[uboot] uboot启动kernel篇——bootm跳转到kernel的流程
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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] uboot启动kernel篇——bootm跳转到kernel的流程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
一、bootm说明
bootm这个命令用于启动一个操作系统映像。它会从映像文件的头部取得一些信息，这些信息包括：映像文件的基于的cpu架构、其操作系统类型、映像的类型、压缩方式、映像文件在内存中的加载地址、映像文件运行的入口地址、映像文件名等。
紧接着bootm将映像加载到指定的地址，如果需要的话，还会解压映像并传递必要有参数给内核，最后跳到入口地址进入内核。
这里的描述参考（http://blog.chinaunix.net/uid-20799298-id-99666.html）
需要打开的宏
CONFIG_BOOTM_LINUX=y
CONFIG_CMD_BOOTM=y二、bootm使用方式
在《uboot启动kernel篇（一）——Legacy-uImage & FIT-uImage》中我们知道了uImage有两种格式。
- Legacy-uImage
对于Legacy-uImage，我们需要另外加载ramdisk和fdt到RAM上面。
执行的命令如下
假设Legacy-uImage的加载地址是0x20008000，ramdisk的加载地址是0x21000000，fdt的加载地址是0x22000000
(1) 只加载kernel的情况下
bootm 0x20008000
(2) 加载kernel和ramdisk
bootm 0x20008000 0x21000000
(3) 加载kernel和fdt
bootm 0x20008000 - 0x22000000
(4) 加载kernel、ramdisk、fdt
bootm 0x20008000 0x21000000 0x22000000- FIT-uImage
对于FIT-uImage，kernel镜像、ramdisk镜像和fdt都已经打包到FIT-uImage的镜像中了。
执行的命令如下
假设FIT-uImage的加载地址是0x30000000，启动kernel的命令如下：
bootm 0x30000000三、bootm执行流程
建议先参考《[uboot] （第六章）uboot流程——命令行模式以及命令处理介绍》。
- 对应U_BOOT_CMD
我们找到bootm命令对应的U_BOOT_CMD如下：
cmd/bootm.c
U_BOOT_CMD(
bootm, CONFIG_SYS_MAXARGS, 1, do_bootm,
"boot application image from memory", bootm_help_text
);- do_bootm参数说明
通过《[uboot] （第六章）uboot流程——命令行模式以及命令处理介绍》，当执行bootm命令时，do_bootm会被调用，参数如下：
当执行‘bootm 0x20008000 0x21000000 0x22000000’
int do_bootm(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
cmdtp：传递的是bootm的命令表项指针，也就是_u_boot_list_2_cmd_2_bootm的指针
argc=4
argv[0]="bootm", argv[1]=0x20008000, arv[2]=0x21000000, argv[3]=0x22000000- do_bootm实现
do_bootm实现如下：
/*******************************************************************/
/* bootm - boot application image from image in memory */
/*******************************************************************/
int do_bootm(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
{
/* determine if we have a sub command */
argc--; argv++;
if (argc > 0) {
char *endp;
simple_strtoul(argv[0], &endp, 16);
/* endp pointing to NULL means that argv[0] was just a
* valid number, pass it along to the normal bootm processing
*
* If endp is ':' or '#' assume a FIT identifier so pass
* along for normal processing.
