【转】UBOOT——启动内核

转自：https://www.cnblogs.com/biaohc/p/6403863.html

1：什么是UBOOT，为什么要有UBOOT？

　　UBOOT的主要作用是用来启动linux内核，因为CPU不能直接从块设备中执行代码，需要把块设备中的程序复制到内存中，而复制之前还需要进行很多初始化工作，如时钟、串口、dram等；

　　如要想让CPU启动linux内核，只能通过另外的程序，进行必要的初始化工作，在把linux内核中代码复制到内存中，并执行这块内存中的代码，即可启动linux内核；一般情况下，我们把linux

　　镜像储存在块设备中如SD卡、iNand、Nandflash等块设备中，首先执行UBOOT带码，在UBOOT中把块设备中的内核代码复制到内存地址0x30008000地址处，然后在执行bootm 0x30008000

　　命令来执行内核代码；

整个过程大致如上述所讲，下面我们详细分析一下UBOOT启动内核的代码：

2：在启动UBOOT时候会出现看机倒计时，如果没有按键按下，会自动启动内核，我们来看一下这个是如何实现的：

下面这段代码是在main_loop函数中：作用是执行完倒数计时函数以后启动linux内核，启动方式是 s = getenv ("bootcmd");我们假定不使用HUAH_PARSER的情况下 run_command (s, 0);

实际上就是读取环境变量bootcmd，然后执行这个命令；

s = getenv ("bootcmd");

    debug ("### main_loop: bootcmd=\"%s\"\n", s ? s : "<UNDEFINED>");

    if (bootdelay >= 0 && s && !abortboot (bootdelay)) {

#ifndef CFG_HUSH_PARSER
        run_command (s, 0);
#else
        parse_string_outer(s, FLAG_PARSE_SEMICOLON |
                    FLAG_EXIT_FROM_LOOP);

看一下bootcmd命令：bootcmd=movi read kernel 30008000; movi read rootfs 30B00000 300000; bootm 30008000 30B00000

movi read kernel 30008000 以及 bootm 30008000

这两个命令来完成linux内核启动的：

movi read kernel 30008000是把sd卡中kernel分区复制到30008000内存地址处，bootm 30008000即到内存地址处执行代码；

下面详细分一下bootm这个命令对应的函数

代码一步步分析：

下面这段代码的作用是判断内核镜像是zImage、uImage、设备树

在这里要解释一下zImage、uImage的区别：

linux内核代码经过编译链接以后生成一个elf文件名叫vmlinuz文件，这个文件在经过arm-linux-objcopy编译以后会生成一个Image镜像文件，vmlinuz elf文件大小为70M以上

而Image镜像文件为7M左右，然后Image文件在进一步经过压缩生成zImage文件，当zImage文件作为启动镜像来启动时，首先要解压这个文件，这个解压过程可以由uboot解压

或者zImage文件本身可以自解压，zImage中除了linux内核的镜像以外，还有一些头文件以及这部分解压代码，所以内核实际上在addr地址中在加一个偏移量的位置；

uImage是uboot自己专用的启动内核镜像，相对于zImage他们之间头文件有一定区别可以详细看代码是如何判断的；uImage现在基本上要属于过时的技术了，新一点的技术为

设备树的启动方式；

我们时这么使用bootm命令的：bootm 0x30008000

走的是addr = simple_strtoul(argv[1], NULL, 16)；

addr中的值为0x30008000

接下来判断0x30008000右偏移36字节以后，这个地址中的值如果为 0x016f2818这个魔数的话，说明启动镜像为zImage则 输出boot with zImage，

　　hdr->ih_os = IH_OS_LINUX;　　　　　　zImage header中 IH_os 赋值为 IH_OS_LINUX；

hdr->ih_ep = ntohl(addr);　　　　　　ih_ep 中存放的是point address 这个值实际上就是真正内核代码的地址；

在看下面这句代码

memmove (&images.legacy_hdr_os_copy, hdr, sizeof(image_header_t));

