Exynos4412 Uboot 移植（四）—— Uboot引导内核过程分析
2017-06-27 11:08
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bootloader 要想启动内核，可以直接跳到内核的第一个指令处，即内核的起始地址，这样便可以完成内核的启动工作了。但是要想启动内核还需要满足一些条件，如下所示：
1、cpu 寄存器设置
* R0 = 0
* R1 = 机器类型 id
* R2 = 启动参数在内存中的起始地址
2、cpu 模式
* 禁止所有中断
* 必须为SVC（超级用户）模式
3、Cache、MMU
* 关闭 MMU
* 指令Cache可以开启或者关闭
* 数据Cache必须关闭
4、设备
* DMA 设备应当停止工作
5、PC为内核的起始地址
这些需求都由 boot loader 实现，在常用的 uboot 中完成一系列的初始化后最后通过 bootm 命令加载 Linux 内核。bootm 向将内核映像从各种媒介中读出，存放在指定的位置；然后设置标记列表给内核传递参数；最后跳到内核的入口点去执行。
Uboot版本：u-boot-2013.01
一、bootm命令用法介绍如下：
在 common/cmd_bootm.c 中可以看到bootm 的定义：
可以看到 bootm 命令使调用了do_bootm 函数。
do_bootm 函数
在cmd_bootm.c 第586行可以看到do_bootm函数的定义（为方便阅读，对其中一些代码进行了删减，完整代码请阅读uboot源码）：
[cpp] view
plain copy
/*******************************************************************/
/* bootm - boot application image from image in memory */
/*******************************************************************/
int do_bootm(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
{
ulong iflag;
ulong load_end = 0;
int ret;
boot_os_fn *boot_fn;
if (bootm_start(cmdtp, flag, argc, argv))// 获取镜像信息
return 1;
iflag = disable_interrupts(); // 关闭中断
usb_stop();// 关闭usb设备
ret = bootm_load_os(images.os, &load_end, 1);//加载内核
lmb_reserve(&images.lmb, images.os.load, (load_end - images.os.load));
if (images.os.type == IH_TYPE_STANDALONE) {//如有需要，关闭内核的串口
if (iflag)
enable_interrupts();
/* This may return when 'autostart' is 'no' */
bootm_start_standalone(iflag, argc, argv);
return 0;
}
boot_fn = boot_os[images.os.os];//获取启动参数
arch_preboot_os();//启动前准备
boot_fn(0, argc, argv, &images);//启动，不再返回
#ifdef DEBUG
puts("\n## Control returned to monitor - resetting...\n");
#endif
do_reset(cmdtp, flag, argc, argv);
return 1;
}
该函数的实现分为 3 个部分：
a -- 首先通过 bootm_start 函数分析镜像的信息；
b -- 如果满足判定条件则进入 bootm_load_os 函数进行加载；
c -- 加载完成后就可以调用 boot_fn 开始启动。
1、bootm_start
在cmd_bootm.c 第193行可以看到bootm_start函数的定义, 主要作用是填充内核相关信息
[cpp] view
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static int bootm_start(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
{
void *os_hdr;
int ret;
memset((void *)&images, 0, sizeof(images));
images.verify = getenv_yesno("verify");//获取环境变量
boot_start_lmb(&images);
bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_BOOTM_START, "bootm_start");
/*获取镜像头，加载地址，长度 */
os_hdr = boot_get_kernel(cmdtp, flag, argc, argv,
&images, &images.os.image_start, &images.os.image_len);
if (images.os.image_len == 0) {
puts("ERROR: can't get kernel image!\n");
return 1;
}
/*获取镜像参数*/
switch (genimg_get_format(os_hdr)) {
case IMAGE_FORMAT_LEGACY:
images.os.type = image_get_type(os_hdr);//镜像类型
images.os.comp = image_get_comp(os_hdr);//压缩类型
images.os.os = image_get_os(os_hdr);//系统类型
images.os.end = image_get_image_end(os_hdr);//镜像结束地址
images.os.load = image_get_load(os_hdr);/加载地址
break;
/* 查询内核入口地址*/
if (images.legacy_hdr_valid) {
images.ep = image_get_ep(&images.legacy_hdr_os_copy);
} else {
puts("Could not find kernel entry point!\n");
return 1;
}
if (images.os.type == IH_TYPE_KERNEL_NOLOAD) {
images.os.load = images.os.image_start;
images.ep += images.os.load;
}
if (((images.os.type == IH_TYPE_KERNEL) ||
(images.os.type == IH_TYPE_KERNEL_NOLOAD) ||
(images.os.type == IH_TYPE_MULTI)) &&
(images.os.os == IH_OS_LINUX)) {
/* 查询是否存在虚拟磁盘 */
