u-boot分析之顶层Makefile、mkconfig结构分析

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本章uboot代码分析是基于全志A33平台，uboot代码版本是U-boot-2011.09。

Bootloader概念介绍：
在嵌入式操作系统中，BootLoader是在操作系统内核运行之前运行。可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。在嵌入式系统中，通常并没有像BIOS那样的固件程序（注，有的嵌入式CPU也会内嵌一段短小的启动程序），因此整个系统的加载启动任务就完全由BootLoader来完成。在一个基于ARM7TDMI core的嵌入式系统中，系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000（视CPU而定）处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的BootLoader程序。
对应的示意图如下：

---

代码分析：
拿到uboot代码的第一我们可以使用指令来编译一下试试看，我分析的代码是基于全志A33平台的，编译代码指令如下：

make sun8iw5p1
make 

这个过程主要涉及到两个文件，顶层的Makefile文件和mkconfig文件，mkconfig文件是一个脚本，通过文件的注释可以了解到它的作用。

# Script to create header files and links to configure
# U-Boot for a specific board.
#
# Parameters:  Target  Architecture  CPU  Board [VENDOR] [SOC]

要了解整个程序的框架我们要从解析Makefile开始，打开根目录下的Makefile文件。

一般根目录下的Makefile会有很多个配置文件项，他们一般有如下参数：

Target    ARCH     CPU      Board name       Vendor      SoC      Options

这些参数会指名芯片的一些信息，uboot根据这些信息来编译生成目标，但是上面的这款芯片（sun8iw5p1）我没有在Makefile里面找到相关的目标定义，不过在Makefile看下来可以找到这样的一段代码：

sinclude $(obj).boards.depend
$(obj).boards.depend:  boards.cfg
    awk '(NF && $$1 !~ /^#/) { print $$1 ": " $$1 "_config; $$(MAKE)" }' $< > $@

一般obj为空，因此有一个隐藏文件 .boiards.depend
我们可以从根目录.boiards.depend里面找到下面这一句代码

sun8iw5p1: sun8iw5p1_config; $(MAKE)

执行的时候sun8iw5p1目标就是这里来的
上面那一句的意思如下：

$< >是输入文件(boards.cfg)，$@是目标本身(.boards.depend) ，如果文件中某行不为空，第一个元素不为‘~’和‘#’就将其以print 
{ print $$1 ": " $$1 "_config; $$(MAKE)" }
" $$1 "_config; $$(MAKE)"的格式输出到文件$@中，最终生成的.boards.depend

也可以通过在uboot目录命令行执行下面语句得到这个.boards.depend

awk '(NF && $$1 !~ /^#/) { print $$1 ": " $$1 "_config; $$(MAKE)" }' boards.cfg  >.boards.depend

接着来看其中的意思：

sun8iw5p1：sun8iw5p1_config; $$(MAKE)
意思如下：
sun8iw5p1 依赖于 sun8iw5p1_config
$$(MAKE)的意思就是make
如果放在一行需要加个分号。换行的$(MAKE)用tab开头

所以整句的意思就是先构建 sun8iw5p1_config 随后执行 make

sun8iw5p1: sun8iw5p1_config; $$(MAKE)== make sun8iw5p1_config&&make

接着在Makefile里面可以看下下面的几行代码：

%_config::  unconfig
    @$(MKCONFIG) -A $(@:_config=)

%在Makefile中作为通配符用来通配任意长度的字符，因此当我们执行 make sun8iw5p1_config的时候就会匹配到%_config这条语句。::在Makefile中用来强制执行下面的命令，所以匹配到%_config之后，就会去执行 unconfig

unconfig:
    @rm -f $(obj)include/config.h $(obj)include/config.mk \
        $(obj)board/*/config.tmp $(obj)board/*/*/config.tmp \
        $(obj)include/autoconf.mk $(obj)include/autoconf.mk.dep

unconfig的作用是去除原来的配置信息。然后去执行下面这条：

@$(MKCONFIG) -A $(@:_config=)

这条命令，@的作用是用来去除回显， $(MKCONFIG) 在前面被定义为

MKCONFIG    := $(SRCTREE)/mkconfig

这里可以试着将上面 MKCONFIG 前面的 @ 去掉，然后执行make sun8iw5p1_config，可以通过回显看到以下内容：

/……/u-boot-2011.09/mkconfig –A sun8iw5p1
Configuring for sun8iw5p1 board…

所以我们执行make sun8iw5p1 _config实际上被解析成：

/……/u-boot-2011.09/mkconfig –A sun8iw5p1

接下来可以打开 mkconfig 看下里面做了什么：

#首先定义一些变量供后面填充
APPEND=no   # Default: Create new config file
BOARD_NAME=""   # Name to print in make output
TARGETS=""

arch=""
cpu=""
board=""
vendor=""
soc=""
options=""

#$表示参数的个数，这里我们的参数是2个
#-a表示逻辑与
#传入的指令为: mkconfig -A  sun8iw5p1
#条件符合
if [ \( $# -eq 2 \) -a \( "$1" = "-A" \) ] ; then
    # Automatic mode
    #这里是执行egrep命令( egrep命令是一个搜索文件获得模式，使用些命令可以任意搜索文件中的字符串和符号，也可以为你搜索一个多个文件的字符串，一个提示符可以是单个字符、一个字符串、一个字、一个句子。)；
    #-i参数是指：当进行比较时忽略字符的大小写；
    #^是指：行首，用法举例。^[fuck]表示：以fuck开头的行；
    #[[:space:]]是指：空格或tab；
    #^[[:space:]]则是指：以空格或tab开头的行；   #*则是指：匹配零个或多个先前字符。如：'*grep'匹配所有一个或多个空格后紧跟grep的行；
    #${2}是指：第二个参数的内容，即sun8iw5p1；
    #||是指：和我们c语言的或的用法一样，前面成立的时候，后面不执行；
    line=`egrep -i "^[[:space:]]*${2}[[:space:]]" boards.cfg` || {
        echo "make: *** No rule to make target \`$2_config'.  Stop." >&2
        exit 1
    }

