Linux移植到自己的开发板（二）UBOOT和Linux

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• 一、uboot跳转到Linux
• 二、 Linux内核启动之解压阶段
• 三、 Linux内核启动之汇编阶段
• 插曲：关于Kconfig和Makefile
• 四、 Linux内核启动之C语言阶段
• 五、板级重要函数修改

Windows系统：Windows10 x64

vmware：VMware Workstation 15 Pro

Linux系统：Ubuntu16.04 x64

BootLoader：u-boot-2010.03

Linux内核：Linux2.6

编译链：gcc-3.4.5-glibc-2.3.6

板子介绍：ARM9的CPU，自定义的硬件资源。基于SMDK2416来进行后续移植。

注：使用高版本的Linux内核(3.x、4.x)不一定要升级uboot、busybox的版本；编译器版本倒是必须匹配！

一、uboot跳转到Linux

uboot就是裸机代码，可以根据现有裸机代码移植，能进入命令行则uboot的初期移植就完成了。

要启动Linux、传递参数，还需进行如下工作：

1、设置好Linux内核的机器码bi_arch_number。

必须与Linux内核支持的机器码相等才能正常启动Linux；

假设我在Linux内核make menuconfig中选择了SMDK2416型号的开发板，相当于在内核中“支持”了该型号。那么uboot想要启动Linux，则需在board/xxx/mini2440.c的int board_init (void)函数中修改

gd->bd->bi_arch_number = MACH_TYPE_SMDK2416;  //机器码定义在mach-types.h。
gd->bd->bi_boot_params = xxx;  //bi_boot_params是启动参数的地址

2、设置好传递给Linux的启动参数bootargs。

bootargs解析：

root：

　　根据文件系统存储的位置（flash、网络）不同，结合实际存储情况进行设置。例如：

　　root=/dev/mtdblockx rw（x=0,1,2..）

　　root=/dev/nfs rw nfsroot=10.103.4.216:/nfsroot/rootfs ip=10.103.4.211

　　root=/dev/ram0 rw

　　

console:

　　console=ttySAC0,115200 控制台使用串口0，波特率115200.

串行端口终端（/dev/ttySn ）

控制终端（/dev/tty ）

控制台终端（/dev/ttyn, /dev/console ）

init:

init 指定的是内核启起来后，进入系统中运行的第一个脚本，一般为init=/linuxrc, /linuxrc指的是/目录下面的linuxrc脚本，一般是一个连接。

initrd, noinitrd:

　 当使用ramdisk启动系统的时候，需要指定initrd=r_addr,size。 r_addr表示initrd在内存中的位置，size表示initrd的大小。否则使用noinitrd。

根据实际情况在include/configs/mini2440.h中设置默认的bootargs宏。

也可以在uboot每次启动后setenv bootargs设置参数，再跳转到Linux。

3、移植好网络驱动，使开发板和电脑可以进行tftp文件传输。

如果你不想每次烧写Linux镜像到flash，就需要移植好网络驱动方便在线调试；

二、 Linux内核启动之解压阶段

Linux内核启动uImage需要先进行自解压，再跳到加载地址启动。

内核加载地址设置修改arch\arm\mach-s3c2410\Makefile.boot (虽然用的是基于SMDK2416的内核代码，但是加载地址修改都是在mach-s3c2410\Makefile.boot)

zreladdr-xxx	    := 0xX0008000	//linux内核加载地址
params_phys-xxx	:= 0xX0000100	//uboot传输过来的参数地址

为什么要偏移0x8000呢？因为0xX0000000到0xX0008000被用来存放uboot传递的参数和内核MMU Table。

自解压阶段，Linux首先运行arch\arm\boot\compressed\head.S文件，然后跳转到arm\boot\compressed\misc.c中运行decompress_kernel()函数，进行内核校验和解压：

makecrc();
putstr("Uncompressing Linux...");
gunzip();
putstr(" done, booting the kernel.\n");

putstr打印函数，会调用include\asm-arm\arch-s3c2410\uncompress.h中的static void putc(int ch)函数，如果uboot阶段已经移植好了串口，那这里我们可以直接将putc函数改写为直接往TX FIFO填充数据，即可实现最早期的打印。

