uboot分析：uboot啟動內核

（注：本文參考資料：朱有鵬嵌入式課程。本文為個人學習記錄，如有錯誤，歡迎指正。）

1. U-Boot啟動內核概述

• U-Boot啟動完成后，最終進入到main_loop()循環中。若在bootdelay倒計時為0之前，U-Boot控制台有輸入，則進入命令解析-執行的循環；若控制台無輸入，U-Boot將啟動內核。
• U-Boot啟動內核可歸結為以下四個步驟：  

                           1）將內核搬移至DDR中；

                           2）校驗內核格式、CRC；

                           3）准備傳參；

                           4）跳轉執行內核。

2. U-Boot啟動內核過程分析

2.1 將內核搬移至DDR中

• 在/uboot/lib_arm/board.c->start_armboot()函數調用/uboot/common/main.c->main_loop()函數，main_loop()函數中包含了內核的啟動代碼。

s = getenv ("bootcmd");        //獲取bootcmd環境變量的值
debug ("### main_loop: bootcmd=\"%s\"\n", s ? s : "<UNDEFINED>"); if (bootdelay >= 0 && s && !abortboot (bootdelay)) { ................................ #ifndef CFG_HUSH_PARSER 　　　　　　　run_command (s, 0);   //執行bootcmd環境變量中的命令
 ................................ }

• 環境變量bootcmd的值在開發板配置文件（/uboot/include/configs/x210_sd.h）中定義。

#if defined(CFG_FASTBOOT_NANDBSP)
#define CONFIG_BOOTCOMMAND    "nand read C0008000 600000 400000; nand read 30A00000 B00000 180000;  \ bootm C0008000 30A00000" #elif defined(CFG_FASTBOOT_SDMMCBSP)
#define CONFIG_BOOTCOMMAND    "movi read kernel C0008000; movi read rootfs 30A00000 180000; \ bootm C0008000 30A00000" #endif

• 環境變量bootcmd包含如下命令：

bootcmd=nand read C0008000 600000 400000;  /*將kernel（大小0x00400000字節）從nand中的0x00600000地址處拷貝到DDR中的 0xc0008000地址處*/ nand read 30A00000 B00000 180000; /*將rootfs（大小0x00180000字節）從nand中的0x00B00000地址處拷貝到DDR中的 0x30A08000地址處*/
bootm C0008000 30A00000 //啟動kernel、rootfs

• U-Boot能准確識別kernel、rootfs在NandFlash中的位置，是因為U-Boot中已對NandFlash進行分區。燒錄時，嚴格按照分區要求將uboot、kernel、rootfs燒錄進NandFlash中即可。

• 在U-Boot下執行mtd命令，即可查看各個分區的情況。

2.2 校驗內核格式、CRC

• 內核格式有兩類：zImage和uImage。
• 並不是所有U-Boot都支持zImage，是否支持就看其配置文件（x210_sd.h）中是否定義CONFIG_ZIMAGE_BOOT這個宏。所以有些uboot是支持zImage啟動的，有些則不支持。但是所有的uboot肯定都支持uImage啟動。

zImage	Linux內核經過編譯后生成一個ELF格式的可執行文件，vmlinux。再通過arm-linux-objcopy工具進行加工，最后進行壓縮，得到zImage格式的內核鏡像，可以燒錄進啟動介質中。
uImage	uImage是由zImage加工得到的。uboot中的mkimage工具將zImage加工生成uImage來給uboot啟動。這個加工過程其實就是在zImage前面加上64字節的uImage的頭信息即可。

• ulmage格式的內核頭部信息在/uboot/include/Image.h中定義。
• ih_load是加載地址，即內核在DDR中的地址（運行地址）；ih_ep是內核入口地址。

typedef struct image_header { uint32_t ih_magic; /* Image Header Magic Number */ uint32_t ih_hcrc; /* Image Header CRC Checksum */ uint32_t ih_time; /* Image Creation Timestamp */ uint32_t ih_size; /* Image Data Size */ uint32_t ih_load; /* Data Load Address */ uint32_t ih_ep; /* Entry Point Address */ uint32_t ih_dcrc; /* Image Data CRC Checksum */ uint8_t ih_os; /* Operating System */ uint8_t ih_arch; /* CPU architecture */ uint8_t ih_type; /* Image Type */ uint8_t ih_comp; /* Compression Type */ uint8_t ih_name[IH_NMLEN]; /* Image Name */ } image_header_t;