*
* Right now we assume the first arg should never be '-'
*/
if ((*endp != 0) && (*endp != ':') && (*endp != '#'))
return do_bootm_subcommand(cmdtp, flag, argc, argv);
}
// 以上会判断是否有子命令，这里我们不管
// 到这里，参数中的bootm参数会被去掉，
// 也就是当'bootm 0x20008000 0x21000000 0x22000000'时
// argc=3, argv[0]=0x20008000 , argv[1]=0x21000000, argv[2]=0x22000000
// 当‘bootm 0x30000000’时
// argc=1, argv[0]=0x30000000
return do_bootm_states(cmdtp, flag, argc, argv, BOOTM_STATE_START |
BOOTM_STATE_FINDOS | BOOTM_STATE_FINDOTHER |
BOOTM_STATE_LOADOS |
BOOTM_STATE_OS_PREP | BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO |
BOOTM_STATE_OS_GO, &images, 1);
// 最终对调用到do_bootm_states，在do_bootm_states中执行的操作如states标识所示：
// BOOTM_STATE_START
// BOOTM_STATE_FINDOS
// BOOTM_STATE_FINDOTHER
// BOOTM_STATE_LOADOS
// BOOTM_STATE_OS_PREP
// BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO
// BOOTM_STATE_OS_GO
}所以bootm的核心是do_bootm_states，以全局变量bootm_headers_t images作为do_bootm_states的参数。
下面详细说明这个函数。
四、do_bootm_states软件流程
1、数据结构说明
- bootm_headers_t
bootm_headers_t用来表示bootm启动kernel的一些信息的结构体，其中包括了os/initrd/fdt images的信息。
bootm会根据参数以及参数指向的镜像来填充这个结构题里面的成员。
最终再使用这个结构体里面的信息来填充kernel启动信息并且到跳转到kernel中。
在uboot中使用了一个全局的bootm_headers_t images。
typedef struct bootm_headers {
/*
* Legacy os image header, if it is a multi component image
* then boot_get_ramdisk() and get_fdt() will attempt to get
* data from second and third component accordingly.
*/
image_header_t *legacy_hdr_os; /* image header pointer */ // Legacy-uImage的镜像头
image_header_t legacy_hdr_os_copy; /* header copy */ // Legacy-uImage的镜像头备份
ulong legacy_hdr_valid; // Legacy-uImage的镜像头是否存在的标记
#if IMAGE_ENABLE_FIT
const char *fit_uname_cfg; /* configuration node unit name */ // 配置节点名
void *fit_hdr_os; /* os FIT image header */ // FIT-uImage中kernel镜像头
const char *fit_uname_os; /* os subimage node unit name */ // FIT-uImage中kernel的节点名
int fit_noffset_os; /* os subimage node offset */ // FIT-uImage中kernel的节点偏移
void *fit_hdr_rd; /* init ramdisk FIT image header */ // FIT-uImage中ramdisk的镜像头
const char *fit_uname_rd; /* init ramdisk subimage node unit name */ // FIT-uImage中ramdisk的节点名
int fit_noffset_rd; /* init ramdisk subimage node offset */ // FIT-uImage中ramdisk的节点偏移
void *fit_hdr_fdt; /* FDT blob FIT image header */ // FIT-uImage中FDT的镜像头
const char *fit_uname_fdt; /* FDT blob subimage node unit name */ // FIT-uImage中FDT的节点名
int fit_noffset_fdt;/* FDT blob subimage node offset */ // FIT-uImage中FDT的节点偏移
#endif
image_info_t os; /* os image info */ // 操作系统信息的结构体
ulong ep; /* entry point of OS */ // 操作系统的入口地址
ulong rd_start, rd_end;/* ramdisk start/end */ // ramdisk在内存上的起始地址和结束地址
char *ft_addr; /* flat dev tree address */ // fdt在内存上的地址
ulong ft_len; /* length of flat device tree */ // fdt在内存上的长度
ulong initrd_start; //
ulong initrd_end; //
ulong cmdline_start; //
ulong cmdline_end; //
bd_t *kbd; //
int verify; /* getenv("verify")[0] != 'n' */ // 是否需要验证
int state; // 状态标识，用于标识对应的bootm需要做什么操作，具体看下面2.