ret = boot_get_ramdisk(argc, argv, &images, IH_INITRD_ARCH,
&images.rd_start, &images.rd_end);
if (ret) {
puts("Ramdisk image is corrupt or invalid\n");
return 1;
}
#if defined(CONFIG_OF_LIBFDT)
/* 找到设备树，设备树是linux 3.XX版本特有的 */
ret = boot_get_fdt(flag, argc, argv, &images,
&images.ft_addr, &images.ft_len);
if (ret) {
puts("Could not find a valid device tree\n");
return 1;
}
set_working_fdt_addr(images.ft_addr);
#endif
}
images.os.start = (ulong)os_hdr;//赋值加载地址
images.state = BOOTM_STATE_START;//更新状态
return 0;
}
该函数主要进行镜像的有效性判定、校验、计算入口地址等操作，大部分工作通过 boot_get_kernel -> image_get_kernel 完成。
2、bootm_load_os
在cmd_bootm.c 第317行可以看到bootm_load_os函数的定义, 这个函数主要判断镜像是否需要解压，并且将镜像移动到加载地址：
[cpp] view
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static int bootm_load_os(image_info_t os, ulong *load_end, int boot_progress)
{
uint8_t comp = os.comp; /* 压缩格式 */
ulong load = os.load; /* 加载地址 */
ulong blob_start = os.start; /* 镜像起始地址 */
ulong blob_end = os.end; /* 镜像结束地址 */
ulong image_start = os.image_start; /* 镜像起始地址 */
ulong image_len = os.image_len; /* 镜像长度 */
uint unc_len = CONFIG_SYS_BOOTM_LEN; /* 镜像最大长度 */
const char *type_name = genimg_get_type_name (os.type); /* 镜像类型 */
switch (comp) { /* 选择解压格式 */
case IH_COMP_NONE: /* 镜像没有压缩过 */
if (load == blob_start) { /* 判断是否需要移动镜像 */
printf (" XIP %s ... ", type_name);
} else {
printf (" Loading %s ... ", type_name);
if (load != image_start) {
memmove_wd ((void *)load, (void *)image_start, image_len, CHUNKSZ);
}
}
*load_end = load + image_len;
puts("OK\n");
break;
case IH_COMP_GZIP: /* 镜像采用 gzip 解压 */
printf (" Uncompressing %s ... ", type_name);
if (gunzip ((void *)load, unc_len, (uchar *)image_start, &image_len) != 0) { /* 解压 */
puts ("GUNZIP: uncompress, out-of-mem or overwrite error "
"- must RESET board to recover\n");
return BOOTM_ERR_RESET;
}
*load_end = load + image_len;
break;
...
default:
printf ("Unimplemented compression type %d\n", comp);
return BOOTM_ERR_UNIMPLEMENTED;
}
puts ("OK\n");
debug (" kernel loaded at 0x%08lx, end = 0x%08lx\n", load, *load_end);
if ((load < blob_end) && (*load_end > blob_start)) {
debug ("images.os.start = 0x%lX, images.os.end = 0x%lx\n", blob_start, blob_end);
debug ("images.os.load = 0x%lx, load_end = 0x%lx\n", load, *load_end);
return BOOTM_ERR_OVERLAP;
}
return 0;
}
3、do_bootm_linux
在bootm_load_os 执行结束后，回到do_bootm 函数，调用boot_fn 运行linux 内核；
boot_os 为函数指针数组，在cmd_bootm.c 136行有定义
可以看出 boot_fn 函数指针指向的函数是位于 arch/arm/lib/bootm.c的 do_bootm_linux，这是内核启动前最后的一个函数，该函数主要完成启动参数的初始化，并将板子设定为满足内核启动的环境，代码如下：
可以看到 do_bootm_linux 实际调用的是 boot_jump_linux 函数。
4、boot_jump_linux
在arch/arm/lib/bootm.c 下第326行有定义
[cpp] view
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/* Subcommand: GO */
static void boot_jump_linux(bootm_headers_t *images)
{
unsigned long machid = gd->bd->bi_arch_number;//获取机器码
char *s;
void (*kernel_entry)(int zero, int arch, uint params);//内核入口函数
unsigned long r2;
kernel_entry = (void (*)(int, int, uint))images->ep;
s = getenv("machid");//从环境变量中获取机器码
if (s) {
strict_strtoul(s, 16, &machid);
printf("Using machid 0x%lx from environment\n", machid);
}
debug("## Transferring control to Linux (at address %08lx)" \
"...\n", (ulong) kernel_entry);
bootstage_mark(BOOTSTAGE_ID_RUN_OS);
announce_and_cleanup();
#ifdef CONFIG_OF_LIBFDT
if (images->ft_len)