把hdr中的值复制一份到 image.legacy_hdr_os_copy中，即把内存地址0x30008000处设置好的zImage头复制一份到uboot的data段，

因为static bootm_headers_t images; images为uboot内定义的一个bootm_header_t格式的全局变量；

看一下bootm_header_t类型为一个结构体，包含一个image_header_t类型的指针，这个指针最后指向了0x30008000处的zImage header

还包含一个image_header_t类型的结构体，就是用上面那句代码把0x30008000处的zImage header在酯类复制了一份；

还包含一个标志位 legacy_hdr_valid如果上面两个赋值以后，把legacy_hdr_valid赋值为1；

typedef struct bootm_headers {

    image_header_t    *legacy_hdr_os;        /* image header pointer */
    image_header_t    legacy_hdr_os_copy;    /* header copy */
    ulong        legacy_hdr_valid;
}

uint8_t ih_os; /* Operating System */

typedef struct image_header {
    uint32_t    ih_magic;    /* Image Header Magic Number    */
    uint32_t    ih_hcrc;    /* Image Header CRC Checksum    */
    uint32_t    ih_time;    /* Image Creation Timestamp    */
    uint32_t    ih_size;    /* Image Data Size        */
    uint32_t    ih_load;    /* Data     Load  Address        */
    uint32_t    ih_ep;        /* Entry Point Address        */
    uint32_t    ih_dcrc;    /* Image Data CRC Checksum    */
    uint8_t        ih_os;        /* Operating System        */
    uint8_t        ih_arch;    /* CPU architecture        */
    uint8_t        ih_type;    /* Image Type            */
    uint8_t        ih_comp;    /* Compression Type        */
    uint8_t        ih_name[IH_NMLEN];    /* Image Name        */
} image_header_t;

#ifdef CONFIG_ZIMAGE_BOOT
#define LINUX_ZIMAGE_MAGIC    0x016f2818
    /* find out kernel image address */
    if (argc < 2) {
        addr = load_addr;
        debug ("*  kernel: default image load address = 0x%08lx\n",
                load_addr);
    } else {
        addr = simple_strtoul(argv[1], NULL, 16);
        debug ("*  kernel: cmdline image address = 0x%08lx\n", img_addr);
    }

    if (*(ulong *)(addr + 9*4) == LINUX_ZIMAGE_MAGIC) {
        printf("Boot with zImage\n");
        addr = virt_to_phys(addr);
        hdr = (image_header_t *)addr;
        hdr->ih_os = IH_OS_LINUX;
        hdr->ih_ep = ntohl(addr);

        memmove (&images.legacy_hdr_os_copy, hdr, sizeof(image_header_t));

        /* save pointer to image header */
        images.legacy_hdr_os = hdr;

        images.legacy_hdr_valid = 1;

        goto after_header_check;
    }
#endif

直接跳转到after_header_check处，os为IH_OS_LINUX

下面判断操作系统，然后调用do_bootm_linux函数；

do_bootm_linux (cmdtp, flag, argc, argv, &images);

#if defined(CONFIG_ZIMAGE_BOOT)
after_header_check:
     os = hdr->ih_os;
#endif

     switch (os) {
     default:            /* handled by (original) Linux case */
     case IH_OS_LINUX:
#ifdef CONFIG_SILENT_CONSOLE
         fixup_silent_linux();
#endif
        do_bootm_linux (cmdtp, flag, argc, argv, &images);
        break;

    case IH_OS_NETBSD:
        do_bootm_netbsd (cmdtp, flag, argc, argv, &images);
        break;

#ifdef CONFIG_LYNXKDI
    case IH_OS_LYNXOS:
        do_bootm_lynxkdi (cmdtp, flag, argc, argv, &images);
        break;
#endif

    case IH_OS_RTEMS:
        do_bootm_rtems (cmdtp, flag, argc, argv, &images);
        break;