#ifdef CONFIG_LMB
struct lmb lmb; /* for memory mgmt */
#endif
} bootm_headers_t;2、状态说明
- BOOTM_STATE_START
#define BOOTM_STATE_START (0x00000001)
开始执行bootm的一些准备动作。 - BOOTM_STATE_FINDOS
#define BOOTM_STATE_FINDOS (0x00000002)
查找操作系统镜像 - BOOTM_STATE_FINDOTHER
#define BOOTM_STATE_FINDOTHER (0x00000004)
查找操作系统镜像外的其他镜像，比如FDT\\ramdisk等等 - BOOTM_STATE_LOADOS
#define BOOTM_STATE_LOADOS (0x00000008)
加载操作系统 - BOOTM_STATE_RAMDISK
#define BOOTM_STATE_RAMDISK (0x00000010)
操作ramdisk - BOOTM_STATE_FDT
#define BOOTM_STATE_FDT (0x00000020)
操作FDT - BOOTM_STATE_OS_CMDLINE
#define BOOTM_STATE_OS_CMDLINE (0x00000040)
操作commandline - BOOTM_STATE_OS_BD_T
#define BOOTM_STATE_OS_BD_T (0x00000080) - BOOTM_STATE_OS_PREP
#define BOOTM_STATE_OS_PREP (0x00000100)
跳转到操作系统的前的准备动作 - BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO
#define BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO (0x00000200) /* ‘Almost’ run the OS */
伪跳转，一般都能直接跳转到kernel中去 - BOOTM_STATE_OS_GO
#define BOOTM_STATE_OS_GO (0x00000400)
跳转到kernel中去
3、软件流程说明
do_bootm_states根据states来判断要执行的操作。
- 主要流程简单说明如下：
- bootm的准备动作
BOOTM_STATE_START - 获取kernel信息
BOOTM_STATE_FINDOS - 获取ramdisk和fdt的信息
BOOTM_STATE_FINDOTHER - 加载kernel到对应的位置上（有可能已经就在这个位置上了）
BOOTM_STATE_LOADOS - 重定向ramdisk和fdt（不一定需要）
BOOTM_STATE_RAMDISK、BOOTM_STATE_FDT - 执行跳转前的准备动作
BOOTM_STATE_OS_PREP - 设置启动参数，跳转到kernel所在的地址上
BOOTM_STATE_OS_GO
- bootm的准备动作
在这些流程中，起传递作用的是bootm_headers_t images这个数据结构，有些流程是解析镜像，往这个结构体里写数据。
而跳转的时候，则需要使用到这个结构体里面的数据。
- 软件代码如下
common/bootm.c
int do_bootm_states(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[],
int states, bootm_headers_t *images, int boot_progress)
{
boot_os_fn *boot_fn;
ulong iflag = 0;
int ret = 0, need_boot_fn;
images->state |= states;
// 把states放到bootm_headers_t images内部
/*
* Work through the states and see how far we get. We stop on
* any error.
*/
// 判断states是否需要BOOTM_STATE_START动作，也就是bootm的准备动作，需要的话则调用bootm_start
if (states & BOOTM_STATE_START)
ret = bootm_start(cmdtp, flag, argc, argv);
// 判断states是否需要BOOTM_STATE_FINDOS动作，也就是获取kernel信息，需要的话在调用bootm_find_os
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_FINDOS))
ret = bootm_find_os(cmdtp, flag, argc, argv);
· // 判断states是否需要BOOTM_STATE_FINDOTHER动作，也就是获取ramdisk和fdt等其他镜像的信息，需要的话则调用bootm_find_other
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_FINDOTHER)) {
ret = bootm_find_other(cmdtp, flag, argc, argv);
argc = 0; /* consume the args */
}
/* 这里要重点注意，前面的步骤都是在解析uImage镜像并填充bootm_headers_t images */
/* 也就是说解析uImage的部分在此之前 */
/* 而后续则是使用bootm_headers_t images 里面的内容来进行后续动作*/
/* Load the OS */
// 判断states是否需要BOOTM_STATE_LOADOS动作，也就是加载操作系统的动作，需要的话则调用bootm_load_os