r2 = (unsigned long)images->ft_addr;
else
#endif
r2 = gd->bd->bi_boot_params;//将启动参数地址赋给 r2
kernel_entry(0, machid, r2);
}
kernel_entry(0, machid, r2)
真正将控制权交给内核， 启动内核；
满足arm架构linux内核启动时的寄存器设置条件:第一个参数为0 ；第二个参数为板子id需与内核中的id匹配，第三个参数为启动参数地址 。
二、为内核设置启动参数
Uboot 也是通过标记列表向内核传递参数，标记在源代码中定义为tag,是一个结构体，在 arch/arm/include/asm/setup.h 中定义。
tag_header 结构体定义如下：
在一些内存标记、命令行标记的示例代码就是取自Uboot 中的 setup_memory_tags、setup_commandline_tag函数，他们都是在arch/arm/lib/bootm.c中定义。
[cpp] view
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#if defined(CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || \
defined(CONFIG_CMDLINE_TAG) || \
defined(CONFIG_INITRD_TAG) || \
defined(CONFIG_SERIAL_TAG) || \
defined(CONFIG_REVISION_TAG)
static void setup_start_tag (bd_t *bd)
{
params = (struct tag *)bd->bi_boot_params;
params->hdr.tag = ATAG_CORE;
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);
}
#endif
#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;//物理内存起始地址
params->u.mem.size = bd->bi_dram[i].size;//物理内存结束地址
params = tag_next (params);
}
}
#endif
#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
static void setup_commandline_tag(bd_t *bd, char *commandline)
{
char *p;
if (!commandline)
return;
/* eat leading white space */
for (p = commandline; *p == ' '; p++);
/* skip non-existent command lines so the kernel will still
* use its default command line.
*/
if (*p == '\0')
return;
params->hdr.tag = ATAG_CMDLINE;
params->hdr.size =
(sizeof (struct tag_header) + strlen (p) + 1 + 4) >> 2;
strcpy (params->u.cmdline.cmdline, p);
params = tag_next (params);
}
#endif
一般有 setup_memory_tags、setup_commandline_tag 这两个标记就可以了，在配置文件Include/configs/fs4412.h中定义：
1、cpu 寄存器设置
* R0 = 0
* R1 = 机器类型 id
* R2 = 启动参数在内存中的起始地址
2、cpu 模式
* 禁止所有中断
* 必须为SVC（超级用户）模式
3、Cache、MMU
* 关闭 MMU
* 指令Cache可以开启或者关闭
* 数据Cache必须关闭
4、设备
* DMA 设备应当停止工作
5、PC为内核的起始地址
这些需求都由 boot loader 实现，在常用的 uboot 中完成一系列的初始化后最后通过 bootm 命令加载 Linux 内核。bootm 向将内核映像从各种媒介中读出，存放在指定的位置；然后设置标记列表给内核传递参数；最后跳到内核的入口点去执行。
Uboot版本：u-boot-2013.01
一、bootm命令用法介绍如下：
在 common/cmd_bootm.c 中可以看到bootm 的定义：
可以看到 bootm 命令使调用了do_bootm 函数。
do_bootm 函数
在cmd_bootm.c 第586行可以看到do_bootm函数的定义（为方便阅读，对其中一些代码进行了删减，完整代码请阅读uboot源码）：
[cpp] view
plain copy
/*******************************************************************/
/* bootm - boot application image from image in memory */
/*******************************************************************/
int do_bootm(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
{
ulong iflag;
ulong load_end = 0;
int ret;
boot_os_fn *boot_fn;
if (bootm_start(cmdtp, flag, argc, argv))// 获取镜像信息
return 1;
iflag = disable_interrupts(); // 关闭中断
usb_stop();// 关闭usb设备
ret = bootm_load_os(images.os, &load_end, 1);//加载内核
lmb_reserve(&images.lmb, images.os.load, (load_end - images.os.load));
if (images.os.type == IH_TYPE_STANDALONE) {//如有需要，关闭内核的串口
if (iflag)
enable_interrupts();
/* This may return when 'autostart' is 'no' */
bootm_start_standalone(iflag, argc, argv);
return 0;
}
boot_fn = boot_os[images.os.os];//获取启动参数
arch_preboot_os();//启动前准备
boot_fn(0, argc, argv, &images);//启动，不再返回
#ifdef DEBUG
puts("\n## Control returned to monitor - resetting...\n");
#endif
do_reset(cmdtp, flag, argc, argv);
return 1;
}
该函数的实现分为 3 个部分：
a -- 首先通过 bootm_start 函数分析镜像的信息；
b -- 如果满足判定条件则进入 bootm_load_os 函数进行加载；
