u-boot 流程分析

u-boot 介绍:

　　对于计算机来说 , 从一开始上机通电是无法直接启动操作系统的 , 这中间需要一个引导过程 , 嵌入式Linux系统同样离不开引导程序 , 这个启动程序就叫启动加载程序(Bootloader) ,Bootloader 主要是进行一些基础必要硬件的初始化 (cpu_init ,memory_init , UART_init ...) , 为最终调用 kernel 作准备 .

　　对于嵌入式系统而言 , Bootloader 是基于特定的硬件平台实现的 . 因此 , 几乎不可能有一个Bootloader 能适用所有的嵌入式系统 , 不同的处理器架构都有不同的Bootloader , 不同的硬件也需要不同的Bootloader , Bootloader 不仅仅依赖CPU的体系架构 , 而且依赖嵌入式开发板设备的配置 , 也就是说 , 就算是应用相同cpu 体系架构的 两块开发版 , 要想让运行在一块板子上的 Bootloader 运行在另一块板子上 , 一般都需要修改Bootloader 的源程序 .

　　但是 , 大部分的Bootloader 他们都有相似之处 , 而且相同cpu体系架构的Bootloader 很多源代码都有相似之处 , 所以 , 就产生了u - boot , u - boot 能支持PowerPC , ARM , MIPS ,和 X86 等体系结构 , 支持的板子也多达上百种 , 我们通过自己的修改也可以使用自己的板子 .

　　

u-boot 源码结构:

　　u-boot 的 顶层目录下有30多个子目录 , 分别存放和管理不同的源程序 . 这些目录存放的文件也有其规则, 可以分为3类 .

　　1 . 第一类目录与处理器体系架构和开发板硬件直接相关 .

　　2 . 第二类目录是一些通用函数或驱动程序 .

　　3 . 第三类是u-boot的应用程序, 工具 , 文档 .

　　下面是相关目录的简介

　　board 　　 : 存放的开发板相关的目录 , 如 board/freescale 等目录.

　　cpu 　　　 : 存放的cpu相关的目录 , 如 cpu/arm_cortexa8 等目录.

　　lib_xxx　　 : 与体系架构相关的库文件 , 如与arm相关的库就存放在 lib_arm 目录当中 .

　　include 　　 : u-boot 使用的头文件 , 还有支持各种硬件平台的汇编文件 , 系统的相关配置文件和支持文件系统的文件 , 该目录下的configs 目录中有与开发板相关的配置文件 .

　　common 　　: 实现u-boot 命令行下的支持的命令 , 每一条命令都对应一个文件 , 例如bootm 命令对应的就是cmd_bootm.c

　　lib_generic　 : 通用库函数的实现 .

　　net 　　　　 : 与网络协议相关的代码 , BOOTP , TFTP , RARP , 和NFS文件系统的实现 .

　　fs 　　　　　 : 支持的文件系统 , 如 cramfs . fat . fdos . jffs2 和 registerfs.

　　drivers : u-boot 支持的设备驱动程序都放在该目录中 , 如串口驱动 , usb驱动 , 网卡驱动 .

　　disk 　　　　 : 对磁盘的支持.

　　doc 　　　　 : 文档目录 .

　　tools 　　　　: 生成u-boot 的工具 .

　　examples　　: 一些独立运行的运用程序的例子 .

u-boot 配置编译 :

　　u-boot 的源码是通过makefile 来整体编译的 , 顶层目录下的Makefile 完成对开发板的整体配置 , 然后递归调用各级子目录下的Makefile , 最后把所有编译过的程序链接成u-boot 的映像 , 下面以arm_cortexa8处理器的 mx6q_sabresd 为例 , 介绍u - boot 的配置编译方法 , 并简单的分析其原理 .

　　

　　1 . 基本的配置编译方法

　　配置编译u-boot 的方法十分简单 , 只需要在u-boot 顶层目录下执行如下两个命令.