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_LOADOS)) {
ulong load_end;
iflag = bootm_disable_interrupts();
ret = bootm_load_os(images, &load_end, 0);
if (ret == 0)
lmb_reserve(&images->lmb, images->os.load,
(load_end - images->os.load));
else if (ret && ret != BOOTM_ERR_OVERLAP)
goto err;
else if (ret == BOOTM_ERR_OVERLAP)
ret = 0;
#if defined(CONFIG_SILENT_CONSOLE) && !defined(CONFIG_SILENT_U_BOOT_ONLY)
if (images->os.os == IH_OS_LINUX)
fixup_silent_linux();
#endif
}
// 是否需要重定向ramdinsk，do_bootm流程的话是不需要的
/* Relocate the ramdisk */
#ifdef CONFIG_SYS_BOOT_RAMDISK_HIGH
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_RAMDISK)) {
ulong rd_len = images->rd_end - images->rd_start;
ret = boot_ramdisk_high(&images->lmb, images->rd_start,
rd_len, &images->initrd_start, &images->initrd_end);
if (!ret) {
setenv_hex("initrd_start", images->initrd_start);
setenv_hex("initrd_end", images->initrd_end);
}
}
#endif
// 是否需要重定向fdt，do_bootm流程的话是不需要的
#if IMAGE_ENABLE_OF_LIBFDT && defined(CONFIG_LMB)
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_FDT)) {
boot_fdt_add_mem_rsv_regions(&images->lmb, images->ft_addr);
ret = boot_relocate_fdt(&images->lmb, &images->ft_addr,
&images->ft_len);
}
#endif
/* From now on, we need the OS boot function */
if (ret)
return ret;
// 获取对应操作系统的启动函数，存放到boot_fn中
boot_fn = bootm_os_get_boot_func(images->os.os);
need_boot_fn = states & (BOOTM_STATE_OS_CMDLINE |
BOOTM_STATE_OS_BD_T | BOOTM_STATE_OS_PREP |
BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO | BOOTM_STATE_OS_GO);
if (boot_fn == NULL && need_boot_fn) {
if (iflag)
enable_interrupts();
printf("ERROR: booting os '%s' (%d) is not supported\\n",
genimg_get_os_name(images->os.os), images->os.os);
bootstage_error(BOOTSTAGE_ID_CHECK_BOOT_OS);
return 1;
}
/* Call various other states that are not generally used */
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_OS_CMDLINE))
ret = boot_fn(BOOTM_STATE_OS_CMDLINE, argc, argv, images);
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_OS_BD_T))
ret = boot_fn(BOOTM_STATE_OS_BD_T, argc, argv, images);
// 跳转到操作系统前的准备动作，会直接调用启动函数，但是标识是BOOTM_STATE_OS_PREP
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_OS_PREP))
ret = boot_fn(BOOTM_STATE_OS_PREP, argc, argv, images);
/* Check for unsupported subcommand. */
if (ret) {
puts("subcommand not supported\\n");
return ret;
}
// BOOTM_STATE_OS_GO标识，跳转到操作系统中，并且不应该再返回了
/* Now run the OS! We hope this doesn't return */
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_OS_GO))
ret = boot_selected_os(argc, argv, BOOTM_STATE_OS_GO,
images, boot_fn);
/* Deal with any fallout */
err:
