Linux-uboot-学习笔记（8）：uboot启动内核
uboot启动时，在执行到theKernel指针时即跳转到内核执行，也就标志着uboot的结束。在此之前uboot要进行内核启动的最后准备：从内核镜像的部署位置将内核搬移到DDR中，校验内核格式，准备内核传的参数，跳转到theKernel去执行内核。
一、uboot内核是什么
内核实质上是一个大的、复杂的“裸机程序”，和uboot、和其他裸机程序并没有本质区别。
区别就是操作系统运行起来后在软件上分为内核层和应用层，分层后两层的权限不同，内存访问和设备操作的管理上更加精细（内核可以随便访问各种硬件，而应用程序只能被限制的访问硬件和内存地址）。
直观来看：uboot的镜像是u-boot.bin，linux系统的镜像是zImage，这两个东西其实都是两个裸机程序镜像。从系统的启动角度来讲，内核其实就是一个大的复杂点裸机程序。
uboot是无条件启动的，从零开始启动的。而内核是不能开机自动完全从零开始启动的，内核启动要别人帮忙。uboot要帮助内核实现重定位（从SD卡到DDR），uboot还要给内核提供启动参数。
二、特定的分区部署
一个完整的软件+硬件的嵌入式系统，静止时（未上电时）bootloader、kernel、rootfs等必须的软件都以镜像的形式存储在启动介质中（X210中是iNand/SD卡）；运行时都是在DDR内存中运行的，与存储介质无关。上面2个状态都是稳定状态，第3个状态是动态过程，即从静止态到运行态的过程，也就是启动过程。
动态启动过程就是一个从SD卡逐步搬移到DDR内存，并且运行启动代码进行相关的硬件初始化和软件架构的建立，最终达到运行时稳定状态。
静止时u-boot.bin zImage rootfs都在SD卡中，他们不可能随意存在SD卡的任意位置，因此需要对SD卡进行一个分区，然后将各种镜像各自存在各自的分区中，这样在启动过程中uboot、内核等就知道到哪里去找谁。（uboot和kernel中的分区表必须一致，同时和SD卡的实际使用的分区要一致）
uboot在第一阶段中进行重定位时将第二阶段（整个uboot镜像）加载到DDR的0xc3e00000地址处，这个地址就是uboot的链接地址。
内核也有类似要求，uboot启动内核时将内存从SD卡读取放到DDR中（其实就是个重定位的过程），不能随意放置，必须放在内核的链接地址处，否则启动不起来。譬如我们使用的内核链接地址是0x30008000。
三、uboot内核启动过程
1. 启动内核第一步：加载内核到DDR中
uboot要启动内核，分为2个步骤：第一步是将内核镜像从启动介质中加载到DDR中，第二步是去DDR中启动内核镜像。（内核代码根本就没考虑重定位，因为内核知道会有uboot之类的把自己加载到DDR中链接地址处的，所以内核直接就是从链接地址处开始运行的）
内核镜像最初在SD卡的kernel分区，因此在内核启动前需要从SD卡的kernel分区读取内和镜像（zImage-qt）并加载到DDR中。
通过uboot指令读取：movi read kernel 30008000
通过tftp加载：tftp 0x30008000 zImage-qt（加载前要将zImage-qt放到tftpboot文件夹下）
加载完成后，通过指令启动内核：bootm 0x30008000
最终结果要的是内核镜像到DDR中特定地址即可，不管内核镜像是怎么到DDR中的。以上2种方式各有优劣。产品出厂时会设置为从SD卡中启动（客户不会还要搭建tftp服务器才能用···）；tftp下载远程启动这种方式一般用来开发。
2. 启动内核第二步：校验内核格式
首先说明内核镜像大概有三种版本：Image、zImage和uImage。
linux内核经过编译后也会生成一个elf格式的可执行程序，叫vmlinux或vmlinuz，这个就是原始的未经任何处理加工的原版内核elf文件；嵌入式系统部署时烧录的一般不是这个vmlinuz/vmlinux，而是要用objcopy工具去制作成烧录镜像格式（就是u-boot.bin这种，但是内核没有.bin后缀），经过制作加工成烧录镜像的文件就叫Image（制作把78M大的精简成了7.5M，因此这个制作烧录镜像主要目的就是缩减大小，节省磁盘）。
实际上linux的作者们觉得Image还是太大了所以对Image进行了压缩，并且在image压缩后的文件的前端附加了一部分解压缩代码（这部分未经压缩）。构成了一个压缩格式的镜像就叫zImage。
uboot为了启动linux内核，还发明了一种内核格式叫uImage。uImage是由zImage加工得到的，uboot中有一个工具，可以将zImage加工生成uImage。注意：uImage不关linux内核的事，linux内核只管生成zImage即可，uboot中的mkimage工具再去由zImage加工生成uImage来给uboot启动。这个加工过程其实就是在zImage前面加上64字节的uImage的头信息即可。
do_bootm函数中一直到397行的after_header_check这个符号处，都是在进行镜像的头部信息校验。校验时就要根据不同种类的image类型进行不同的校验。所以do_bootm函数的核心就是去分辨传进来的image到底是什么类型，然后按照这种类型的头信息格式去校验。校验通过则进入下一步准备启动内核；如果校验失败则认为镜像有问题，所以不能启动。