　　# make <board_name>_config

　　# mkae

　　第一条命令为配置u-boot , 例如我们板子的的名字是mx6q_sabresd , 我们的命令就是 make mx6q_sabresd_config , 第二条命令是编译 , 一般我会在其后面加上 , make -j100 (请不要轻易尝试, 如果是处理器不是很好的情况下) .

　　

　　2 . 在编译完成后 , 我们会得到以下文件

　　　　a . 在make mx6q_sabresd_config 后 , 我们会执行顶层目录的Makefile , 并执行mx6q_sabresd_config 规则:

　　　　有如下代码　　　　　　

mx6solo_sabresd_config          \
mx6solo_sabresd_mfg_config      \
mx6solo_sabresd_android_config      \
mx6dl_sabresd_config            \
mx6dl_sabresd_mfg_config        \
mx6dl_sabresd_android_config            \
mx6q_sabresd_config         \
mx6q_sabresd_android_config             \
mx6q_sabresd_mfg_config         \
mx6q_sabresd_iram_config    : unconfig
@[ -z "$(findstring iram_,$@)" ] || \
{ echo "TEXT_BASE = 0x00907000" >$(obj)board/freescale/mx6q_sabresd/config.tmp ; \
echo "... with iram configuration" ; \
}
@$(MKCONFIG) $(@:_config=) arm arm_cortexa8 mx6q_sabresd freescale mx6

unconfig 这个规则其实就是将以前的生成的配置文件全删除掉：　（＠的作用就是不显示）

unconfig:
@rm -f $(obj)include/config.h $(obj)include/config.mk \
$(obj)board/*/config.tmp $(obj)board/*/*/config.tmp \
$(obj)include/autoconf.mk $(obj)include/autoconf.mk.dep

　　在这里，我们将调用$(MKCONFIG)

　　也就是：

MKCONFIG    := $(SRCTREE)/mkconfig

　　其实就是执行了　./mkconfig arm arm_cortexa8 mx6q_sabresd freescale mx6

　　就是顶层目录下的mkconfig 文件：

　　所以就有如下代码：　　　　　　　　　

#
# Create include file for Make
#
echo "ARCH   = $2" >  config.mk
echo "CPU    = $3" >> config.mk
echo "BOARD  = $4" >> config.mk

[ "$5" ] && [ "$5" != "NULL" ] && echo "VENDOR = $5" >> config.mk

[ "$6" ] && [ "$6" != "NULL" ] && echo "SOC    = $6" >> config.mk

#

　　我们会得到在 include/config.mk文件.

　　这个文件的内容是　　

ARCH   = arm
CPU     = arm_cortexa8
BOARD  = mx6q_sabresd
VENDOR = freescale
SOC    = mx6

　　根据上面的文件 , 我们可以得到在mx6q_sabresd 平台下 , 我们的相关目录如下

　　　　　　　　　　　　　　　　board/freescale/mx6q_sabresd/

　　　　　　　　　　　　　　　　cpu/arm_cortexa8/

　　　　　　　　　　　　　　　　cpu/arm_cortexa8/mx6/

　　　　　　　　　　　　　　　　lib_arm/

　　　　　　　　　　　　　　　　include/asm-arm/

　　　　　　　　　　　　　　　　include/configs/mx6q_sabresd.h

　　上面这几个目录 ,就是我们真个u-boot在 mx6q_sabresd 这个平台下的主线所在.

　　　　

　　下面将一下　make 命令的执行过程

　　首先说一下如果没有经过make mx6q_sabresd_config 会发生什么情况，

　　它会报一个：

　　System not configured - see README　　　的错误．

　　它生成的过程是这样的：

　　

ifeq ($(obj)include/config.mk,$(wildcard $(obj)include/config.mk))    /* 判断这几个文件是否存在 */
．．．．．．
all:
sinclude $(obj)include/autoconf.mk.dep
sinclude $(obj)include/autoconf.mk

．．．．．．

else    # !config.mk
all $(obj)u-boot.hex $(obj)u-boot.srec $(obj)u-boot.bin \
$(obj)u-boot.img $(obj)u-boot.dis $(obj)u-boot \
$(SUBDIRS) $(TIMESTAMP_FILE) $(VERSION_FILE) gdbtools updater env depend \
dep tags ctags etags cscope $(obj)System.map:
@echo "System not configured - see README" >&2
@ exit 1
endif   # config.mk

　　　　　　　

u-boot 启动流程分析

　　u-boot 的启动流程可以分为两个阶段 .