if (iflag)
enable_interrupts();
if (ret == BOOTM_ERR_UNIMPLEMENTED)
bootstage_error(BOOTSTAGE_ID_DECOMP_UNIMPL);
else if (ret == BOOTM_ERR_RESET)
do_reset(cmdtp, flag, argc, argv);
return ret;
}主要用到如下依次几个函数来实现：
- bootm_start
- bootm_find_os
- bootm_find_other
- bootm_load_os
- bootm_os_get_boot_func
- boot_fn(BOOTM_STATE_OS_PREP, argc, argv, images);
- boot_selected_os
- boot_selected_os(argc, argv, BOOTM_STATE_OS_GO,images, boot_fn);
4、bootm_start & bootm_find_os & bootm_find_other
主要负责解析环境变量、参数、uImage，来填充bootm_headers_t images这个数据结构。
最终目的是实现bootm_headers_t images中的这几个成员：
typedef struct bootm_headers {
image_info_t os; /* os image info */
ulong ep; /* entry point of OS */
ulong rd_start, rd_end;/* ramdisk start/end */
char *ft_addr; /* flat dev tree address */
ulong ft_len; /* length of flat device tree */
ulong initrd_start;
ulong initrd_end;
ulong cmdline_start;
ulong cmdline_end;
bd_t *kbd;
int verify; /* getenv("verify")[0] != 'n' */
#ifdef CONFIG_LMB
struct lmb lmb; /* for memory mgmt */
#endif
}- bootm_start
实现verify和lmb - bootm_find_os
实现os和ep。
也就是说，不管是Legacy-uImage还是FIT-uImage，最终解析出来要得到的都是这两个成员。
放在《uboot启动kernel篇（三）——解析uImage的kernel镜像》中具体说明。 - bootm_find_other
实现rd_start, rd_end，ft_addr和initrd_end。
也就是说，不管是Legacy-uImage还是FIT-uImage，最终解析出来要得到的都是这两个成员。
放在《uboot启动kernel篇（四）——解析uImage的fdt》和《uboot启动kernel篇（五）——解析uImage的ramdisk》中具体说明。
5、bootm_load_os
简单说明一下，在bootm_load_os中，会对kernel镜像进行load到对应的位置上，并且如果kernel镜像是被mkimage压缩过的，那么会先经过解压之后再进行load。（这里要注意，这里的压缩和Image压缩成zImage并不是同一个，而是uboot在Image或者zImage的基础上进行的压缩！！！）
static int bootm_load_os(bootm_headers_t *images, unsigned long *load_end,
int boot_progress)
{
image_info_t os = images->os;
ulong load = os.load; // kernel要加载的地址
ulong blob_start = os.start;
ulong blob_end = os.end;
ulong image_start = os.image_start; // kernel实际存在的位置
ulong image_len = os.image_len; // kernel的长度
bool no_overlap;
void *load_buf, *image_buf;
int err;
load_buf = map_sysmem(load, 0);
image_buf = map_sysmem(os.image_start, image_len);
// 调用bootm_decomp_image，对image_buf的镜像进行解压缩，并load到load_buf上
err = bootm_decomp_image(os.comp, load, os.image_start, os.type,
load_buf, image_buf, image_len,
CONFIG_SYS_BOOTM_LEN, load_end);结果上述步骤之后，kernel镜像就被load到对应位置上了。
6、bootm_os_get_boot_func
bootm_os_get_boot_func用于获取到对应操作系统的启动函数，被存储到boot_fn 中。
如下：
int do_bootm_states(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[],
int states, bootm_headers_t *images, int boot_progress)
{
...
boot_fn = bootm_os_get_boot_func(images->os.os);
...
}
boot_os_fn *bootm_os_get_boot_func(int os)
{
return boot_os[os];
// 根据操作系统类型获得到对应的操作函数
}
static boot_os_fn *boot_os[] = {
...
