinux、Image、zImage与uImage的区别

3.2uboot启动内核的大致步骤

3.3内核文件的三种状态

3.4 内核的加载与重定位

3.5启动内核的相关命令

3.6 uboot如何给内核传递参数？bootargs

3.6 内核是如何拿到这些参数的?

第1章 uboot概述

1.1 概述

uboot是bootloader的一种，是Linux内核的引导启动程序。

它会初始化嵌入式平台上的一些外设（比如：ddr等），把Linux内核镜像从flash中加载到内存，在完成一些初始化工作后，最后启动Linux内核，类似于windows的BIOS程序。

uboot相当于是一段功能复杂的裸机程序，单片机的裸机程序没有本质区别。

下面将是对uboot启动流程的源码分析，此处使用的嵌入式平台芯片是NXP的 i.mx6ull 芯片（Cortex-A7内核，arm v7架构），uboot源码是NXP官方提供的4.1.15版本uboot。

下载地址：http://git.freescale.com/git/cgit.cgi/imx/uboot-imx.git/tag/?h=imx_v2016.03_4.1.15_2.0.0_ga&id=rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga

1.2 内存映射（案例）

（1）有两个地方存放uboot的镜像：

  • ROM/FLASH/SD卡
  • SDRAM

（2）用户栈区（栈）

  • 用于存放函数调用的上下文
  • 局部变量

（3）IRQ堆栈区

  • 用于执行中断服务程序的上下文（中断服务程序的嵌套）

（4）全局变量数据区

  • 初始为0的全局数据区

（5）动态内存区（堆）

  • malloc内存区
  • free内存区

BSS段通常是指用来存放程序中未初始化的或者初始化为0的全局变量和静态变量的一块内存区域。特点是可读写的，在程序执行之前BSS段会自动清0。

1.3 uboot在嵌入式系统启动中的位置

（1）bootstrap =》 在Soc芯片内部，由soc芯片厂家提供

（2）bootloader =》 uboot

（3）OS内核 =》 Linux内核

（4）rootf根文件系统 =》存放各种工具、库、脚本、应用程序、数据等等。

（5）根文件夹系统中的应用程序 =》特定的应用程序

第2章uboot启动流程（源码分析）

2.1 入口函数：_start

2.2 两阶段流程（流程图描述）

2.3 执行流程（文字描述）

（1）设置CPU为管理模式

（2）关看门狗

（3）关中断

（4）设置时钟频率

（5）关mmu,初始化各个bank

（6）进入board_init_f () 函数 =》能够访问内存RAM和串口相关的外设

  • 初始化DDR
  • 定时器
  • 初始化波特率串口
  • 打印前面暂存在缓冲区的数据
  • 此时堆栈指针sp和gd指向DDR上了，而不是内部的RAM。

（7）重定位

uboot会将自己重定位到 DRAM最后面的地址区域，也就是将自己拷贝到 DRAM最后面的内存区域中。这么做的目的是给Linux腾出空间，防止 Linux kernel覆盖掉 uboot，将 DRAM前面（低位地址空间）的区域完整的空出来。

在拷贝之前肯定要给uboot各部分分配好内存位置和大小，比如 gd应该存放到哪个位置，malloc内存池应该存放到哪个位置等等。这些信息都保存在gd的成员变量中，因此要对 gd的这些成员变量做初始化。

最终形成 一个完整的内存“分配图”，在后面重定位uboot的时候就会用到这个内存“分配图”。

（8）copy

relocate_code代码重定位函数，负责将uboot从ROM拷贝到RAM新的地方，完成代码拷贝。

（9）清bss

（10）跳转到board_init_r() 函数 =》 能否访问Flash和网络相关外设

前面board_init_f函数里面会调用一系列的函数来初始化部分关键性的外设和gd的成员变量。

但是board_init_f并没有初始化所有的外设，还需要做一些后续工作，这些后续工作就是由函数
board_init_r (这里的外设更多包括EMMC，NANDFLASH)来完成的, 存放于common/board_r.c。

