U-Boot分析、移植及使用

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原创最新推荐文章于 2026-06-03 13:42:21 发布 492 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

使用F1C200S从零制作掌机之u-boot移植除了bootz命令外，有些系统里面还可能存在一个叫做bootm命令，这是是对没有使用设备树内核的镜像启动命令，早期版本的内核没有引入设备树，因此对于早期的内核一般使用的是bootm，其命令格式为bootm内核地址，比如bootm x0x30008000，意思是从0x30008000开始启动内核，启动内核的过程其实是将pc指针指向该地址，这样处理器就会从该地址处运行代码。对于mmc (TF卡)而言，在u-boot有专门的命令load mmc，该命令可以将mmc中的代码从flash搬运到指定的地址处。阅读详情

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本博文对应地址: https://hceng.cn/2017/03/26/U-Boot分析、移植及使用/#more

该系列主要是为驱动学习提供基石，从0到Qt。本文是该系列的第二篇:对U-Boot进行分析及移植.

1.U-Boot结构分析

Bootloader一般可以分成两个阶段：

第一个阶段通常使用汇编进行必要的硬件初始化，例如：关看门狗、关中断、设置时钟频率、RAM初始化等。除此之外，还要将第二阶段的代码复制到RAM中，设置好栈，然后跳到第二阶段，该阶段主要是与SOC平台相关。
第二阶段一般是用c语言编写，该阶段主要和开发板板载资源相关。该阶段主要初始化后续的硬件，处理内存映射、以及将内核和根文件系统从Flash“搬运”到RAM中运行，然后传入启动参数，最后启动引导内核，完成使命。

Linux中系统一般的分区结构，如下图：

![](https://blog-image-1257972744.cos.ap-chongqing.myqcloud.com/hceng/blog_image/170326/1.jpg)

分区主要分为四个分区：Bootloader、Boot parameters、Kernel、Root filesystem。其中Boot parameters是待传入内核的参数，Kernel即内核、Root filesystem是根文件系统。Bootloader在第一个分区(假设该储存介质为Nand Flash)，则在Nand Flash的地址为0x0000 0000，S3C2440上电后，硬件自动把Nand Flash上前4k代码复杂到自己内部RAM中运行。该4k代码先要初始化一些必要的硬件，如看门狗，中断等，然后准备好SRAM，并将后续的代码复制到SDRAM中，再跳到SDRAM中运行，完成Bootloader第一阶段。此时在SDRAM中的第二阶段代码开始工作，首先还是初始化硬件，处理内存映射，把Nand Flash上内核和根文件系统“搬运”到SDRAM准备运行，然后根据用户通过串口传入的启动参数放在Boot parameters，然后内核启动，完成使命。内核启动后，开始去Boot parameters寻找启动参数，根据启动参数做出相应的操作，如：控制台输出、串口波特率、根文件系统位置。

2.U-Boot源码分析

这里根据u-boot-1.1.6的源码进行分析，，主要工作有：

第一阶段的硬件初始化(CPU模式、看门狗、中断)
准备SDRAM
设置堆栈
搬运FLASH中的代码到SDRAM
清除.bss段并跳转至第二阶段
第二阶段的硬件初始化（时钟、串口）
内存映射
根据传入参数启动内核

2.1第一阶段

该阶段的源码在/arch/cpu/arm920t/start.S中：首先进行硬件初始化，包括设置CPU模式，关闭看门狗、关闭中断。这里把时钟配置放在了第二阶段。

设置CPU模式
把CPU设置为SVC模式，将当前程序状态计数器CPSR的值保存到r0中，利用bic指令清除r0的0x1f并存入r0中，再利用orr指令或运算上0xd3并存入r0，最后r0写回CPSR,这一过程就把CPSR设置为SVC模式：
{% codeblock lang:asm [start.S]%}
reset:
/* set the cpu to SVC32 mode*/
mrs r0,cpsr
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0xd3
msr cpsr,r0
{% endcodeblock %}
设置看门狗和关闭中断
　　根据S3C2440的datasheet，将0x00写入pWTCON对应寄存器的地址，完成看门狗的关闭。中断部分也类似，将INTMSK寄存器设置为0xffff ffff即可：
{% codeblock lang:asm [start.S]%}
/* turn off the watchdog */

define pWTCON 0x53000000

define INTMOD 0X4A000004

define INTMSK 0x4A000008 /* Interupt-Controller base addresses */

define INTSUBMSK 0x4A00001C

define CLKDIVN 0x4C000014 /* clock divisor register */

ldr     r0, =pWTCON
mov     r1, #0x0
str     r1, [r0]

/* turn off the int */
ldr r1, =0x3ff
ldr r0, =INTSUBMSK
str r1, [r0]
{% endcodeblock %}