#ifdef CONFIG_BOOTM_LINUX
[IH_OS_LINUX] = do_bootm_linux,
#endif
}可以看出最终启动linux的核心函数是do_bootm_linux。
另外几个函数最终也是调用到boot_fn，对应linux也就是do_bootm_linux，所以这里不在说明了。
下面继续说明一下do_bootm_linux的流程
五、do_bootm_linux
arch/arm/lib/bootm.c
int do_bootm_linux(int flag, int argc, char * const argv[],
bootm_headers_t *images)
{
/* No need for those on ARM */
if (flag & BOOTM_STATE_OS_BD_T || flag & BOOTM_STATE_OS_CMDLINE)
return -1;
// 当flag为BOOTM_STATE_OS_PREP，则说明只需要做准备动作boot_prep_linux
if (flag & BOOTM_STATE_OS_PREP) {
boot_prep_linux(images);
return 0;
}
// 当flag为BOOTM_STATE_OS_GO ，则说明只需要做跳转动作
if (flag & (BOOTM_STATE_OS_GO | BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO)) {
boot_jump_linux(images, flag);
return 0;
}
boot_prep_linux(images); // 以全局变量bootm_headers_t images为参数传递给boot_prep_linux
boot_jump_linux(images, flag);// 以全局变量bootm_headers_t images为参数传递给boot_jump_linux
return 0;
}boot_prep_linux用于实现跳转到linux前的准备动作。
而boot_jump_linux用于跳转到linux中。
都是以全局变量bootm_headers_t images为参数，这样就可以直接获取到前面步骤中得到的kernel镜像、ramdisk以及fdt的信息了。
- boot_prep_linux
首先要说明一下LMB的概念。LMB是指logical memory blocks，主要是用于表示内存的保留区域，主要有fdt的区域，ramdisk的区域等等。
boot_prep_linux主要的目的是修正LMB，并把LMB填入到fdt中。
实现如下：
static void boot_prep_linux(bootm_headers_t *images)
{
char *commandline = getenv("bootargs");
if (IMAGE_ENABLE_OF_LIBFDT && images->ft_len) {
#ifdef CONFIG_OF_LIBFDT
debug("using: FDT\\n");
if (image_setup_linux(images)) {
printf("FDT creation failed! hanging...");
hang();
}
#endif
}这里没有深入学习image_setup_linux，等后续有需要的话再进行深入。
- boot_jump_linux
以arm为例：
arch/arm/lib/bootm.c
static void boot_jump_linux(bootm_headers_t *images, int flag)
{
unsigned long machid = gd->bd->bi_arch_number; // 从bd中获取machine-id，machine-id在uboot启动流程的文章中有说明过了
char *s;
void (*kernel_entry)(int zero, int arch, uint params); // kernel入口函数，也就是kernel的入口地址，对应kernel的_start地址。
unsigned long r2;
int fake = (flag & BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO); // 伪跳转，并不真正地跳转到kernel中
kernel_entry = (void (*)(int, int, uint))images->ep;
// 将kernel_entry设置为images中的ep（kernel的入口地址），后面直接执行kernel_entry也就跳转到了kernel中了
// 这里要注意这种跳转的方法
debug("## Transferring control to Linux (at address %08lx)" \\
"...\\n", (ulong) kernel_entry);
bootstage_mark(BOOTSTAGE_ID_RUN_OS);
announce_and_cleanup(fake);
// 把images->ft_addr（fdt的地址）放在r2寄存器中
if (IMAGE_ENABLE_OF_LIBFDT && images->ft_len)
r2 = (unsigned long)images->ft_addr;
else
r2 = gd->bd->bi_boot_params;
if (!fake) {
kernel_entry(0, machid, r2);
// 这里通过调用kernel_entry，就跳转到了images->ep中了，也就是跳转到kernel中了，具体则是kernel的_start符号的地址。
// 参数0则传入到r0寄存器中，参数machid传入到r1寄存器中，把images->ft_addr（fdt的地址）放在r2寄存器中
// 满足了kernel启动的硬件要求
}
}到这里，经过kernel_entry之后就跳转到kernel环境中了。有兴趣可以看一下kernel的启动流程。
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kernel启动流程文章
[kernel 启动流程] 前篇——vmlinux.lds分析
[kernel 启动流程] （第一章）概述
[kernel 启动流程] （第二章）第一阶段之——设置SVC、关闭中断
[kernel 启动流程] （第三章）第一阶段之——proc info的获取
[kernel 启动流程] （第四章）第一阶段之——dtb的验证
[kernel 启动流程] （第五章）第一阶段之——临时内核页表的创建
[kernel 启动流程] （第六章）第一阶段之——打开MMU
[kernel 启动流程] （第七章）第一阶段之——跳转到start_kernel
以上是关于[uboot] uboot启动kernel篇——bootm跳转到kernel的流程的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
全志 Linux 系统启动优化 启动优化速度方式 优化启动流程 优化uboot 优化kernel等
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