（11）启动流程结束

最后运行的是run_main_loop，主循环，处理命令输入。

2.4 初始化过程

2.5代码树（代码描述）

Uboot启动流程： _start |--->reset | |--->save_boot_params||--->save_boot_params_ret | | // 禁止中断，设置cpu的模式为SVC | | // 清楚SCTLR的bit13，允许向量重定位，同时 | // 重定位向量表，把CP15的c12（VBAR）寄存器设置为 | // 0x87800000(uboot的起始地址，也是向量表的起始地址) | |--->cpu_init_cp15 | // 设置cp15相关内容，比如关闭mmu，cache | |--->cpu_init_crit | | | |--->lowlevel_init | | // 设置栈指针sp = 0x0091FF00,属于MX6ULL | | // 的内部ram，同时(sp - GD_SIZE(248))-->sp | | // 留出global_data数据结构的位置sp = 0x0091FE08 | | // 设置sp-->r9, sp==r9 | | | |--->s_init| | // 空函数，直接返回 | |--->_main | // 设置sp为0x0091ff00,调用函数 | // board_init_f_alloc_reserve(arg:0x0091FF00)后，把sp设为 | // 此函数的返回值：0x0091FA00, r9(gd)设为0x0091FA00; | // 调用board_init_f_init_reserve(arg:0x0091FA00)后 | // 把gb的成员malloc_base设为0x0091FB00(early_malloc的起始地址) | // 调用board_init_f函数：会初始化gd，返回之后重新设置环境（sp和gd） | // 把gd的成员start_addr(0x9EF44E90)赋值给sp, 此时sp == 0x9EF44E90 | // 是外部DDR的地址，gd->bd赋给r9(gd),新的gd结构在bd结构下面， | // 重新设置gd = r9 - sizeof(*gd); lr = here. gd指向新的区域(DDR内)时 | // lr = here + 68,这是为什么？uboot的拷贝目的地址：0x9FF47000 |--->board_init_f_alloc_reserve(arg:0x0091FF) | // 在包含此函数的文件中有：DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR; | // 是个宏定义：#defineDECLARE_GLOBAL_DATA_PTR \ | // register volatile gd_t *gd asm("r9") | // 此函数设置留出早期malloc和global_data内存区域， | // 返回值：0x0091FA00 | |--->board_init_f_init_reserve(arg:0x0091FA00)  | // 此函数用于初始化gd所指向的结构（清零处理） | // 设置gd的成员malloc_base为0x91FB00 | // 就是early_malloc的起始地 | |--->board_init_f  | // 主要做两个工作：初始化一系列外设（串口、定时器等） | // 初始化gd的各个成员变量(此时gd还保存在内部ocram中)。上面的工作都是通过在函数内运行 | // initcall_sequence_f函数表中的一些函数来实现的，此函数表与 | // board_init_f函数定义在相同的文件，是static属性的静态表 | // 表中的函数执行完后会把gd->mon_len设为0xA8E74(__bss_end-_start), | // 也就是代码长度。gd->malloc_init设为0x400(malloc内存池的大小) | // gd->ram_size:0x20000000gd->ram_top:0xA0000000gd->relocaddr:0x9FF47000 | // gd->arch.tlb_size:0x4000gd->arch.tlb_addr:0x9FFF0000 | |--->relocate_code(arg:0x9FF47000) | // 代码拷贝。0x9FF47000是uboot拷贝目标首地址，offset=0x9FF47000-0x8780000,offset:0x18747000 | // 拷贝源地址：__image_copy_start=0x87800000,结束地址：__image_copy_end =0x8785dd54 | // 裸机程序运行需要链接地址与运行地址相同，uboot解决拷贝后的重定位问题是采用ld链接器 | // 链接时使用选项'-pie'生成位置无关的可执行文件，使用此选项时会生成一个.rel.dyn段， | // uboot就是靠这个.rel.dyn来解决重定位问题的（.rel.dyn 段是存放.text 段中需要重定位地址的集合） | // 修改.rel.dyn中的label来重定位 | |--->relocate_vectors| // 重定位向量表，将CP15的VBAR寄存器的值设为0x9FF47000，uboot拷贝后的目标首地址 | |--->c_runtime_cpu_setup | |--->board_init_r  | | // 初始化一些在board_init_f函数中未初始化的一些外设，做些后续工作。 | | // 是通过运行init_sequence_r函数集合中的函数来实现的，init_sequence_r与board_init_f函数 | | // 在同一个文件。在函数集合中initr_reloc_global_data函数初始化重定位后的gd的一些成员变量 | | // 集合中的其他函数：初始化了malloc、串口、电源芯片、emmc、环境变量、LCD、初始化跳转表、中断，使能中断 | | // 初始化网络地址（获取MAC地址，通过读取环境变量ethaddr的值，环境变量保存在emmc中）、 | | // 初始化网络设备，最后执行run_main_loop函数，主循环（处理命令） | | | |--->run_main_loop |// uboot启动以后会进入3秒倒计时，如果在3秒倒计时结束之前按下按下回车键，那么就 |// 会进入uboot的命令模式，如果倒计时结束以后都没有按下回车键，那么就会自动启动Linux内 |// 核，这个功能就是由run_main_loop函数来完成的. | |--->main_loop(void) | |// 如果如果倒计时结束之前按下按键，那么就会执行cli_loop函数，这个就是 | |// 命令处理函数，负责接收好处理输入的命令。 | | | |--->bootstage_mark_name | | // 打印处启动进度 | |--->autoboot_command | // 此函数就是检查倒计时是否结束？倒计时结束之前有没有被打断？ | |--->cli_loop  | | // cli_loop函数是uboot的命令行处理函数，我们在uboot中输入 | | // 各种命令，进行各种操作就是由cli_loop来处理的 | | | |--->parse_file_outer | |--->setup_file_in_str | |--->parse_stream_outer | // 这个函数就是 hush shell 的命令解释器， | // 负责接收命令行输入，然后解析并执行相应的命令