准备SDRAM
start.S中没有初始化SDRAM，而是先跳转到函数cpu_init_crit中，再跳转至lowlevel_init.S中进行初始化SDRAM。adr是一个位置无关指令，将_start的地址读取到r0中，上电后，Flash中的前4k就被拷到S3C2440内部RAM，则这里r0=0。然后再用ldr指令将_TEXT_BASE这个地址（来自链接脚本，代表运行地址）的值放在r1中。然后比较r0和r1的值，如果是相等的，那么证明这个时候代码已经位于了其应该位于的地方，这个时候就不再需要初始化SDRAM去重定位了。如果r1和r0的值不相等，那么将直接跳转cpu_init_crit中。
{% codeblock lang:asm [start.S]%}
adr r0, _start /* r0 <- current position of code /
ldr r1, _TEXT_BASE / test if we run from flash or RAM /
cmp r0, r1 / don’t reloc during debug */
blne cpu_init_crit
{% endcodeblock %}

{% codeblock lang:asm [start.S]%}
cpu_init_crit:
/flush v4 I/D caches/
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* flush v3/v4 cache /
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 / flush v4 TLB */

/*disable MMU stuff and caches*/
mrc	p15, 0, r0, c1, c0, 0
bic	r0, r0, #0x00002300	@ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS)
bic	r0, r0, #0x00000087	@ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM)
orr	r0, r0, #0x00000002	@ set bit 2 (A) Align
orr	r0, r0, #0x00001000	@ set bit 12 (I) I-Cache
mcr	p15, 0, r0, c1, c0, 0

/*
 * before relocating, we have to setup RAM timing
 * because memory timing is board-dependend, you will
 * find a lowlevel_init.S in your board directory.
 */
mov	ip, lr
bl	lowlevel_init
mov	lr, ip

{% endcodeblock %}

设置栈
　　通常为了保存调用C语言时传递参数和保存CPU运行时的现场，需要设置栈，根据定义_TEXT_BASED为代码段的开始地址，然后在代码段的下面留出一段内存实现malloc和全局参数，再留出一点给中断模式的栈和abort异常的栈，剩下的就是栈了：
{% codeblock lang:asm [start.S]%}
/* Set up the stack /
stack_setup:
ldr r0, _TEXT_BASE / upper 128 KiB: relocated uboot /
sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN / malloc area /
sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE / bdinfo */

#ifdef CONFIG_USE_IRQ
sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif
sub sp, r0, #12 /* leave 3 words for abort-stack */
{% endcodeblock %}

搬运FLASH中的代码到SDRAM
　　现在将Bootloader的全部代码复制到RAM中运行：
{% codeblock lang:asm [lowlevel_init.S]%}
relocate: /* relocate U-Boot to RAM /
adr r0, _start / r0 <- current position of code /
ldr r1, _TEXT_BASE / test if we run from flash or RAM /
cmp r0, r1 　　/ don’t reloc during debug */
beq clear_bss

ldr r2, _armboot_start
ldr r3, _bss_start
sub r2, r3, r2 /* r2 <- size of armboot */

bl CopyCode2Ram 　　　　　/* r0: source, r1: dest, r2: size */

copy_loop:
ldmia r0!, {r3-r10} /* copy from source address [r0] /
stmia r1!, {r3-r10} / copy to target address [r1] /
cmp r0, r2 / until source end addreee [r2] */
ble copy_loop
{% endcodeblock %}

清除.bss段并跳转至第二阶段
　　bss段部分保存有静态变量、没有初始化或初始化值为0的全局变量，为了减小体积和防止程序在读取它们时，读取的时上次的值，所以需要先清0：
{% codeblock lang:asm [start.S]%}
clear_bss:
ldr r0, _bss_start /* find start of bss segment /
ldr r1, _bss_end / stop here /
mov r2, #0x00000000 / clear */

clbss_l:str r2, [r0] /* clear loop… */
add r0, r0, #4
cmp r0, r1
ble clbss_l
ldr pc, _start_armboot
{% endcodeblock %}

2.2第二阶段##

第二阶段的代码在lib_arm/board.c中的start_armboot()函数开始，在内部调用各自函数进行设置：

设置时钟
{% codeblock lang:c [smdk2410.c]%}
int board_init (void)
{
S3C24X0_CLOCK_POWER * const clk_power = S3C24X0_GetBase_CLOCK_POWER();
S3C24X0_GPIO * const gpio = S3C24X0_GetBase_GPIO();

/* to reduce PLL lock time, adjust the LOCKTIME register */
clk_power->LOCKTIME = 0xFFFFFF;

/* configure MPLL */
clk_power->MPLLCON = ((M_MDIV << 12) + (M_PDIV << 4) + M_SDIV);

/* some delay between MPLL and UPLL */
delay (4000);

/* configure UPLL */
clk_power->UPLLCON = ((U_M_MDIV << 12) + (U_M_PDIV << 4) + U_M_SDIV);

/* some delay between MPLL and UPLL */
delay (8000);