我每次移植不同板子都会卡在这里，可以直接把decompress_kernel()中的打印函数屏蔽。因为打印函数使用了寄存器，和我们的板子不匹配。

static void putc(int ch)
{
	//FILL TX FIFO
}

注意：由于还没有MMU映射，该putc函数实现使用寄存器的物理地址。

三、 Linux内核启动之汇编阶段

arch\arm\boot\compressed\head.S解压操作执行成功后跳转到 arch\arm\kernel\head.S

在arch\arm\kernel\head.S中，会判断cpu和机器码是否支持。

3.1 __lookup_processor_type，核对CPU：

每个型号的CPU有个参数结构体存在于汇编文件例如arch/arm/mm/proc-arm926.S中，包括CPU ID和掩码等众多信息。该汇编函数读取CPU ID，进行掩码比对，如果内核中有CPU ID与之相等则判断为内核支持该CPU，否则停止运行。

3.2 __lookup_machine_type,，核对机器码；

我们在内核中make menuconfig选中一个具体型号的开发板，那么就会使能对应板子的.C文件，例如mach-smdk2416.c。该文件中会使用宏MACHINE_START、MACHINE_END来定义一个machine_desc结构，它定义开发板相关的一些属性及函数，包括机器类型ID。

我们可以在arch\arm\tools\mach-types.h中仿照smdk2416建立一个自己的开发板型号XXX：

注意该函数只是比对数字，而不是名字。所以我们可以把自己的板子的number改为SMDK2416的。

//machine_is_xxx	CONFIG_xxxx			MACH_TYPE_xxx		number
smdk2416		MACH_SMDK2416		SMDK2416			1685

插曲：关于Kconfig和Makefile

如果想使能一个需要在menuconfig中选择的宏定义选项，CONFIG_XXX，则需要修改对应的Kconfig文件；

如果想使能一个文件夹或者.c、.s文件，则需要修改对应的Makefile；

如何修改？照着别人的改就行了，很容易看会。

插曲结束

新建(copy)一个自己的板子文件arch\arm\mach-myboard\mach-myboard.c文件，我们进行如下开发板信息定义：

MACHINE_START(XXX, "XXXX")
	//.phys_io	= S3C2410_PA_UART, //未用，注释掉
	//.io_pg_offst	= (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc, //未用，注释掉
	.boot_params	= 0xX0000100, // uboot传来的参数的RAM地址
	.init_irq	    = xxx_init_irq, //中断控制器初始化
	.map_io		    = xxx_map_io, //内存重映射，以及部分硬件参数初始化
	//.fixup      	= xxx_fixup,	//内存映射会处理该地址范围，这里将它注释掉
	.init_machine	= xxx_machine_init,//部分初始化函数
	.timer		    = &s3c24xx_timer, //timer初始化，给系统提供心跳时钟
MACHINE_END

做好以上工作后__lookup_machine_type汇编函数就能将uboot传来的机器码与内核支持的机器码比对，一致才能正常运行，否则停止运行。

3.3__create_page_tables:

因为汇编阶段会执行__turn_mmu_on打开MMU，所以必须进行部分地址映射。建立一个临时的page table(将来这个table会被清除，重新建立)。

内存的映射是根据我们设置的PHYS_OFFSET由内核完成的，如果想寄存器映射，得自己加汇编代码。

我在该函数后加入串口寄存器映射，这样开启MMU后用虚拟地址也能进行串口打印信息：

add	r0, r4, #0xXX000000 >> 18
orr	r3, r7, #0xXX000000
str	r3, [r0]

3.4 arch\arm\kernel\head-common.S

b start_kernel

从这里跳转到C语言启动函数start_kernel();

四、 Linux内核启动之C语言阶段

汇编语言跳到init\main.c中的asmlinkage void __init start_kernel(void)函数，asmlinkage是一个宏定义，主要是声明这个函数是给汇编代码调用的。