　　　　一 . 第一阶段 .

　　　　　1 . 硬件设备初始化 (cpu)

　　　　　2 . 加载u- boot 第二阶段代码到RAM空间

　　　　　3 . 设置栈 , 为跳转c code 作准备.

　　　　　4 . 跳转到第二阶段代码入口.

　　　　二 . 第二阶段　

　　　　　1 . 初始化本阶段使用的硬件设备 .

　　　　　2 . 为内核设置参数.

　　　　　3 .准备调用内核

在这里我忘了一个文件, 在顶层目录中的u-boot.lds

这是一个很重要的文件, 我么可以靠这个文件找到真正的入口

里面有内容:

. = 0x00000000;
. = ALIGN(4);
.text :
{
board/freescale/mx6q_sabresd/flash_header.o (.text.flasheader)
cpu/arm_cortexa8/start.o
board/freescale/mx6q_sabresd/libmx6q_sabresd.a (.text)
lib_arm/libarm.a (.text)
net/libnet.a (.text)
drivers/mtd/libmtd.a (.text)
drivers/mmc/libmmc.a (.text)
. = DEFINED(env_offset) ? env_offset : .;
common/env_embedded.o(.text)
*(.text)

可以看到我们的入口文件是在 board/freescale/mx6q_sabresd/flash_header.o (.text.flasheader)

参考: http://blog.csdn.net/kris_fei/article/details/50463018
这里面启动了rom 并跳转到了start.S

再介绍一个文件 , 在cpu/arm_cortexa8/u-boot.lds 文件中 , 该文件内容如下.

27 /*  指定输出可执行文件是32位的ARM指令,小端模式的ELF格式 */
28 OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
29 OUTPUT_ARCH(arm)        /*  指定可执行文件平台为ARM */
30 ENTRY(_start)           /*  指定程序的入口为_start  */
31 SECTIONS
32 {
33     . = 0x00000000;     /*  指明目标代码的起始代码地址为0x0位置开始,"."代表>    当前位置    */
34
35     . = ALIGN(4);       /*  表示此处4字节对其       */
36     .text   :
37     {
38         cpu/arm_cortexa8/start.o    (.text)     /*  表示start.o是代码段的第>    一个.o文件  */
39         *(.text)        /*  表示这是代码段的其余部分    */
40     }
41
42     . = ALIGN(4);
43     .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }   /* 这是只读段数据  */
43     .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }   /* 这是只读段数据  */
44
45     . = ALIGN(4);
46     .data : { *(.data) }    /*  这表示数据段  */
47
48     . = ALIGN(4);
49     .got : { *(.got) }
50
51     __u_boot_cmd_start = .;
52     .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
53     __u_boot_cmd_end = .;
54
55     . = ALIGN(4);
56     __bss_start = .;
57     .bss : { *(.bss) }
58     _end = .;
59 }

如上注释 , 第28行 , 指定输出可执行文件是32位的ARM指令,小端模式的ELF格式.

　　　　　第29行 , 指定指定可执行文件平台为ARM.

　　　　　第30行 , 指定程序的入口为_start .

　　　　　第33行 , 指明目标代码的起始代码地址为0x0位置开始,"."代表> 当前位置

　　　　　第38行 , 表示start.o是代码段的第> 一个.o文件 .

