UBOOT 简介启动流程

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本文详细介绍了U-Boot作为Bootloader的工作原理，包括其目录结构、启动过程及命令实现等内容。U-Boot主要用于嵌入式系统中，负责初始化硬件设备、建立内存映射，为加载操作系统内核做准备。

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u-boot介绍：

u-boot是一种普遍用于嵌入式系统中的Bootloader,Bootloader是在操作系统运行之前执行的一小段程序，通过它，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射表，从而建立适当的软硬件环境，为最终调用操作系统内核做好准备。Boot Loader的主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到RAM中，然后跳转到内核的入口点去运行，即开始启动操作系统。系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的Boot Loader程序。

u-boot目录结构：

1、board中存放于开发板相关的配置文件，每一个开发板都以子文件夹的形式出现。
2、Commom文件夹实现u-boot行下支持的命令，每一个命令对应一个文件。
3、cpu中存放特定cpu架构相关的目录，每一款cpu架构都对应了一个子目录。
4、Doc是文档目录，有u-boot非常完善的文档。
5、Drivers中是u-boot支持的各种设备的驱动程序。
6、Fs是支持的文件系统，其中最常用的是JFFS2文件系统。
7、Include文件夹是u-boot使用的头文件，还有各种硬件平台支持的汇编文件，系统配置文件和文件系统支持的文件。
8、Net是与网络协议相关的代码，bootp协议、TFTP协议、NFS文件系统得实现。
9、Tooles是生成U-boot的工具。

其中比较重要的目录就是/board、/cpu、/drivers和 /include目录，如果想实现u-boot在一个平台上的移植，就要对这些目录进行深入的分析。

u-boot的启动过程：

系统启动的入口点。既然我们现在要分析u-boot的启动过程，就必须先找到u-boot最先实现的是哪些代码，最先完成的是哪些任务。另一方面一个可执行的image必须有一个入口点，并且只能有一个全局入口点，所以要通知编译器这个入口在哪里。由此我们可以找到程序的入口点是在/board /lpc2210/u-boot.lds中指定的，其中ENTRY(_start)说明程序从_start开始运行，而他指向的是cpu /arm7tdmi/start.o文件。因为我们用的是ARM7TDMI的cpu架构，在复位后从地址0x00000000取它的第一条指令，所以我们将Flash映射到这个地址上，这样在系统加电后，cpu将首先执行u-boot程序。

u-boot的启动过程是多阶段实现的，分了两个阶段：

第一阶段是用汇编写的，主要任务是：

1、CPU 自身初始化：包括MMU，Cache，时钟系统，SDRAM 控制器等的初始化
2、重定位：把自己从非易失性存储器搬移到 RAM 中
3、分配堆栈空间，设置堆栈指针
4、清零 BSS 数据段
5、跳转到第二阶段入口函数 start_armboot()

第二阶段是用C写的，主要任务是：

1、为 U-boot 内部私有数据分配存储空间，并清零
2、依次调用函数指针数组 init_sequence 中定义的函数进行一系列的初始化
3、如果系统支持 NOR Flash，调用flash_init ()和display_flash_config ()初始化并显示检测到的器件信息
4、如果系统支持 LCD 或VFD，调用lcd_setmem()或vfd_setmem()计算帧缓(Framebuffer）大小，然后在BSS 数据段之后为Framebuffer 分配空间,初始化gd->fb_base 为Framebuffer 的起始地址
5、调用 mem_malloc_init()进行存储分配系统（类似于C 语言中的堆）的初始化和空间分配
6、如果系统支持 NAND Flash，调用nand_init ()进行初始化
7、如果系统支持 DataFlash，调用AT91F_DataflashInit()和dataflash_print_info(）进行初始化并显示检测到的器件信息
8、调用 env_relocate ()进行环境变量的重定位，即从Flash 中搬移到RAM 中
9、如果系统支持 VFD，调用drv_vfd_init()进行VFD 设备初始化
10、从环境变量中读取 IP 地址和MAC 地址，初始化gd->bd-> bi_ip_addr 和gd->bd->bi_enetaddr
11、调用 jumptable_init ()进行跳转表初始化，跳转表在global_data 中，具体用途尚不清楚
12、调用 console_init_r()进行控制台初始化
13、如果需要，调用 misc_init_r ()进行杂项初始化
14、调用 enable_interrupts ()打开中断
15、如果需要，调用board_late_init()进行单板后期初始化，对于AT91SAM9260EK，主要是以太网初始化
16、进入主循环：根据用户的选择启动 linux，或者进入命令循环执行用户输入的命令

这部分是一些相对变化不大的部分，我们针对不同的板子改变它调用的一些初始化函数，并且通过设置一些宏定义来改变初始化的流程，所以这些代码在移植的过程中并不需要修改，也是错误相对较少出现的文件。在文件的开始先是定义了一个函数指针数组，通过这个数组，程序通过一个循环来按顺序进行常规的初始化，并在其后通过一些宏定义来初始化一些特定的设备。在最后程序进入一个循环，main_loop。这个循环接收用户输入的命令，以设置参数或者进行启动引导。