第3章 uboot如何加载内核

3.1vmlinuz/vmlinux、Image、zImage与uImage的区别

内核镜像和其他的镜像并没有本质上的区别，都是用同一套交叉编译工具链来生成的。

为了满足各种启动方式，编译后的内核提供多种不同类型的镜像。本质上和其他镜像都是一样的，只是在此基础上做了修改。

生成镜像的过程：

（1）编译生成vmlinuz/vmlinux

就是普通的elf可执行文件，嵌入式设备一般部署时不会用这种格式的镜像，因为体积太大，并且elf格式也不能直接烧录使用；//elf格式的文件可以在操作系统下执行，但不能在裸机上运行。

（2）将elf格式的vmlinuz/vmlinux变成bin格式的可烧录文件

用交叉编译工具链里的objcopy，将elf格式的vmlinuz/vmlinux变成bin格式的可烧录文件，名字为Image。bin文件是可以直接在裸机上运行的程序。

objcopy把几十M大的vmlinuz/vmlinux精简成了几M大小的Image，因此这个制作烧录镜像主要目的就是缩减大小，节省磁盘；

（3）zip压缩Image文件=》zImage

实际上Image已经可以直接烧录到flash中进行执行，但是人们觉得内核还是太大了，于是对Image进行压缩，再在压缩得到的文件前端加一段解压缩代码，这样就得到了zImage；(zImage= 解压缩代码 + Image压缩得到的文件)

（4）uboot专用的uImage （uboot Image）

uImage是用uboot中的mkimage工具根据zImage制作而来。

uImage是专门给uboot使用的，在zImage头部添加64个字节的头，说明这个内核的版本、加载位置、生成时间、大小等信息，其0x40之后与zImage没区别。