c -- 加载完成后就可以调用 boot_fn 开始启动。
1、bootm_start
在cmd_bootm.c 第193行可以看到bootm_start函数的定义, 主要作用是填充内核相关信息
[cpp] view
plain copy
static int bootm_start(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
{
void *os_hdr;
int ret;
memset((void *)&images, 0, sizeof(images));
images.verify = getenv_yesno("verify");//获取环境变量
boot_start_lmb(&images);
bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_BOOTM_START, "bootm_start");
/*获取镜像头，加载地址，长度 */
os_hdr = boot_get_kernel(cmdtp, flag, argc, argv,
&images, &images.os.image_start, &images.os.image_len);
if (images.os.image_len == 0) {
puts("ERROR: can't get kernel image!\n");
return 1;
}
/*获取镜像参数*/
switch (genimg_get_format(os_hdr)) {
case IMAGE_FORMAT_LEGACY:
images.os.type = image_get_type(os_hdr);//镜像类型
images.os.comp = image_get_comp(os_hdr);//压缩类型
images.os.os = image_get_os(os_hdr);//系统类型
images.os.end = image_get_image_end(os_hdr);//镜像结束地址
images.os.load = image_get_load(os_hdr);/加载地址
break;
/* 查询内核入口地址*/
if (images.legacy_hdr_valid) {
images.ep = image_get_ep(&images.legacy_hdr_os_copy);
} else {
puts("Could not find kernel entry point!\n");
return 1;
}
if (images.os.type == IH_TYPE_KERNEL_NOLOAD) {
images.os.load = images.os.image_start;
images.ep += images.os.load;
}
if (((images.os.type == IH_TYPE_KERNEL) ||
(images.os.type == IH_TYPE_KERNEL_NOLOAD) ||
(images.os.type == IH_TYPE_MULTI)) &&
(images.os.os == IH_OS_LINUX)) {
/* 查询是否存在虚拟磁盘 */
ret = boot_get_ramdisk(argc, argv, &images, IH_INITRD_ARCH,
&images.rd_start, &images.rd_end);
if (ret) {
puts("Ramdisk image is corrupt or invalid\n");
return 1;
}
#if defined(CONFIG_OF_LIBFDT)
/* 找到设备树，设备树是linux 3.XX版本特有的 */
ret = boot_get_fdt(flag, argc, argv, &images,
&images.ft_addr, &images.ft_len);
if (ret) {
puts("Could not find a valid device tree\n");
return 1;
}
set_working_fdt_addr(images.ft_addr);
#endif
}
images.os.start = (ulong)os_hdr;//赋值加载地址
images.state = BOOTM_STATE_START;//更新状态
return 0;
}
该函数主要进行镜像的有效性判定、校验、计算入口地址等操作，大部分工作通过 boot_get_kernel -> image_get_kernel 完成。
2、bootm_load_os
在cmd_bootm.c 第317行可以看到bootm_load_os函数的定义, 这个函数主要判断镜像是否需要解压，并且将镜像移动到加载地址：
[cpp] view
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static int bootm_load_os(image_info_t os, ulong *load_end, int boot_progress)
{
uint8_t comp = os.comp; /* 压缩格式 */
ulong load = os.load; /* 加载地址 */
ulong blob_start = os.start; /* 镜像起始地址 */
ulong blob_end = os.end; /* 镜像结束地址 */
ulong image_start = os.image_start; /* 镜像起始地址 */
ulong image_len = os.image_len; /* 镜像长度 */
uint unc_len = CONFIG_SYS_BOOTM_LEN; /* 镜像最大长度 */
const char *type_name = genimg_get_type_name (os.type); /* 镜像类型 */
switch (comp) { /* 选择解压格式 */
case IH_COMP_NONE: /* 镜像没有压缩过 */
if (load == blob_start) { /* 判断是否需要移动镜像 */
printf (" XIP %s ... ", type_name);
} else {
printf (" Loading %s ... ", type_name);
if (load != image_start) {
memmove_wd ((void *)load, (void *)image_start, image_len, CHUNKSZ);
}
}
*load_end = load + image_len;
puts("OK\n");
break;
case IH_COMP_GZIP: /* 镜像采用 gzip 解压 */
printf (" Uncompressing %s ... ", type_name);
if (gunzip ((void *)load, unc_len, (uchar *)image_start, &image_len) != 0) { /* 解压 */
puts ("GUNZIP: uncompress, out-of-mem or overwrite error "
"- must RESET board to recover\n");
return BOOTM_ERR_RESET;
}
*load_end = load + image_len;
break;
...