U-Boot启动过程

（国嵌）

开发板上电后，执行U-Boot的第一条指令，然后顺序执行U-Boot启动函数。看一下board/smdk2410/u-boot.lds这个链接脚本，可以知道目标程序的各部分链接顺序。第一个要链接的是cpu/arm920t/start.o，那么U-Boot的入口指令一定位于这个程序中。下面分两阶段介绍启动流程：

第一阶段

1．cpu/arm920t/start.S

这个汇编程序是U-Boot的入口程序，开头就是复位向量的代码。

_start: b reset //复位向量

ldr pc, _undefined_instruction

ldr pc, _software_interrupt

ldr pc, _prefetch_abort

ldr pc, _data_abort

ldr pc, _not_used

ldr pc, _irq //中断向量

ldr pc, _fiq //中断向量

…

/* the actual reset code */

reset: //复位启动子程序

/* 设置CPU为SVC32模式 */

mrs r0,cpsr

bic r0,r0,#0x1f

orr r0,r0,#0xd3

msr cpsr,r0

/* 关闭看门狗 */

…… ……

relocate: /* 把U-Boot重新定位到RAM */

adr r0, _start /* r0是代码的当前位置 */

ldr r1, _TEXT_BASE /*_TEXT_BASE是RAM中的地址 */

cmp r0, r1 /* 比较r0和r1，判断当前是从Flash启动，还是RAM */

beq stack_setup /* 如果r0等于r1，跳过重定位代码 */

/* 准备重新定位代码 */

ldr r2, _armboot_start

ldr r3, _bss_start

sub r2, r3, r2 /* r2 得到armboot的大小 */

add r2, r0, r2 /* r2 得到要复制代码的末尾地址 */

copy_loop: /* 重新定位代码 */

ldmia r0!, {r3-r10} /*从源地址[r0]复制 */

stmia r1!, {r3-r10} /* 复制到目的地址[r1] */

cmp r0, r2 /* 复制数据块直到源数据末尾地址[r2] */

ble copy_loop

/* 初始化堆栈等 */

stack_setup:

ldr r0, _TEXT_BASE /* 上面是128 KiB重定位的u-boot */

sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* 向下是内存分配空间 */

sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* 然后是bdinfo结构体地址空间 */

#ifdef CONFIG_USE_IRQ

sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)

#endif

sub sp, r0, #12 /* 为abort-stack预留3个字 */

clear_bss:

ldr r0, _bss_start /* 找到bss段起始地址 */

ldr r1, _bss_end /* bss段末尾地址 */

mov r2, #0x00000000 /* 清零 */

clbss_l:str r2, [r0]

/* bss段地址空间清零循环... */

add r0, r0, #4

cmp r0, r1

bne clbss_l

/* 跳转到start_armboot函数入口，_start_armboot字保存函数入口指针 */

ldr pc, _start_armboot

_start_armboot: .word start_armboot //start_armboot函数在lib_arm/board.c中实现

第二阶段

2．lib_arm/board.c

start_armboot是U-Boot执行的第一个C语言函数，完成系统初始化工作，进入主循环，处理用户输入的命令。

3．init_sequence[]

init_sequence[]数组保存着基本的初始化函数指针。

init_fnc_t *init_sequence[] = {

cpu_init, /* 基本的处理器相关配置 -- cpu/arm920t/cpu.c */

board_init, /* 基本的板级相关配置 -- board/smdk2410/smdk2410.c */

interrupt_init, /* 初始化中断处理 -- cpu/arm920t/s3c24x0/interrupt.c */

env_init, /* 初始化环境变量 -- common/cmd_flash.c */

init_baudrate, /* 初始化波特率设置 -- lib_arm/board.c */

serial_init, /* 串口通讯设置 -- cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c */

console_init_f, /* 控制台初始化阶段1 -- common/console.c */

display_banner, /* 打印u-boot信息 -- lib_arm/board.c */

dram_init, /* 配置可用的RAM -- board/smdk2410/smdk2410.c */

display_dram_config, /* 显示RAM的配置大小 -- lib_arm/board.c */

NULL,

};

void start_armboot (void)

{

/* 顺序执行init_sequence数组中的初始化函数 */

for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {

if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {

hang ();

}

/*配置可用的Flash */

size = flash_init ();

display_flash_config (size);

/* _armboot_start 在u-boot.lds链接脚本中定义 */

mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);

/* 配置环境变量*/

env_relocate ();

/* 从环境变量中获取IP地址 */

gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");

/* 以太网接口MAC 地址 */

……

devices_init (); /* 获取列表中的设备 */

jumptable_init ();

console_init_r (); /* 完整地初始化控制台设备 */

enable_interrupts (); /* 使能中断处理 */

/* 通过环境变量初始化 */

if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {

load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);

}

/* main_loop()循环不断执行 */

for (;;)

{

main_loop (); /* 主循环函数处理执行用户命令 -- common/main.c */

}

命令实现

U-Boot作为Bootloader，具备多种引导内核启动的方式。常用的go和bootm命令可以直接引导内核映像启动。U-Boot与内核的关系主要是内核启动过程中参数的传递。