#if defined(CONFIG_CMD_ELF)
    case IH_OS_VXWORKS:
        do_bootm_vxworks (cmdtp, flag, argc, argv, &images);
        break;

    case IH_OS_QNX:
        do_bootm_qnxelf (cmdtp, flag, argc, argv, &images);
        break;
#endif

#ifdef CONFIG_ARTOS
    case IH_OS_ARTOS:
        do_bootm_artos (cmdtp, flag, argc, argv, &images);
        break;
#endif
    }
    show_boot_progress (-9);
#ifdef DEBUG
    puts ("\n## Control returned to monitor - resetting...\n");
    do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);
#endif
    if (iflag)
         enable_interrupts();
     return 1;
}

下面看一下do_bootm_linux都做了哪些事情

#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
    char *commandline = getenv ("bootargs");
#endif

首先获取环境变量bootargs：

if (images->legacy_hdr_valid) {
        ep = image_get_ep (&images->legacy_hdr_os_copy)

else {
puts ("Could not find kernel entry point!\n");
goto error;
}

在判断全局变量images中的legacy_hdr_valid是否为1，如果为1 获取ep 值；如果为1读出ep的值，如果不为1则erro

theKernel = (void (*)(int, int, uint))ep;

    s = getenv ("machid");
    if (s) {
        machid = simple_strtoul (s, NULL, 16);
        printf ("Using machid 0x%x from environment\n", machid);
    }

把ep强制类型换换为函数指针类型复制给thekernel；

从环境变量中读取machid的值，赋值给s，如果s不空 则machid = 环境变量中machid的值，并打印machid；

在看一下uboot如何给内核传参：

传参主要是uboot把与硬件有关的信息传给linux内核，如memory信息几bank size 起始地址、命令行信息、lcd 串口、initrd、MTD等信息

#if defined (CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || \
    defined (CONFIG_CMDLINE_TAG) || \
    defined (CONFIG_INITRD_TAG) || \
    defined (CONFIG_SERIAL_TAG) || \
    defined (CONFIG_REVISION_TAG) || \
    defined (CONFIG_LCD) || \
    defined (CONFIG_VFD) || \
    defined (CONFIG_MTDPARTITION)
    setup_start_tag (bd);
#ifdef CONFIG_SERIAL_TAG
    setup_serial_tag (&params);
#endif
#ifdef CONFIG_REVISION_TAG
    setup_revision_tag (&params);
#endif
#ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS
    setup_memory_tags (bd);
#endif
#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
    setup_commandline_tag (bd, commandline);
#endif
#ifdef CONFIG_INITRD_TAG
    if (initrd_start && initrd_end)
        setup_initrd_tag (bd, initrd_start, initrd_end);
#endif
#if defined (CONFIG_VFD) || defined (CONFIG_LCD)
    setup_videolfb_tag ((gd_t *) gd);
#endif

#ifdef CONFIG_MTDPARTITION
    setup_mtdpartition_tag();
#endif

    setup_end_tag (bd);
#endif

    /* we assume that the kernel is in place */
    printf ("\nStarting kernel ...\n\n");

#ifdef CONFIG_USB_DEVICE
    {
        extern void udc_disconnect (void);
        udc_disconnect ();
    }
#endif

    cleanup_before_linux ();

    theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params);
    /* does not return */

首先：如要定义了任意一个CONFIG_XXXXX的话

struct tag {
        struct tag_header hdr;
        union {
                struct tag_core         core;
                struct tag_mem32        mem;
                struct tag_videotext    videotext;
                struct tag_ramdisk      ramdisk;
                struct tag_initrd       initrd;
                struct tag_serialnr     serialnr;
                struct tag_revision     revision;
                struct tag_videolfb     videolfb;
                struct tag_cmdline      cmdline;

                /*
                * Acorn specific
                */
                struct tag_acorn        acorn;

