Uboot启动过程详解

Posted 2021-08-30 Jocelin47

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Uboot启动过程详解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

uboot就是将start.o和大量的built-in.o链接在一起。

built-in.o好像是把所有子目录下的.o文件进行链接到一起。

链接脚本为u-boot.lds ，uboot链接首地址为0x87800000，裸机的时候也是-Ttest 来执行链接首地址

查找一下这个链接的地址

grep -nR "87800000"

在mx6_common.h文件中设置

通过uboot-lds可以看到入口地址为_start

1)设置CPU为管理模式
2)关看门狗
3)关中断
4)设置时钟频率
5)关mmu,初始化各个bank

6)进入board_init_f()函数

初始化DDR,定时器，初始化波特率串口，打印前面暂存在缓冲区的数据此时sp和gd是存放在DDR上了。而不是内部的RAM。

uboot会将自己重定位到 DRAM最后面的地址区域，也就是将自己拷贝到 DRAM最后面的内存区域中。这么做的目的是给Linux腾出空间，防止 Linux kernel覆盖掉 uboot，将 DRAM前面的区域完整的空出来。在拷贝之前肯定要给uboot各部分分配好内存位置和大小，比如 gd应该存放到哪个位置，malloc内存池应该存放到哪个位置等等。这些信息都保存在gd的成员变量中，因此要对 gd的这些成员变量做初始化。最终形成一个完整的内存“分配图”，在后面重定位uboot的时候就会用到这个内存“分配图”。

(7)重定位

relocate_code代码重定位函数，负责将uboot拷贝到新的地方，完成代码拷贝。

8)清bss
9)跳转到board_init_r()函数,启动流程结束。

前面board_init_f函数里面会调用一系列的函数来初始化一些外设和gd的成员变量。但是
board_init_f并没有初始化所有的外设，还需要做一些后续工作，这些后续工作就是由函数
board_init_r(这里的外设更多包括EMMC，NANDFLASH)来完成的,存放于common/board_r.c。

最后运行的是run_main_loop，主循环，处理命令。

从这里开始就是：打断倒计时执行uboot命令要么进入内核的操作。

uboot启动以后会进入3秒倒计时，如果在3秒倒计时结束之前按下按下回车键，那么就会进入uboot的命令模式，如果倒计时结束以后都没有按下回车键，那么就会自动启动 Linux内核，这个功能就是由run_main_loop函数来完成的。

A：如果自然结束：run_command_list去执行bootcmd的命令，保存着默认的启动命令，因此linux启动
B：循环处理输入的命令

bootcmd和bootargs的区别

bootcmd：这个参数包含了一些命令，这些命令将在u-boot进入主循环后执行示例：
bootcmd=boot_logo;nand read 10000003c0000 300000;bootm 1000000
意思是启动u-boot后，执行boot_logo显示logo信息，然后从nand flash中读内核映像到内存，然后启动内核。

bootargs 这个参数设置要传递给内核的信息，主要用来告诉内核分区信息和根文件系统所在的分区。示例：
root=/dev/mtdblock5 rootfstype=jffs2console=ttyS0,115200 mem=35M
mtdparts=nand.0:3840k(u-boot),4096k(kernel),123136k(filesystem)

移植uboot-分析uboot启动流程(详解)

对于重定位：
一般片内ROM会根据程序的头部会有一个链接地址，然后程序
通过链接脚本把源地址目的地址，长度得到在进行重定位，通过链接脚本得到(至少得到代码段有多长)

什么是位置无关码？什么是绝对跳转指令以及相对跳转指令

通过lds的链接脚本确定链接地址

SECTIONS {
    . = 0x80100000;

    . = ALIGN(4);
    .text      :
    {
      *(.text)
    }

    . = ALIGN(4);
    .rodata : { *(.rodata) }

    . = ALIGN(4);

    data_load_addr = .;
    .data 0x900000 : AT(data_load_addr)
    {
      data_start = . ;
      *(.data) 
      data_end = . ;
    }

    . = ALIGN(4);
    __bss_start = .;
    .bss : { *(.bss) *(.COMMON) }
    __bss_end = .;
}

	
.text
.global  _start

_start: 