1．go命令的实现

/* common/cmd_boot.c */

int do_go (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])

{

ulong addr, rc;

int rcode = 0;

if (argc < 2) {

printf ("Usage:\n%s\n", cmdtp->usage);

return 1;

}

addr = simple_strtoul(argv[1], NULL, 16);

printf ("## Starting application at 0x%08lX ...\n", addr);

rc = ((ulong (*)(int, char []))addr) (--argc, &argv[1]); /* 运行程序 */

if (rc != 0) rcode = 1;

printf ("## Application terminated, rc = 0x%lX\n", rc); /*如果是运行linux，这条指令是否能运行？*/

return rcode;

}

go命令调用do_go()函数，跳转到某个地址执行的。如果在这个地址准备好了自引导的内核映像，就可以启动了。尽管go命令可以带变参，实际使用时不用来传递参数。

2．bootm命令的实现

/* common/cmd_bootm.c */

int do_bootm (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])

{

…… ……

/* 检查头部 */

if (crc32 (0, (uchar *)data, len) != checksum) {

puts ("Bad Header Checksum\n");

SHOW_BOOT_PROGRESS (-2);

return 1;

}

…… ……

/*解压缩*/

switch (hdr->ih_comp) {

case IH_COMP_NONE:

if(ntohl(hdr->ih_load) == addr) {

printf (" XIP %s ... ", name);

} else {

#if defined(CONFIG_HW_WATCHDOG) || defined(CONFIG_WATCHDOG)

size_t l = len;

void *to = (void *)ntohl(hdr->ih_load);

void *from = (void *)data;

printf (" Loading %s ... ", name);

while (l > 0) {

size_t tail = (l > CHUNKSZ) ? CHUNKSZ : l;

WATCHDOG_RESET();

memmove (to, from, tail);

to += tail;

from += tail;

l -= tail;

}

#else /* !(CONFIG_HW_WATCHDOG || CONFIG_WATCHDOG) */

memmove ((void *) ntohl(hdr->ih_load), (uchar *)data, len);

#endif /* CONFIG_HW_WATCHDOG || CONFIG_WATCHDOG */

}

break;

case IH_COMP_GZIP:

printf (" Uncompressing %s ... ", name);

if (gunzip ((void *)ntohl(hdr->ih_load), unc_len,

(uchar *)data, &len) != 0) {

puts ("GUNZIP ERROR - must RESET board to recover\n");

SHOW_BOOT_PROGRESS (-6);

do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);

}

break;

#ifdef CONFIG_BZIP2

case IH_COMP_BZIP2:

printf (" Uncompressing %s ... ", name);

* If we've got less than 4 MB of malloc() space,

* use slower decompression algorithm which requires

* at most 2300 KB of memory.

i = BZ2_bzBuffToBuffDecompress ((char*)ntohl(hdr->ih_load),

&unc_len, (char *)data, len,

CFG_MALLOC_LEN < (4096 * 1024), 0);

if (i != BZ_OK) {

printf ("BUNZIP2 ERROR %d - must RESET board to recover\n", i);

SHOW_BOOT_PROGRESS (-6);

udelay(100000);

do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);

}

break;

#endif /* CONFIG_BZIP2 */

default:

if (iflag)

enable_interrupts();

printf ("Unimplemented compression type %d\n", hdr->ih_comp);

SHOW_BOOT_PROGRESS (-7);

return 1;

}

…… …… ……

switch (hdr->ih_os) {

default: /* handled by (original) Linux case */

case IH_OS_LINUX:

do_bootm_linux (cmdtp, flag, argc, argv,

addr, len_ptr, verify);

break;

case IH_OS_NETBSD:

do_bootm_netbsd (cmdtp, flag, argc, argv,

addr, len_ptr, verify);

break;

case IH_OS_RTEMS:

do_bootm_rtems (cmdtp, flag, argc, argv,

addr, len_ptr, verify);

break;

case IH_OS_VXWORKS:

do_bootm_vxworks (cmdtp, flag, argc, argv,

addr, len_ptr, verify);

break;

case IH_OS_QNX:

do_bootm_qnxelf (cmdtp, flag, argc, argv,

addr, len_ptr, verify);

break;

}

bootm命令调用do_bootm函数。这个函数专门用来引导各种操作系统映像，可以支持引导Linux、vxWorks、QNX等操作系统。引导Linux的时候，调用do_bootm_linux()函数。

3．do_bootm_linux函数的实现

/* lib_arm/armlinux.c */

void do_bootm_linux (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[],

ulong addr, ulong *len_ptr, int verify)

{

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

… … … …

/* we assume that the kernel is in place */

printf ("\nStarting kernel ...\n\n");

… … … …

theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params); /*启动内核，传递启动参数*/

}

do_bootm_linux()函数是专门引导Linux映像的函数，它还可以处理ramdisk文件系统的映像。这里引导的内核映像和ramdisk映像，必须是U-Boot格式的。U-Boot格式的映像可以通过mkimage工具来转换，其中包含了U-Boot可以识别的符号。

UBOOT 简介 启动流程

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