                /*
                 * DC21285 specific
                 */
                struct tag_memclk       memclk;

                struct tag_mtdpart      mtdpart_info;
        } u;
};

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);
}

　

struct tag_header {
    u32 size;
    u32 tag;
};

首先要setup_start_tag(bd); 这个函数的作用

　　params = (struct tag *) bd->bi_boot_params; 给params赋值，gd->bd->bi_boot_params = (PHYS_SDRAM_1+0x100);

　　这句代码的作用就是把uboot全局变量中设定好的bi_boot_params内存地址处强制转换为stuct tag* 类型赋值给params

　　分析一下struct tag结构体：它是由一个stuct tag_header类型的结构体加上一个由一系列结构体组成的union联合体组成；

　　这一系列结构体中存放的就是与board有关的参数；

　　把PHYS_SDRAM_1+0x100这个地址设置为传参的起始地址；

　　params->hdr.tag = ATAG_CORE;

　　params->hdr.size = tag_size (tag_core);

　　hdr.tag 与hdr.size赋值；

　　params->u.core.flags = 0;

　　params->u.core.pagesize = 0;

　　params->u.core.rootdev = 0;

　　然后对联合体中的结构体参数赋值；

　　 #define tag_next(t) ((struct tag *)((u32 *)(t) + (t)->hdr.size))

　　params = tag_next (params);

　　在把params向右移动sizeof(tag_core)大小

　　继续赋值：

　　#ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS

　　 setup_memory_tags (bd); 

　　#endif

　　这段代码是传递内存参数：

　　把内存每个bank的信息放到这里：第一个扇区的起始地址和大小，第二个扇区的起始地址和大小

#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;
        params->u.mem.size = bd->bi_dram[i].size;

        params = tag_next (params);
    }
}
#endif /* CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS */

　　接着是传递命令行参数

 1 static void setup_commandline_tag (bd_t *bd, char *commandline)
 2 {
 3     char *p;
 4
 5     if (!commandline)
 6         return;
 7
 8     /* eat leading white space */
 9     for (p = commandline; *p == ' '; p++);
10
11     /* skip non-existent command lines so the kernel will still
12      * use its default command line.
13      */
14     if (*p == '\0')
15         return;
16
17     params->hdr.tag = ATAG_CMDLINE;
18     params->hdr.size =
19         (sizeof (struct tag_header) + strlen (p) + 1 + 4) >> 2;
20
21     strcpy (params->u.cmdline.cmdline, p);
22
23     params = tag_next (params);
　　}

前面我们分析了commandline是一个char *类型，指向环境变量中的bootargs的值；

#define CONFIG_BOOTARGS     "root=/dev/mtdblock4 rootfstype=yaffs2 init=/init console=ttySAC0,115200"

最后setup_end_tag (bd);结束传参

再看最后uboot中最后一句代码

theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params);
    /* does not return */
    return;

通过执行thekernel函数直接启动linux内核，传递三个参数0、machid、传参的首地址；

这三个参数是通过r0、r1、r2三个寄存器来传递了，r0传递0、r1传递machid、r2传递传参的首地址；

这样就启动起来linux内核了；

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下面我们再来总结一下uboot启动linux内核的整个流程：

开机时会出现倒计时，当没有按键按下的时候，uboot会读取出bootcmd这个环境变量，并使用rum_command函数来执行这个命令；

实质是执行了movi read kernel 30008000；以后在执行bootm 30008000

moviread kernel的作用是把sd卡中的kernel分区赋值到30008000内存处

bootm 30008000就是真正的传参以及跳转到linux内核中执行；

bootm 首先要做的事情是判断这个内核镜像为zImage、uImage、设备树

通过对镜像文件的头文件的验证，确定是哪种内核镜像，然后再把必须的信息储存起来如是linux操作系统，ep的值等；

确定好以后调用do_bootm_linux函数来对内核传参并且启动内核；