Linux之u-boot启动流程

• Bootloader介绍

（一）为什么需要bootloader

       由于Linux内核不支持自启，因此我们需要一个引导程序来引导Linux内核启动，并且做一些前期准备，这个引导程序就是bootloader，但是由于每种开发板资源不同，而且cpu架构之间也有差别，因此一款bootloader程序不可能适用于所有的环境。但是经过大师们的努力，经过简单的配置改动，就能够实现引导很多操作系统，这款引导代码就是U-Boot。

       U-Boot的优点：

1. 源码开放；
2. 支持多种嵌入式系统操作内核（Linux、vxworks）；
3. 支持多种处理器系列（arm，x86）；
4. 灵活性和可靠性较高；
5. 高度灵活的功能设置，适合U-Boot调试、产品发布等；
6. 拥有丰富的设备驱动源码；
7. 较为丰富的开发调试文档以及强大的技术支持。

（二）bootloader的启动方式

       CPU在上电或者复位时，会从某个地址开始执行。ARM结构的CPU从0x0000000开始，通常这个开始地址处就存放了BL1+bootloader这样一上电就可以执行的代码（bootloader相当于BL2）。

       从开发和用户使用角度看，bootloader分为以下两种操作模式。

       自启动模式（Boot loading）：

       在这种模式中，bootloader从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程不需要用户介入，在产品发布以后，基本采用这种工作模式。

       交互模式（Downloading）：

       在这种模式下，开发人员可以使用各种命令通过串口或者网络从主机下载文件到RAM中，可以被bootloader写到目标机的固态存储介质中，或者直接进入系统的引导。

（三）常用bootloader

       由于各个开发板的差异以及CPU的不同，导致bootloader的种类也非常多，以下列出了Linux的开发源码的bootloader及其支持的结构：

开放源码的linux引导程序
Bootloader	Monitor	描述	X86	ARM	PowerPC
LILO	否	linux磁盘引导程序	是	否	否
GRUB	否	GNU的LILO替代程序	是	否	否
Loadlin	否	从DOS引导linux	是	否	否
ROLO	否	从ROM引导linux而不需要BIOS	是	否	否
Etherboot	否	通过以太网卡启动linux系统的固件	是	否	否
LinuxBIOS	否	完全替代BUIS的linux引导程序	是	否	否
BLOB	是	LART等硬件平台的引导程序	否	是	否
U-Boot	是	通用引导程序	是	是	是
RedBoot	是	基于eCos的引导程序	是	是	是
Vivi	是	Mizi公司针对SAMSUNG的ARM CPU设计的引导程序	否	是	否

 

• bootloader启动的两个阶段

U-Boot运行过程

1. 程序启动过程

（1）u-boot上电后执行的第一个文件是arch/arm/cpu/armv7/start.S，start.S文件准备好第二阶段运行环境。

（2）start.S执行完毕时会调用到arch/arm/lib/board.c中的board_init_r函数，这个函数会对flash、net、串口等进行初始化，并且最终进入死循环，如下：

for (;;) {              main_loop ();  //进入等待命令解析状态，直到启动内核后，u-boot就退出了。}

1. boot loader的两个阶段

Bootloader的启动过程可以分为单阶段（single Stage）、多阶段（Multi-stage）两种。通常多阶段的Bootloader能提供更为复杂的功能以及更好的可移植性。从固态存储设备上启动的Bootloader大多都是两阶段的启动过程。第一阶段使用汇编来实现，它完成一些依赖于CPU体系结构的初始化，并调用第二阶段的代码；第二阶段则通常使用C语言实现，这样可以实现更复杂的功能，而且代码会有更好的可读性和可移植性。

一般而言，这两个阶段完成的功能可以如下分类：

1. boot loader第一阶段的功能：
   • 硬件设备初始化
   • 为加载boot loader第二段代码准备RAM空间
   • 设置CPU的速度、时钟频率以及终端控制寄存器
   • 初始化内存控制器
   • 复制boot loader的第二段到RAM空间中
   • 设置栈
   • 跳转到boot loader第二阶段的c代码入口

在第一阶段的硬件初始化一般包括：关闭WATCHDOG、关中断、设置CPU速度和时钟频率、RAM初始化等。但是这些并不是必须的，比如S3C2410/S3C2440的开发板所使用的U-Bppt中，就将CPU速度和时钟频率的设置放在第二阶段。

1. Boot loader第二阶段功能
   • 初始化本阶段所需要用到的硬件设备；
   • 检测系统内存映射；
   • 将内核映像和根文件系统映像从flash读到ram空间；
   • 为内核设置启动参数；
   • 调用内核。

C语言代码部分arch/arm/lib/board.c中的board_init_f是C语言开始的函数，也是整个启动代码中Cyuy按的主函数，同时还是整个u-boot的主函数，该函数只需要完成如下操作：

• • 调用一系列的初始化函数；
  • 初始化flash设备；
  • 初始化系统内存分配函数；
  • 如果目标有NAND设备，则将其初始化；
  • 如果目标有显示设备，则初始化；
  • 初始化相关的网络设备，填写ip和mac地址；
  • 进入命令循环（即整个boot的工作循环），接收用户从串口输入的命令，然后执行命令

为了方便开发，至少要初始化一个串口以便程序员与Bootloader进行交互。

所谓检测内存映射，就是确定板上使用了多少内存、它们的地址空间是什么。由于嵌入式开发中Bootloader多是针对某一类板子进行编写，所以可以根据板子的情况直接设置，不需要考虑可以适用于各类情况的复杂算法。

FLASH上的内核映像有可能是经过压缩的，在读到RAM之后，还需要进行解压。当然对于有自解压功能的内核，不需要Bootloader来解压。

将根文件系统映像复制到RAM中，这不是必需的。这取决于是什么类型的根文件系统，以及内核访问它的方法。内核存放在适当的位置后，直接跳到它的入口点即可调用内核。

 

       U-Boot启动顺序流程图如下： 

       Stage1阶段，运行依赖于CPU体系架构的代码，这部分主要完成cpu从上电后的初始化过程，使用汇编语言编写，在对于u-boot是arch/arm/cpu/armv7/start.S

进入进行分析（每一个内核文件夹都有一个start.S文件，cpu上电首先从start.S运行）

 Stage2一般用C语言实现，因此可以实现较为复杂的功能，并且具有良好的可读性和可移植性。（可参考网址 http://blog.chinaunix.net/uid-23193900-id-3184107.html ）