　　　　　从而得出 , 我们的入口文件是 cpu/arm_cortexa8/start.o , 因此 ,u-boot 的入口代码是对应源文件cpu/arm_cortexa8/start.S

cpu/arm_cortexa8/start.S 源码分析:

一开始:　　　　　　

.globl _start
_start: b   reset
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq
ldr pc, _fiq

_undefined_instruction: .word undefined_instruction
_software_interrupt:    .word software_interrupt
_prefetch_abort:    .word prefetch_abort
_data_abort:        .word data_abort
_not_used:      .word not_used
_irq:           .word irq
_fiq:           .word fiq
_pad:           .word 0x12345678 /* now 16*4=64 */
.global _end_vect

这一段代码其实从一开始的 跳转到 reset 函数 , 但是 , 这段代码设置了一个异常向量表 , 意思就是cpu 如果执行了异常的指令就会直接跳到这里 , 比如说除于0这种代码 .

在37行直接跳到 reset 函数

　　一开始 , u-boot 便把 cpu 设置为SVC模式(管理模式)

reset:
/*
* set the cpu to SVC32 mode
*/
mrs r0, cpsr
bic r0, r0, #0x1f
orr r0, r0, #0xd3
msr cpsr,r0

跳到低水平的cpu_init :

bl  cpu_init_crit      //到里边看看

bl 指令是会回来的:

/*************************************************************************
*
* CPU_init_critical registers
*
* setup important registers
* setup memory timing
*  @cpu 最开始的初始化
*************************************************************************/
cpu_init_crit:
/*
* Invalidate L1 I/D
*/
mov r0, #0          @ set up for MCR
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0   @ invalidate TLBs
mcr p15, 0, r0, c7, c5, 0   @ invalidate icache

/*
* disable MMU stuff and caches //关闭mmu以及caches高速缓存器
*/
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
bic r0, r0, #0x00002000 @ clear bits 13 (--V-)
bic r0, r0, #0x00000007 @ clear bits 2:0 (-CAM)
orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 1 (--A-) Align
orr r0, r0, #0x00000800 @ set bit 12 (Z---) BTB
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0

/*
* Jump to board specific initialization...
* The Mask ROM will have already initialized
* basic memory. Go here to bump up clock rate and handle
* wake up conditions.
*/
mov ip, lr          @ persevere link reg across call
bl  lowlevel_init       @ go setup pll,mux,memory  //跳到低水平的初始化
mov lr, ip          @ restore link
mov pc, lr          @ back to my caller

在34行 , 我们又跳入lowlevel_init

　　

.globl lowlevel_init
lowlevel_init:

inv_dcache                           /*invalidate the D-CACHE */

init_l2cc                            /* disable L2Cache */

init_aips                            /* APIS  setup  */

init_clock                          /*初始化时钟*/

mov pc, lr

跳回start.S　　

过后直接设置栈 　　

/* Set up the stack */
stack_setup:
ldr r0, _TEXT_BASE      @ upper 128 KiB: relocated uboot
sub r0, r0, #CONFIG_SYS_MALLOC_LEN @ malloc area
sub r0, r0, #CONFIG_SYS_GBL_DATA_SIZE @ bdinfo
#ifdef CONFIG_USE_IRQ            /* 跳过  */
sub r0, r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ + CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
#endif
sub sp, r0, #12     @ leave 3 words for abort-stack
and sp, sp, #~7     @ 8 byte alinged for (ldr/str)d

　　　清除bss段

clear_bss:
ldr r0, _bss_start      @ find start of bss segment
ldr r1, _bss_end        @ stop here
mov r2, #0x00000000     @ clear value
clbss_l:
str r2, [r0]        @ clear BSS location
cmp r0, r1          @ are we at the end yet
add r0, r0, #4      @ increment clear index pointer
bne clbss_l         @ keep clearing till at end

　　　最后就便是跳到c 语言代码　　

ldr pc, _start_armboot  @ jump to C code

_start_armboot: .word start_armboot   @跳入c语言代码,lib_arm/board.c

lib_arm/board.c 源码分析:

　　　　首先介绍两个重要的结构体以及一个重要的数组.