其中最重要的信息就是加载的内存地址信息，即把Linux kernel加载到内存什么地方。

uint32_tih_load;/* Data Load Address*/
uint32_tih_ep;/* Entry Point Address*/

// 如下是uImage的头部信息typedef struct image_header {uint32_tih_magic;/* Image Header Magic Number*/uint32_tih_hcrc;/* Image Header CRC Checksum*/uint32_tih_time;/* Image Creation Timestamp*/uint32_tih_size;/* Image Data Size*/uint32_tih_load;/* Data LoadAddress*/uint32_tih_ep;/* Entry Point Address*/uint32_tih_dcrc;/* Image Data CRC Checksum*/uint8_tih_os;/* Operating System*/uint8_tih_arch;/* CPU architecture*/uint8_tih_type;/* Image Type*/uint8_tih_comp;/* Compression Type*/uint8_tih_name[IH_NMLEN];/* Image Name*/} image_header_t;

备注：

  • uboot都支持uImage，不一定支持zImage;
  • 现在uImage的方式被逐渐设备树dtb的方式替代；

3.2uboot启动内核的大致步骤

（1）编译、制作内核镜像

（2）把内核加载或存放到指定的位置（具体位置与启动方式相关）

（3）uboot加载内核镜像

uboot要通过如下的几种方式将特定位置的内核加载到内存的链接地址处；

  • 读取SD卡上的内核镜像
  • 读取flash上的内核镜像
  • 通过tftp下载内核镜像
  • 通过nfs下载内核镜像

（4）uboot 解析内核镜像，得到image_header_t的内容。

uboot区分出当前启动方式是zImage、uImage还是设备树方式。

然后，构建出描述该内核的image_header_t结构体；

（5）启动内核

将上一步得到的image_header_t结构体和内核所在地址，传入do_bootm_linux函数，启动Linux内核；
（6）内核接管CPU的控制权，uboot结束

boot->bootm->do_bootm_linux->内核启动，uboot结束。

3.3内核文件的三种状态

（1）静态文件：以文件的方式存在于ROM中。

（2）静态内核：以可执行代码的方式存在于RAM中。

（3）动态执行：以正在运行状态存在与RAM中。

3.4 内核的加载与重定位

内核从外存加载到DDR RAM中，但还没有执行之前的这个过程就叫做重定位。

必须加载到DDR的特定地址(即编译链接时指定的物理地址)，因为启动的时候就是去链接地址启动。

内核的重定位是uboot完成的，根据启动方式的不同，uboot可能从flash等外存去读取内核，也可能通过tftp、nfs等网络下载方式读取内核，但不管何种读取内核的方式，最终内核都是被加载到链接地址。

链接地址在编译脚本、环境变量bootcmd、配置文件的CONFIG_BOOTCOMMAND宏定义可以查到。

3.5启动内核的相关命令

（1）boot

该命令会先将内核重定位，把内核下载到指定的内存空间中。

然后调用bootm命令从内存空间中启动内核；

（2）bootm

这是直接启动内核的命令，只能启动已经加载到DDR的内核，在调用时传入内核在DDR中的地址(一般是内核的链接地址)即可启动内核。

在bootm命令的实现代码里，其实主要完成的是启动方式的判断，判断出启动的操作系统类型后，完成初始化就会去调用相关操作系统的启动函数。

（3）do_bootm_linux函数：

这是启动linux系统的函数，功能包括：准备给内核的传参、找到内核程序入口、启动内核。

3.6 uboot如何给内核传递参数？bootargs

uboot 往内核携带的参数就是bootargs携带的，bootargs并不是一个固定长度、固定结构的数据结构，而是可变长度，可变内容的结构，称为“tag”。

bootargs=earlyprintk console=ttyS0,115200 rootwait nprofile_irq_duration=on root=/dev/ram0 rootfstype=ramfs rdinit=/linuxrc
bootcmd=run tftploadk
bootdelay=3

setenv bootargs ‘mem=512M console=ttyAMA0,115200 clk_ignore_unused rw rootwait root=/dev/mmcblk0p5 rootfstype=ext4
blkdevparts=mmcblk0:1M(u-boot.bin),5M(kernel),512K(logo.bin),512K(logo.jpg),1000M(rootfs.ext4)’