default:
printf ("Unimplemented compression type %d\n", comp);
return BOOTM_ERR_UNIMPLEMENTED;
}
puts ("OK\n");
debug (" kernel loaded at 0x%08lx, end = 0x%08lx\n", load, *load_end);
if ((load < blob_end) && (*load_end > blob_start)) {
debug ("images.os.start = 0x%lX, images.os.end = 0x%lx\n", blob_start, blob_end);
debug ("images.os.load = 0x%lx, load_end = 0x%lx\n", load, *load_end);
return BOOTM_ERR_OVERLAP;
}
return 0;
}
3、do_bootm_linux
在bootm_load_os 执行结束后，回到do_bootm 函数，调用boot_fn 运行linux 内核；
boot_os 为函数指针数组，在cmd_bootm.c 136行有定义
可以看出 boot_fn 函数指针指向的函数是位于 arch/arm/lib/bootm.c的 do_bootm_linux，这是内核启动前最后的一个函数，该函数主要完成启动参数的初始化，并将板子设定为满足内核启动的环境，代码如下：
可以看到 do_bootm_linux 实际调用的是 boot_jump_linux 函数。
4、boot_jump_linux
在arch/arm/lib/bootm.c 下第326行有定义
[cpp] view
plain copy
/* Subcommand: GO */
static void boot_jump_linux(bootm_headers_t *images)
{
unsigned long machid = gd->bd->bi_arch_number;//获取机器码
char *s;
void (*kernel_entry)(int zero, int arch, uint params);//内核入口函数
unsigned long r2;
kernel_entry = (void (*)(int, int, uint))images->ep;
s = getenv("machid");//从环境变量中获取机器码
if (s) {
strict_strtoul(s, 16, &machid);
printf("Using machid 0x%lx from environment\n", machid);
}
debug("## Transferring control to Linux (at address %08lx)" \
"...\n", (ulong) kernel_entry);
bootstage_mark(BOOTSTAGE_ID_RUN_OS);
announce_and_cleanup();
#ifdef CONFIG_OF_LIBFDT
if (images->ft_len)
r2 = (unsigned long)images->ft_addr;
else
#endif
r2 = gd->bd->bi_boot_params;//将启动参数地址赋给 r2
kernel_entry(0, machid, r2);
}
kernel_entry(0, machid, r2)
真正将控制权交给内核， 启动内核；
满足arm架构linux内核启动时的寄存器设置条件:第一个参数为0 ；第二个参数为板子id需与内核中的id匹配，第三个参数为启动参数地址 。
二、为内核设置启动参数
Uboot 也是通过标记列表向内核传递参数，标记在源代码中定义为tag,是一个结构体，在 arch/arm/include/asm/setup.h 中定义。
tag_header 结构体定义如下：
在一些内存标记、命令行标记的示例代码就是取自Uboot 中的 setup_memory_tags、setup_commandline_tag函数，他们都是在arch/arm/lib/bootm.c中定义。
[cpp] view
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#if defined(CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || \
defined(CONFIG_CMDLINE_TAG) || \
defined(CONFIG_INITRD_TAG) || \
defined(CONFIG_SERIAL_TAG) || \
defined(CONFIG_REVISION_TAG)
static void setup_start_tag (bd_t *bd)
{
params = (struct tag *)bd->bi_boot_params;
params->hdr.tag = ATAG_CORE;
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);
}
#endif
#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;//物理内存起始地址
params->u.mem.size = bd->bi_dram[i].size;//物理内存结束地址
params = tag_next (params);
}
}
#endif
#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
static void setup_commandline_tag(bd_t *bd, char *commandline)
{
char *p;
if (!commandline)
return;
/* eat leading white space */
for (p = commandline; *p == ' '; p++);
/* skip non-existent command lines so the kernel will still
* use its default command line.
*/
if (*p == '\0')
return;
params->hdr.tag = ATAG_CMDLINE;
params->hdr.size =
(sizeof (struct tag_header) + strlen (p) + 1 + 4) >> 2;
strcpy (params->u.cmdline.cmdline, p);
params = tag_next (params);
}
#endif
一般有 setup_memory_tags、setup_commandline_tag 这两个标记就可以了，在配置文件Include/configs/fs4412.h中定义：
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