该阶段执行众多初始化函数，根据CPU架构和板级型号不同，又会调用众多板级相关文件，直至完成文件系统启动前的所有工作。

start_kernel-->rest_init-->kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND)-->init-->

init_post-->run_init_process(execute_command) //execute_command=/linuxrc,由uboot指定。

还需屏蔽include/asm-arm/arch-s3c2410/system.h的s3c24xx_default_idle()：

因为板子寄存器地址不同，这里需要把该函数注释掉，不然内核运行崩溃。

内核会依次调用我们在.c文件中：

MACHINE_START(XXX, "XXXX")
.xx
.xx
.xx

中建立的初始化函数，马上讲解。

五、板级重要函数修改

arch\arm\mach-xxx\mach-xxx.c

板级相关.c文件，把裸机代码中通用的c文件尽量都移植到此处。

include/asm-arm/plat-s3c24xx/xxx.h

板级相关.h文件，其它文件需要引用板级资源时，需要包含该头文件，注意和实际的绝对路径名不同（Linux特殊性）：

#include <asm/plat-s3c24xx/xxx.h>

mach-xxx.c文件包含以下重要的板级相关宏定义：

MACHINE_START(XXX, "XXX")
...
MACHINE_END

MACHINE_START、MACHINE_END都是定义的宏，代码如下

#define MACHINE_START(_type,_name)			\
static const struct machine_desc __mach_desc_##_type	\
 __used							\
 __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = {	\
	.nr		= MACH_TYPE_##_type,		\
	.name		= _name,

#define MACHINE_END				\
};

简化展开一下，就是定义了一个如下结构体：

	static const struct machine_desc = {
		.nr		= MACH_TYPE_ xXX,
		.name	= xXX,
		.boot_params	= 0xx0000100,
		.init_irq	    = xxx_init_irq, //中断控制器初始化
		.map_io		    = xxx_map_io,
		.init_machine	= xxx_machine_init,
		.timer		    = &s3c24xx_timer,
	}

5.1 MMU映射函数.map_io

这是该结构体中最先执行的成员函数。作用主要是MMU映射；部分硬件初始化，例如串口，也可以放在该成员函数中。

static void __init xxx_map_io(void)
{
    xxx_init_io();//MMU映射
}

arch\arm\plat-s3c24xx\cpu.c：

void xxx_init_io(void)
{
    iotable_init(xxx_iodesc, ARRAY_SIZE(xxx_iodesc));
}

static struct map_desc xxx_iodesc[] __initdata = {
	{
		    .virtual	= (0xF0100000),
		    .pfn		= __phys_to_pfn(0xXX000000),
		    .length		= 0x00100000,
		    .type		= MT_DEVICE,
    },
	{
		    .virtual	= (0xF0200000),
		    .pfn		= __phys_to_pfn(0xXX000000),
		    .length		= 0x00100000,
		    .type		= MT_DEVICE,
    },
};

asm-arm\arch-s3c2410\memory.h

#define PHYS_OFFSET	UL(0xX0000000)  //很重要，RAM的基地址,内核根据该值映射RAM地址

Linux内核汇编结束后就已经开启了MMU功能，后面使用的所有地址都必须是映射过的。内核会自动完成两部分的映射，一是RAM地址PHYS_OFFSET，即将0xX0000000映射到0xC0000000，大小我们可以在bootargs的mem=XX M指定。第二个是中断向量表0xX0001000映射到0xFFFF0000，大小为0x00001000。因为ARM中断向量表可以存放于两个地址：0和0xFFFF0000。可通过设置ARM寄存器设置用哪个地址的中断向量表。这两部分映射是内核隐式完成，我们只需指定RAM起始地址和要使用的大小。