	/* 设置栈 */
	ldr  sp,=0x80200000

	/* 重定位text, rodata, data段 */
	bl copy_data

	/* 清除bss段 */
	bl clean_bss

	/* 跳转到主函数 */
	// bl main		/* 相对跳转，程序仍在DDR3内存中执行 */
	ldr pc, =main 	/* 绝对跳转，程序在片内RAM中执行 */

halt:
	b  halt

实现的从链接脚本中读取的地址


/**********************************************************************
 * 函数名称： copy_data
 * 功能描述： 将整个程序(.text, .rodata, .data)从DDR3重定位到片内RAM
 * 输入参数： 无
 * 输出参数： 无
 * 返 回 值： 无
 * 修改日期        版本号        修改人        修改内容
 * -------------------------------------------------
 * 2020/02/20	    V1.0         阿和            创建
 ***********************************************************************/
void copy_data (void)
{
	/* 从链接脚本中获得参数 _start, __bss_start, */
	extern int _load_addr, _start, __bss_start;

	volatile unsigned int *dest = (volatile unsigned int *)&_start;			//_start = 0x900000
	volatile unsigned int *end = (volatile unsigned int *)&__bss_start;		//__bss_start = 0x9xxxxx
	volatile unsigned int *src = (volatile unsigned int *)&_load_addr;		//_load_addr = 0x80100000

	/* 重定位数据 */	
	while (dest < end)
	{
		*dest++ = *src++;
	}
}
		  			 		  						  					  				 	   		  	  	 	  
/**********************************************************************
 * 函数名称： clean_bss
 * 功能描述： 清除.bss段
 * 输入参数： start, end
 * 输出参数： 无
 * 返 回 值： 无
 * 修改日期        版本号        修改人        修改内容
 * -------------------------------------------------
 * 2020/02/20	    V1.0         阿和            创建
 ***********************************************************************/
void clean_bss(void)
{
	/* 从lds文件中获得 __bss_start, __bss_end */
	extern int __bss_end, __bss_start;

	volatile unsigned int *start = (volatile unsigned int *)&__bss_start;
	volatile unsigned int *end = (volatile unsigned int *)&__bss_end;

	while (start <= end)
	{
		*start++ = 0;
	}
}

1、uboot分析之编译体验

1、解压缩
2、打补丁
通过patch进行打补丁

-p1表示忽略第一个目录
3、配置
make 100ask24x0_config
4、编译
make

uboot的终极目的就是启动内核：
1、从Flash读出内核，放到SDRAM内存中
2、启动内核
因此uboot要实现的功能
1、能读Flash + 为了开发方面提供写Flash功能(通过网络[网卡] 或者串口[USB] 烧写内核)
2、初始化SDRAM(在此之前需要关看门狗、初始化时钟、初始化串口)，能够写SDRAM;从Flash中读取内核到SDRAM中
3、启动内核

分析源码的架构最好的方法就是通过Makefile文件去分析。

二、uboot分析之Makefile结构分析

我们需要

3、配置
make 100ask24x0_config
4、编译
make

执行make 100ask24x0_config命令的时候，通过关键字找到，相当于执行下面这一行。

找去找一下MKCONFIG，在makefile中有定义

表示在源码树下的mkconfig
因此，我们配置的时候，实际上执行了这样的一个脚本命令。($@表示替换，结果为：100ask24x0)

$#表示参数的个数
$1表示第一个参数

‘>’ 表示新建一个文件
‘>>’ 表示追加
可以看到确实有config.mk有导入的内容

同时config.h也有

重点部分：

make的时候如果不指定目标，就回去执行第一个目标all

通过make编译后看完整的过程，

分析可以得到：arm-linux-ld链接命令：
1、链接脚本 u-boot.lds是在最前面的
2、其次是start.o
3、再是各种lib库

链接脚本0x00000000会加上 0x33F80000，会从这个地址开始排放代码段等等

可以看到整个内存段的排放。
1、第一个文件cpu/arm920t/start.S。
2、链接地址

board/100ask24x0/config.mk我们猜测是不是这个TEXT_BASE？
我们看一下之前Makefile中链接脚本中定义的LDFLAGS

在uboot根目录下的config.mk可以看到

其中TEXT_BASE是在board/100ask24x0/config.mk下定义的

对内存的上面空出512K的大小，如果你的uboot大小超过了512K你也可以修改它的大小，之前前面也提到过uboot一般放在内存的最上方，当linux内核加载的时候后面就会覆盖uboot的代码。