• 執行環境變量bootcmd中的命令"bootm  C0008000  30A00000"，實質是執行do_bootm()函數（/uboot/common/Cmd_bootm.c->do_bootm()）。
• do_bootm()函數在標號after_header_check之前，都是在校驗內核的頭部信息。根據頭部信息，判斷內核格式和進行CRC校驗。
• 實際上，從NandFlash中讀取的uImage可以放置在DDR中的任意位置，只要不破壞U-Boot占有的內存空間即可。因為do_bootm()函數內部從頭部獲取內核的加載地址，當發現該uImage當前所處的地址與加載地址不同時，會將內核搬移至加載地址中。一般情況下，都會將內核搬移至加載地址中，便不用使用do_bootm()函數來搬移內核，提高效率。
• do_bootm()函數將根據系統類型，啟動內核。此處將調用/uboot/lib_arm/Bootm.c/->do_bootm_linux ()函數啟動內核。

after_header_check: os = hdr->ih_os; #endif

switch (os) { default:    /* handled by (original) Linux case */

        case IH_OS_LINUX: #ifdef CONFIG_SILENT_CONSOLE fixup_silent_linux(); #endif do_bootm_linux (cmdtp, flag, argc, argv, &images); break; case IH_OS_NETBSD: do_bootm_netbsd (cmdtp, flag, argc, argv, &images); break; .........................................

 

2.3 准備傳參

• U-Boot中以標記鏈表（tagged list）形式來傳遞啟動參數。
• 標記是一種數據結構，標記鏈表就是挨着存放的多個標記。
• 標記有多種類型，在/uboot/include/asm-arm/Setup.h中定義。標記鏈表以ATAG_CORE開始，以標記ATAG_NONE結束，中間包含其他標記。

#define ATAG_CORE    0x54410001                    //起始標記
#define ATAG_NONE    0x00000000                    //結束標記
#define ATAG_MEM    0x54410002
#define ATAG_VIDEOTEXT    0x54410003
#define ATAG_RAMDISK    0x54410004
#define ATAG_INITRD    0x54410005
#define ATAG_INITRD2    0x54420005
#define ATAG_SERIAL    0x54410006
#define ATAG_REVISION    0x54410007
#define ATAG_VIDEOLFB    0x54410008
#define ATAG_CMDLINE    0x54410009
#define ATAG_ACORN    0x41000101
#define ATAG_MEMCLK    0x41000402
#define ATAG_MTDPART    0x41001099

• 標記的數據結構定義在/uboot/include/asm-arm/Setup.h中

struct tag_header { 　　u32 size; //表示標記的類型
　　u32 tag;      //表示標記的結構
}; struct tag { struct tag_header hdr; //不同的標記類型使用不同的聯合，每一個標記對應一個數據結構體 union { struct tag_core core; struct tag_mem32 mem; struct tag_videotext videotext; struct tag_ramdisk ramdisk; struct tag_initrd initrd; struct tag_serialnr serialnr; struct tag_revision revision; struct tag_videolfb videolfb; struct tag_cmdline cmdline; /* * Acorn specific */
                struct tag_acorn acorn; /* * DC21285 specific */
                struct tag_memclk memclk; struct tag_mtdpart mtdpart_info; } u; };

標記列表舉例：

static void setup_start_tag (bd_t *bd) { params = (struct tag *) bd->bi_boot_params; params->hdr.tag = ATAG_CORE;          //起始標記
params->hdr.size = tag_size (tag_core); params->u.core.flags = 0; params->u.core.pagesize = 0; params->u.core.rootdev = 0; params = tag_next (params); } #ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS static void setup_memory_tags (bd_t *bd) { int i; for (i = 0; i < CONFIG_NR_DRAM_BANKS; i++) { params->hdr.tag = ATAG_MEM; params->hdr.size = tag_size (tag_mem32); params->u.mem.start = bd->bi_dram[i].start; params->u.mem.size = bd->bi_dram[i].size; params = tag_next (params); } } #endif ..........................................................//中間還有多個標記

static void setup_end_tag (bd_t *bd) { params->hdr.tag = ATAG_NONE;   //結束標記
params->hdr.size = 0; }

• do_bootm_linux ()函數啟動內核前，先將U-Boot中的啟動參數傳給內核。

• 參數分析：

1）0 ： 相當於mov r0  #0。

2）machid : U-Boot中的機器碼，從全局變量bd中獲取。內核機器碼和U-Boot機器碼必須一致才能啟動內核。

3）bd->bi_boot_params ： 啟動參數地址。

void do_bootm_linux (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[], bootm_headers_t *images) { ..................................... //標記鏈表初始化
 setup_start_tag (bd); setup_serial_tag (&params); setup_revision_tag (&params); setup_memory_tags (bd); setup_commandline_tag (bd, commandline); setup_initrd_tag (bd, initrd_start, initrd_end); setup_videolfb_tag ((gd_t *) gd); setup_mtdpartition_tag(); setup_end_tag (bd); ....................................... void    (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);       //定義函數指針theKernel
 ...................................... theKernel = (void (*)(int, int, uint))ep;                             //將入口地址賦值給theKernel
 ...................................... theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params);                //傳參，調用theKernel
 ...................................... }

2.4 跳轉執行內核

• theKernel()函數執行成功后，內核將讀取啟動參數，並開始啟動。