内核中映射有两种方式。

静态映射：将指定虚拟地址映射到物理地址，虚拟地址是已知的、固定的；

动态映射：ioremap等函数实现，映射的虚拟地址是随机的。因为我们操作寄存器时有一些宏定义操作，地址已知更方便编程，所以采用静态映射。

而struct map_desc xxx_iodesc[]里就是我们指定的静态映射数组，主要映射了串口寄存器等。

.virtual是要映射的虚拟地址，地址范围涉及到内核空间分布知识，IO寄存器映射一般映射到0xF0000000到0xFF000000。

.pfn是要映射的物理地址。

.length是要映射的地址长度。

.type是要映射的地址类型，不同类型的权限是不同的，需要按照地址的属性正确设置，否则会带来意料之外的bug。

arch\arm\mm\mmu.c ：该文件不用改，但调试的时候可能需要用到如下两个函数。

static inline void prepare_page_table(struct meminfo *mi)
{
	/* Clear out all the mappings below the kernel image.*/
	for (addr = 0; addr < MODULE_START; addr += PGDIR_SIZE)
		pmd_clear(pmd_off_k(addr));
}
#define PAGE_OFFSET		UL(0xc0000000)
#define MODULE_END		(PAGE_OFFSET)
#define MODULE_START	(MODULE_END - 16*1048576)

该函数可能会清除我们在汇编语言建立好的映射，所以在该函数之后、xxx_map_io之前，注意虚拟地址的使用问题。

void __init create_mapping(struct map_desc *md)
{
printk(KERN_INFO "map PHYS:0x%08llx ,VIRT:0x%08lx ,length:0x%08lx\n",
		       __pfn_to_phys((u64)md->pfn), md->virtual, md->length);
}

所有的映射都会走该程序，所以我们加个如上打印，显示映射的物理地址、虚拟地址、映射长度，防止映射有冲突。

5.2、中断控制器移植.init_irq

我的中断控制器不一样，也得自己移植：中断控制器寄存器初始化；对中断描述符进行设置；对s3c_irq_ack、s3c_irq_mask、s3c_irq_unmask进行初始化。

void __init xx_init_irq(void)
{
	int irq;
	intr_init();//中断控制器初始化
	for (irq = 0; irq < NR_IRQS; irq++) {
		set_irq_chip(irq, &s3c_irq_level_chip);
		set_irq_handler(irq, handle_level_irq);
		set_irq_flags(irq, IRQF_VALID);
	}
}

intr_init()函数对中断控制器进行初始化，主要是进行寄存器设置。和裸机基本一致，但是中断函数注册和中断处理流程需要用内核专用函数完成。

set_irq_chip(irq, &s3c_irq_level_chip)函数中，s3c_irq_level_chip就包含了s3c_irq_ack、s3c_irq_mask、s3c_irq_unmask三个处理函数。s3c_irq_ack作用为第一时间清除具体中断；s3c_irq_mask作用为向中断控制器mask具体中断，使对该中断的处理过程中，该中断不会再次发生；s3c_irq_unmask作用为向中断控制器unmask具体中断，使该中断可以再次触发。

5.3、 timer初始化.timer

很多实时操作系统都需要我们设置一个timer定时器，定时处理一个系统函数，给系统提供心跳时钟(嘀嗒时钟)。Linux也是如此，我们需要设置个timer定时器，每进一次timer中断处理一次timer_tick()函数，该函数一个最重要的工作就是给全局变量jiffies加一。Linux内核则根据jiffies的值可以知道系统相对运行时间。

struct sys_timer xx_timer = {
		.init		= xx_timer_init,
		.offset	= xx_gettimeoffset,
};

void xx_timer_init(void)
{
		xx_timer_setup();
    	setup_irq(IRQ_TIMER_NUM, &xx_timer_irq);
}
static struct irqaction xx_timer_irq = {
	.name		= "Timer Tick",
	.flags		= IRQF_DISABLED | IRQF_TIMER,
	.handler	= xx_timer_interrupt,
};

static irqreturn_t xx_timer_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
	清中断；
	timer_tick();//每次执行会让jiffies加一，内核依赖jiffies运行！！！
}

xx_timer_init函数的作用是进行timer定时器初始化、中断注册。一般可设为100ms或50ms触发一次timer中断，根据实际情况调整测试。

xx_gettimeoffset函数的作用是返回距离上次timer中断过了多少微秒。

include/asm-arm/param.h文件中有个HZ的宏定义，需要与我们timer定时中断使用的HZ匹配。因为内核需要根据HZ进行一些时间上的计时处理，不匹配会导致时间处理函数(例如判断超时时间)结果不准。