gd_t 结构体 , 该结构体是用来储存全局数据区的数据 , 这个结构体在 include/asm-arm/global_data.h 中定义如下

/*
* The following data structure is placed in some memory wich is
* available very early after boot (like DPRAM on MPC8xx/MPC82xx, or
* some locked parts of the data cache) to allow for a minimum set of
* global variables during system initialization (until we have set
* up the memory controller so that we can use RAM).
*
* Keep it *SMALL* and remember to set CONFIG_SYS_GBL_DATA_SIZE > sizeof(gd_t)
*/

typedef struct  global_data {
bd_t        *bd;
unsigned long   flags;
unsigned long   baudrate;
unsigned long   have_console;   /* serial_init() was called */     (被serial_init() 调用)
unsigned long   reloc_off;  /* Relocation Offset */
unsigned long   env_addr;   /* Address  of Environment struct */
unsigned long   env_valid;  /* Checksum of Environment valid? */
unsigned long   fb_base;    /* base address of frame buffer */
void        **jt;       /* jump table */
} gd_t;

bd_t 结构体用于存放板级相关的全局数据 , 是gd_t 结构体指针成员 bd 的结构体类型 , 在 include/asm-arm/u-boot.h中定义如下:

typedef struct bd_info {
int         bi_baudrate;    /* serial console baudrate */        /*串口波特率*/
unsigned long   bi_ip_addr; /* IP Address */
struct environment_s           *bi_env;
ulong           bi_arch_number; /* unique id for this board */     /*开发板机器码*/
ulong           bi_boot_params; /* where this board expects params */  /*内核参数开始地址*/
struct              /* RAM configuration */                 /*内存配置信息结构体*/
{
ulong start;
ulong size;
}           bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS];
} bd_t;

init_sequence 数组:

//一系列的初始化
init_fnc_t *init_sequence[] = {
#if defined(CONFIG_ARCH_CPU_INIT)
arch_cpu_init,      /* basic arch cpu dependent setup   */
#endif
board_init,     /* basic board dependent setup */
#if defined(CONFIG_USE_IRQ)
interrupt_init,     /* set up exceptions */   //不进入
#endif
timer_init,     /* initialize timer */  //初始化定时器
env_init,       /* initialize environment */
init_baudrate,      /* initialze baudrate settings, 波特率由用户自己设定 */
serial_init,        /* serial communications setup */
console_init_f,     /* stage 1 init of console */
display_banner,     /* say that we are here */
#if defined(CONFIG_DISPLAY_CPUINFO)
print_cpuinfo,      /* display cpu info (and speed) */
#endif
#if defined(CONFIG_DISPLAY_BOARDINFO)
checkboard,     /* display board info */
#endif
#if defined(CONFIG_HARD_I2C) || defined(CONFIG_SOFT_I2C)
init_func_i2c,
#endif
dram_init,      /* configure available RAM banks */
#if defined(CONFIG_CMD_PCI) || defined (CONFIG_PCI)
arm_pci_init,
#endif
display_dram_config,
NULL,
};

下面介绍start_armboot 这段代码的流程 :

首先直接进行一系列的初始化:

//这个是个小关键,这里面会运行一系列的初始化           ,就是上面那个数组内一个个函数的运行 , 有时间我会将一个个函数详细的讲解
for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
hang ();
}
}

上面这段代码 , 会直接运行init_sequence 数组内的每一个函数, cpu , 时钟 , 串口 , 控制台 , 等一系列初始化.

//标准输入输出初始化
stdio_init ();  /* get the devices list going. */

jumptable_init ();      /* jump table init (chen) */

console_init_r ();  /* fully init console as a device */
/* 对所有的控制台进行初始化并打印信息,主要是标准输入输出以及错误输出*/

/* enable exceptions */
enable_interrupts ();       /*配置寄存器使中断使能  */

board_late_init ();     /* mainly do one thing,setup i2c  (chen) */

/* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again. */
//最后的函数
for (;;) {
main_loop ();
}

今天由于时间关系 , 只能暂时写到这里 . 之后我会将该流程详细的讲解.