UBOOT学习总结

最新推荐文章于 2025-05-25 11:00:46 发布

花落剑舞

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分类专栏： U-BOOT

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本文详细介绍了UBOOT的主要功能，包括硬件初始化、CPU寻址空间映射、两个执行阶段的职责，以及编译和启动内核的过程。通过分析UBOOT的目录结构，展示了其在不同开发板上的应用，并提供了编译和转换内核镜像的步骤，以成功引导内核启动。

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1. UBOOT的主要功能

UBOOT的主要任务是初始化硬件（如：串口，内存），然后将内核从Flash中读到RAM中，然后跳转到内核的入口点去运行，也就是启动操作系统。

UBOOT和BIOS的差异：PC机的引导程序由BIOS和位于硬盘MBR中的引导程序（GRUB或LILO）一起组成。BIOS在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘中的引导程序（GRUB/LILO）读到系统内存中然后将控制权交给引导程序。引导程序的组要任务是将内核从硬盘读到内存，然后跳转到内核的入口点去运行。

传统的个人电脑上面BIOS会有一个int19软件中断功能，在初始化完成后，BIOS会进入int19中断，寻找启动介质，如软盘，光盘，硬盘，flash或者网络等等，读取第一个扇区的内容到内存的0000:7C00处，跳入这个地址执行。这里int19就是一个bootloader，启动引导器。所以BIOS具有Boot Loader的功能。当然，目前的BIOS功能已经被扩充了很多，例如电源管理方面的ACPI接口，USB驱动，PXE网络引导功能，硬盘加密，TPM接口，BIOS配置界面，BIOS自动恢复等等。

2. 零地址跳转

下面介绍一下系统上电后如何跳转到程序执行的第一条指令。系统上电后，所有的处理器通常都从处理器制造商预先安排的地址开始执行。如X86处理器复位后一般在4G-8字节处，而ARM处理器一般是在0x00000000起开始执行。

3. UBOOT执行的2个stage

UBOOT的执行分为两个阶段，第一个阶段stage1主要使用汇编语言编写，第二个阶段stage2主要使用C语言编写。

UBOOT stage1阶段的主要任务：

1）系统复位转入UBOOT的stage1入口点

2）设置异常向量

3）设置CPU的速率、时钟频率及终端控制寄存器

4）初始化内存控制器

5）拷贝UB00T的stage2代码到RAM空间

6）设置堆栈、初始化数据段

UBOOT stage2阶段的主要任务：

1）跳转到stage2的C入口点

2）初始化Flash设备

3）初始化系统内存

4）初始化NAND、显示、网络设备等

5）将kernel和根文件系统从flash读到RAM中

6）设定内核启动参数并调用内核

4. UBOOT的CPU寻址空间映射图

4. UBOOT各目录结构介绍

Board目录

和开发板有关的文件。每一个开发板都以一个子目录出现在当前目录中，比如：SMDK2410，子目录中存放与开发板相关的文件，主要包含SDRAM、FLASH、网卡驱动等

Common目录

实现UBOOT支持的命令。

Cpu目录

与特定CPU架构相关的代码，每一款UBOOT下支持的CPU在该目录下对应一个子目录，比如有子目录arm920t等。每个子目录中都包括cpu.c、interrupt.c和start.S

Disk目录

对磁盘的支持。

Doc目录

UBOOT的说明文档。

Drivers目录

UBOOT支持的设备驱动程序都放在该目录，比如各种网卡、支持CFI的FLASH、串口、USB总线等。

Examples目录

可在UBOOT下运行的示例程序，如：hello_world.c、timer.c等。

Fs目录

文件系统的支持：如：cramfs、fat、fdos、jffs2、registers等。

Include目录

UBOOT使用的头文件，该目录下configs目录有与开发板相关的配置头文件，如smdk2410.h。该目录下的asm目录有与CPU体系结构相关的头文件。

Net目录

与网络协议栈相关的文件，如：bootp、nfs、tftp等协议的实现。

Post目录

上电自检文件目录

Tools目录

生成UBOOT的工具，如mkimage，crc等等。

UBOOT的stage1代码通常放在cpu/xxxx/start.S文件中，他用汇编语言写成。

UBOOT的stage2代码通常放在lib_xxxx/board.c文件中，他用c语音写成。

5. UBOOT的编译

设置好交叉编译环境，参见文档《1建立交叉编译环境》

make mini2440_config (mini2440_config在Makefile中有定义)

make

6. UBOOT启动kernel

这里以mini2440作为一个例子进行说明。

在mini2440中，由于u-boot.bin文件大小已经大于了0x40000，所以作者修改了ENV的OFFSET。现在的Nand分区是这样的：

uboot地址范围是0x0-0x60000，共384KB
uboot参数区地址范围是0x60000-0x80000，共128KB
kernel地址范围是0x80000-0x500000，共5MB

在include/configs/mini2440.h中有nand分区的定义：

而在友善之臂的Supervivi定义的bootloader是0x0-0x40000，params是0x40000-0x60000，kernel是0x60000-0x500000；（友善之臂附带的linux kernel定义的地址和bootloader一致）。

如果u-boot是用supervivi的k选项将linux kernel传到nand flash的。那么，Kernel的地址就会和u-boot中的params冲突，导致U-boot无法引导内核。

解决办法:

修改linux kernel中对Nand的分区定义，使其与u-boot保持一致。kernel的nand分区信息在arch/arm/mach-s3c2440/mach-mini2440.c中的名为friendly_arm_default_nand_part的结构体数组里。

如下图所示，为默认情况下，kernel中对Nand分区的定义：

根据U-boot的nand分区配置，我们需要将其修改为如下所示：

回到Kernel根目录，执行make zImage命令，会重新生成/arch/arm/boot/zImage。现在又有一个问题：uboot目前只能支持uImage启动，不支持zImage启动，因此我们需要使用mkimage工具把zImage转换为uImage；

我们可以通过两种方式获取到mkimage工具：

1. uboot源码根目录下的tools目录下

2. 执行以下命令安装apt-get install uboot-mkimage

uImage是在zImage之前加上一个长度为0x40字节（64字节）的头部，来说明zImage这个映像文件的映象名、映像类型、加载地址、入口地址、生成时间、大小等信息。换句话说，如果直接从uImage的0x40位置开始执行，zImage和uImage没有任何区别。U-boot引导内核是通过bootm完成的，bootm加载uImage的时候，会先对uImage进行解压（去掉0x40字节的头部），解压地址为内核入口地址（由mkimage的-e选项指定）。当解压完成时的uImage跟原zImage是完全相同的。