3、uboot分析之源码第一阶段

在裸机的时候启动步骤
1、初始化

关看门口
初始时钟
初始化SDRAM

2、把程序从NAND->SDRAM
3、设置栈(也就是把sp指向某块内存 )

因此uboot在上面基础上再调用c函数从Flash读出内核，再启动内核。

具体步骤如下(第一阶段的全部是硬件部分的初始化)

进入reset
进入SVC32系统模式
关看门狗
关中断
进入初始化

关flash，清cache

关MMU，初始化存储控制器，初始化后内存控制器才可以使用
再设置栈

通过框起来的代码后，内存布局就是这样，最上面是uboot的代码，底下存放的自己实现的malloc的区域以及IRQ、FIQ和SP指针指向的地方，各有各的用处。

栈设置好了后才能去调用C函数
接着block_init初始化时钟
重定位：把代码从Flash拷贝到SDRAM中，读到SDRAM哪里去呢，读到链接地址中去
清BSS段
调用start_armboot(C函数)，从这个函数开始就是第二阶段了(第二阶段有一些拓展的开发功能例如：烧写Flash、网卡、USB、串口、启动内核等等)

4、uboot分析之源码第二阶段

我们以
1、从Flash读出内核
2、启动
为目的来看。

进入start_armboot

分配一个gd结构体存放在在128k的CFG_GBL_DATA_SIZE内存中
通过函数指针进行一系列的初始化

cpu初始化，单板初始化。。。
在单板初始化中会初始化一些管脚，同时还有机器ID以及启动参数的设置、nor nand的初始化

下一节中我们讲解内核的时候会关注这两个参数为什么会有。

再是NORflash初始化：NANDflash可以直接读写(比如我们往0地址写1234如果读出来是1234那就是NAND，读出来还是0的话就是NORflash)，而NorFlash的写的时候我们就要配置它，我们因为会有一些拓展的功能就是重新烧写Flash所以我需要对NorFlash读写进行初始化

再是nand flash初始化，还有malloc初始化

现在CPU具备可以读可以写的能力了。
再是环境变量的初始化：

以下内容就是环境变量

环境变量会先去Flash上去找，如果没有设置的话就会去默认的环境变量去看。
网卡、设备、USB的初始化

就这就到了一个main_loop死循环的地方

以上的步骤我们知道通过start_armboot：
执行了flash_init
nand_init一些硬件设备的初始化
到达main_loop的循环中。

在main_loop可看到一些环境变量比如：bootdelay

通过获取bootcmd环境变量得到启动命令

后面一段代码是，如果在倒数计时在到达0之前，没有输入空格键。就去打印booting linux并且执行run_command，bootcmd其实就是两个参数，回到我们这一节最开始的地方。

1、我们想要做的就是从flash读出内核也就是对应bootcmd的第一个指令

nand read.jffs2 0x30007FC0 kernel；

读到0x30007FC0(为什么是这个值我们后面再进行分析) 从kernel分区进行读；
2、怎么启动：通过bootm 0x30007FC0
前面已经从NANDflash把内核读到内存中来，启动内核。

因此内核的启动依赖于bootcmd命令

如果我们按了空格，就会跳到下面的代码中：

因此可以分为两类：
1、启动内核
s = getenv(“bootcmd”)
run_command(s,…)
2、u-boot界面
readline(读入串口的数据)
run_command

5、uboot启动内核

1、我们想要做的就是从flash读出内核也就是对应bootcmd的第一个指令

nand read.jffs2 0x30007FC0 kernel；

读到0x30007FC0(为什么是这个值我们后面再进行分析) 从kernel分区进行读；

kernel分区是什么？
因为用的是Flash没有分区，我们只能通过软件写死分区，固定大小区间

所以从NANDFlash中读，那从哪里读呢就是从kernel中读，然后读到SDRAM中

其中kernel就是代表其实地址，当然我们用
```
nand read.jffs2 0x30007FC0 0x00060000 0x00200000；
```
效果是一样的，这个就代表从从起始地址0x00060000 ，长度为0x00200000，和图中kenel分区的偏移+大小是一致的。

用jffs2是因为这个文件格式不需要页对齐。