（1）zImage启动
对于zImage的魔数，如果校验成功了，则通过zImage的格式启动。因此我们可以查看zImage的内容，看看魔数所在的位置与检测时的方法是否对应。
image_header_t这个数据结构是我们uboot启动内核使用的一个标准启动数据结构，zImage头信息也是一个image_header_t，但是在实际启动之前需要进行一些改造。hdr->ih_os = IH_OS_LINUX; hdr->ih_ep = ntohl(addr);这两句就是在进行改造。
images全局变量是do_bootm函数中使用，用来完成启动过程的。zImage的校验过程其实就是先确认是不是zImage，确认后再修改zImage的头信息到合适，修改后用头信息去初始化images这个全局变量，然后就完成了校验。
（2）uImage启动
常规情况下uboot支持3种情况：
IMAGE_FORMAT_INVALID：镜像格式不合法。
IMAGE_FORMAT_LEGACY：uImage格式。
IMAGE_FORMAT_FIT：设备树格式。
uImage的启动校验主要在boot_get_kernel函数中，主要任务就是校验uImage的头信息，并且得到真正的kernel的起始位置去启动。
这里传参的方式与zImage相同，支持两种情况，参数小于2时使用默认地址；参数大于等于2时，将argv[1]传进去。
这里是通过魔数码判断uImage镜像格式，并打印信息。
这里是判断完成之后，打印镜像内部一些信息。
这里是uImage的解压缩方式。
通过分析代码可得，uImage与zImage大致相同，都是先通过魔数码判断镜像格式，之后再通过构建images将参数保存下来。images中包含了该镜像的头信息，通过这些头信息能够得到该镜像的基本内容（魔数，镜像长度、镜像种类、入口地址等）。之后的传参也需要用到这里面的信息。
3. 启动内核第三步：准备内核传参
（1）entrypoint介绍
ep就是entrypoint的缩写，就是程序入口。一个镜像文件的起始执行部分不是在镜像的开头（镜像开头有n个字节的头信息），真正的镜像文件执行时第一句代码在镜像的中部某个字节处，相当于头是有一定的偏移量的。这个偏移量记录在头信息中。
一般执行一个镜像都是：第一步先读取头信息，然后在头信息的特定地址找MAGIC_NUM，由此来确定镜像种类；第二步对镜像进行校验；第三步再次读取头信息，由特定地址知道这个镜像的各种信息（镜像长度、镜像种类、入口地址）；第四步就去entrypoint处开始执行镜像。
（2）机器码对比
uboot在启动内核时，机器码要传给内核。uboot传给内核的机器码是怎么确定的？第一顺序备选是环境变量machid，第二顺序备选是gd->bd->bi_arch_num（x210_sd.h中硬编码配置的）。
（3）tag传参
uboot给kernel传参是通过struct tag，tag是一个数据结构，在uboot和linux kernel中都有定义tag数据机构，而且定义是一样的。
因为uboot和kernel不能同时运行，uboot结束后通过thekernel指针开始执行kernel。所以uboot以一种特定格式（tag）放在特定的位置，然后kernel启动后去对应的位置用对应的方法取。将来传递的参数是一个一个的tag。
tag_header和tag_xxx。tag_header中有这个tag的size和类型编码（0x54410001），kernel拿到一个tag后先分析tag_header得到tag的类型（core）和大小，然后将tag中剩余部分当作一个tag_xxx（tag_core）来处理。
tag_start与tag_end。kernel接收到的传参是若干个tag构成的，这些tag由tag_start起始，到tag_end结束。
起始tag是ATAG_CORE、结束tag是ATAG_NONE，其他的ATAG_XXX都是有效信息tag。
CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS，tag_mem，传参内容是内存配置信息。
CONFIG_CMDLINE_TAG，tag_cmdline，传参内容是启动命令行参数，也就是uboot环境变量的bootargs.
CONFIG_INITRD_TAG，linux的INITRD机制。
CONFIG_MTDPARTITION，传参内容是iNand/SD卡的分区表。
（4）theKernel函数
通过上面tag传参我们可以知道，当内核启动后，通过相应的tag能够进行各种信息参数的传递，那么内核怎么样能够拿到我们这些tag呢？
答：uboot最终是调用theKernel函数来执行linux内核的，uboot调用这个函数（其实就是linux内核）时传递了3个参数。这3个参数就是uboot直接传递给linux内核的3个参数，通过寄存器来实现传参的。（第1个参数就放在r0中，第二个参数放在r1中，第3个参数放在r2中）第1个参数固定为0，第2个参数是机器码，第3个参数传递的就是大片传参tag的首地址。
theKernel = (void (*)(int, int, uint))ep;将ep赋值给theKernel，则这个函数指向就指向了内存中加载的OS镜像的真正入口地址（就是操作系统的第一句执行的代码）。Thekernel是uboot的最后一句，通过函数指针将参数传进去。