（1）mem：设置操作系统内存大小。

以上设置mem=512M，表示分配给操作系统内存为512M。

（2）console：设置控制台设备。

格式为console=ttyAMA0,115200表示控制台为串口0，波特率115200。

（3）root：设置根文件系统rootfs挂载设备, 用来指定rootfs的位置

格式为root=/dev/mmcblk0p5表示从Flash第5个分区挂载（Flash分区编号从0开始）。

常见的rootfs的位置有：

root=/dev/ram rw

root=/dev/mtdx rw

root=/dev/mtdblockx rw

root=/dev/mtdblock/x rw

root=31:0x

root=/dev/nfs # rootfs在网络上。

（4）rootfstype：设置挂载文件系统类型

此处用的是ext4文件系统格式，或是ramfs。

（5）Linux内核初始化后的初始线程的位置

init指定的是内核启起来后，进入系统中运行的第一个脚本.

一般init=/linuxrc,或者init=/etc/preinit，

preinit的内容一般是创建console,null设备节点。

运行init程序，挂载一些文件系统等等操作。

很多初学者以为，init=/linuxrc是固定写法，其实不然，/linuxrc指的是/目录下面的linuxrc脚本，一般是一个连接罢了。

通过该脚本，Linux内核可以自动创建应用程序环境和启动应用程序。

3.6 内核是如何拿到这些参数的” />由于uboot和内核其实是两个独立的程序，并不能通过函数调用传递参数。

另外，uboot传递给内核的参数的内容并不是固定的结构体。那么内核是如何获取从uboot获取到可变个数的参数呢？

Linux内核发明了一种称为“Tag”的参数传递的方式：

（1）struct tag。tag是一个数据结构，在uboot和linux kernel中都有定义tag数据机构，而且定义是一样的。

（2）如setup_serial_tag -> tag，在uboot\include\asm-arm里面

（3）tag_header和tag_xxx。tag_header中有这个tag的size和类型编码，kernel拿到耦合tag后先分析tag_header得到tag的类型和大小，然后将tag中剩下部分当做一个tag_xxx来处理。类似TLV编码的数据。

（4）tag_start与tag_end。

kernel接收到的传参是若干个tag构成的，这些tag有tag_start起始，到tag_end结束。

所有要传递的tag类型的参数，都会被封装在【tag_start】和【tag_end】之间。

（5）tag传参的方式是由linux kernel发明的，kernel定义了这种向我传参的方式，uboot只是遵循了这种传参的方式给kernel传参罢了。

tag 是一个数据结构：stract tag 这种数据格式在uboot和kernel是一样的，也就是说uboot在启动的时候将需要传给kernel的参数放在了DDR的某个地址处，而存放格式就是tag格式，然后kernel就会到这个地址去读取这些参数，读取方式也是按tag格式去读取的。

简单来说tag就像是一个数组一样，是一块连续的内存，里面存放了uboot需要传递给kernel的参数信息，我们通过定义一个指针params(staticstructtag*params;)，先使其指向tag的存放地址(30000100，uboot也就是说在30000100的地方存放了一条信息，告诉kernel去0x54410001这个地方去读取tag(也就是uboot传递给kernel的参数))

uboot最终通过调用theKernel(0,machid, bd->bi_boot_params); 函数来执行linux内核的，uboot调用这个函数(其实就是linux内核)时传递了三个参数。

theKernel = (void (*)(int, int, uint))ntohl(hdr->ih_ep);

这三个参数就是uboot直接传递给linux内核，这3个参数是通过寄存器来实现的传参的：

  • 第一个参数0就放在r0中，
  • 第二个参数(机器码)放在r1中，
  • 第三个参数放在r2中(第三个参数传递的就是tag的首地址这里是30000100)
  • 最后，把内核的地址传递给pc指针，就跳转到内核代码执行程序了。