/* set up the I/O ports */
gpio->GPACON = 0x007FFFFF;
gpio->GPBCON = 0x00044555;
gpio->GPBUP = 0x000007FF;
gpio->GPCCON = 0xAAAAAAAA;
gpio->GPCUP = 0x0000FFFF;
gpio->GPDCON = 0xAAAAAAAA;
gpio->GPDUP = 0x0000FFFF;
gpio->GPECON = 0xAAAAAAAA;
gpio->GPEUP = 0x0000FFFF;
gpio->GPFCON = 0x000055AA;
gpio->GPFUP = 0x000000FF;
gpio->GPGCON = 0xFF95FFBA;
gpio->GPGUP = 0x0000FFFF;
gpio->GPHCON = 0x002AFAAA;
gpio->GPHUP = 0x000007FF;

/* arch number of SMDK2410-Board */
gd->bd->bi_arch_number = MACH_TYPE_SMDK2410;

/* adress of boot parameters */
gd->bd->bi_boot_params = 0x30000100;

icache_enable();
dcache_enable();

return 0;
}
{% endcodeblock %}
初始化串口
{% codeblock lang:c [serial.c]%}
int serial_init (void)
{
serial_setbrg ();

return (0);
}
/*

Read a single byte from the serial port. Returns 1 on success, 0
otherwise. When the function is succesfull, the character read is
written into its argument c.
*/
int serial_getc (void)
{
S3C24X0_UART * const uart = S3C24X0_GetBase_UART(UART_NR);

/* wait for character to arrive */
while (!(uart->UTRSTAT & 0x1));

return uart->URXH & 0xff;
}
{% endcodeblock %}

监内存映射
　　在smdk2410.c里的函数dram_init中设置的内存起始地址为0x3000 0000,大小为0x4000 0000:
{% codeblock lang:c [smdk2410.c]%}
int dram_init (void)
{
gd->bd->bi_dram[0].start = PHYS_SDRAM_1;
gd->bd->bi_dram[0].size = PHYS_SDRAM_1_SIZE;

return 0;
}
{% endcodeblock %}
　　至此，U-Boot的启动过程基本分析完了，在启动U-Boot后，通过lib_arm/armlinux.c中的do_boot_linux来启动内核。这里总结画个图来记录下，中间的顺序可能有点小差异，但大致没问题：

![](https://blog-image-1257972744.cos.ap-chongqing.myqcloud.com/hceng/blog_image/170326/2.jpg)

# 3.U-Boot移植 # 待补充。 # 4.U-Boot使用 # 记录下平时使用U-Boot烧写内核/根文件系统和挂载根文件系统，这里假设如下：

Ubuntu中待作为nfs挂载的路径：/work/hceng/nfs_rootfs
Ubuntu IP：192.168.1.141
开发板 IP：192.168.1.142
网关 IP：192.168.1.1

这里要提前在Ubuntu虚拟机中进行NFS配置，参考上一篇文章中的：2.3安装、配置网络服务；

启动U-Boot后，迅速按任意键进入U-Boot的下载模式，再输入"q"退出菜单。

设置开发板ip和nfs挂载的服务ip：
{% codeblock lang:shell %}
setenv serverip 192.168.1.141 //设置服务器ubuntu ip
setenv ipaddr 192.168.1.142 //设置开发板ip
saveenv
{% endcodeblock %}
设置u-boot各分区大小（内核也要相应设置匹配，在Linux-3.4.2内核中，文件在arch/arm/mach-s3c24xx/common-smdk.c中）:
{% codeblock lang:shell %}
setenv mtdparts mtdparts=nandflash0:256k@0(bootloader),128k(params),4m(kernel),-(root)
saveenv
{% endcodeblock %}
下载、擦除、烧写内核：
{% codeblock lang:shell %}
nfs 30000000 192.168.1.141:/work/hceng/nfs_rootfs/uImage
nand erase kernel
nand write.jffs2 30000000 kernel
{% endcodeblock %}
下载、擦除、烧写根文件系统：
{% codeblock lang:shell %}
nfs 30000000 192.168.1.141:/work/hceng/nfs_rootfs/fs_mini_mdev_new.yaffs2
nand erase root
nand write.yaffs 30000000 4a0000 $(filesize)
{% endcodeblock %}
根文件系统采用nand启动：
{% codeblock lang:shell %}
set bootargs noinitrd root=/dev/mtdblock3 rootfstype=yaffs2 init=/linuxrc console=ttySAC0,115200
saveenv
{% endcodeblock %}
启动后，对应的NFS挂载：
{% codeblock lang:shell %}
mount -t nfs -o nolock 192.168.1.141:/work/hceng/nfs_rootfs /tmp
{% endcodeblock %}
根文件系统采用nfs启动：
{% codeblock lang:shell %}
set bootargs root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.141:/work/hceng/nfs_rootfs ip=192.168.1.142:192.168.1.141:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0:off init=/linuxrc console=ttySAC0,115200
saveenv
{% endcodeblock %}