    #@设置shell，就理解成重新录入参数，以此最终shell的参数如下：
    set ${line}
    # add default board name if needed
    #@如果传人的参数的总个数为3个，才执行set命令，这里不成立
    [ $# = 3 ] && set ${line} ${1}
fi

所以上面的代码就是指在boards.cfg文件中搜索以

${2}(即sun8iw5p1)

开头的行，匹配成功后，把改行保存到变量line中，因此后面的${line}的内容就是：

sun8iw5p1  arm  armv7  sun8iw5  sunxi  sun8iw5

所以这里最终执行的命令被改为：

./mkconfig  sun8iw5p1  arm  armv7  sun8iw5  sunxi  sun8iw5

接着mkconfig后面的代码：

#如果参数个数大于0个，执行下面的，成立
while [ $# -gt 0 ] ; do
#类似于c中的switch，这里没有符号的case条件
    case "$1" in
    --) shift ; break ;;
    -a) shift ; APPEND=yes ;;
    -n) shift ; BOARD_NAME="${1%_config}" ; shift ;;
    -t) shift ; TARGETS="`echo $1 | sed 's:_: :g'` ${TARGETS}" ; shift ;;
    *)  break ;;
    esac
done

#如果参数个数小于4，退出，这里不成立
[ $# -lt 4 ] && exit 1
#如果参数个数大于7，退出，这里不成立
[ $# -gt 7 ] && exit 1

# Strip all options and/or _config suffixes

#1%_config表示去掉后面的'_config' CONFIG_NAME=sun8iw5p1
CONFIG_NAME="${1%_config}"

#BOARD_NAME = sun8iw5p1
[ "${BOARD_NAME}" ] || BOARD_NAME="${1%_config}"

#target=sun8iw5p1
target="$1"
#arch=arm
arch="$2"
#cpu=armv7
cpu="$3"

if [ "$4" = "-" ] ; then
    board=${BOARD_NAME}
else
    #board=sun8iw5
    board="$4"
fi
#参数个数大于4，vendor=sunxi
[ $# -gt 4 ] && [ "$5" != "-" ] && vendor="$5"
#参数个数大于5，soc=sun8iw5
[ $# -gt 5 ] && [ "$6" != "-" ] && soc="$6"
#参数个数不大于6，这个不成立
[ $# -gt 6 ] && [ "$7" != "-" ] && {
    # check if we have a board config name in the options field
    # the options field mave have a board config name and a list
    # of options, both separated by a colon (':'); the options are
    # separated by commas (',').
    #
    # Check for board name
    tmp="${7%:*}"
    if [ "$tmp" ] ; then
        CONFIG_NAME="$tmp"
    fi
    # Check if we only have a colon...
    if [ "${tmp}" != "$7" ] ; then
        options=${7#*:}
        TARGETS="`echo ${options} | sed 's:,: :g'` ${TARGETS}"
    fi
}
#这里不成立
if [ "${ARCH}" -a "${ARCH}" != "${arch}" ]; then
    echo "Failed: \$ARCH=${ARCH}, should be '${arch}' for ${BOARD_NAME}" 1>&2
    exit 1
fi

#该步骤就是打印大家常见的：Configuring for smdkc100 board...
if [ "$options" ] ; then
#不成立
    echo "Configuring for ${BOARD_NAME} - Board: ${CONFIG_NAME}, Options: ${options}"
else
#成立
    echo "Configuring for ${BOARD_NAME} board..."
fi

#
# Create link to architecture specific headers
#
#这里执行分支
if [ "$SRCTREE" != "$OBJTREE" ] ; then
    mkdir -p ${OBJTREE}/include
    mkdir -p ${OBJTREE}/include2
    cd ${OBJTREE}/include2
    rm -f asm
    ln -s ${SRCTREE}/arch/${arch}/include/asm asm
    LNPREFIX=${SRCTREE}/arch/${arch}/include/asm/
    cd ../include
    mkdir -p asm
else
    cd ./include
    #删除现有的asm连接文件
    rm -f asm
    #重新让asm指向\arch\arm\include\asm
    #问：为什么要建立这样的连接文件呢？
    #答：是为了在源码中写代码的方便，比如：
    #include <asm/type.h>   源码中的书写形式！！！！
    #但是当执行完配置命令后，就相当于#include <asm-arm/type.h>。这样方便支持多种架构，根据架构名（arm）临时生成
    ln -s ../arch/${arch}/include/asm asm
fi

rm -f asm/arch

if [ -z "${soc}" ] ; then
    ln -s ${LNPREFIX}arch-${cpu} asm/arch
else
    #重新让include/asm/arch指向arch-sun8iw5
    ln -s ${LNPREFIX}arch-${soc} asm/arch
fi

if [ "${arch}" = "arm" ] ; then
    rm -f asm/proc
    #建立链接asm/proc到proc-armv
    ln -s ${LNPREFIX}proc-armv asm/proc
fi

#
# Create include file for Make
#
#该步骤就是创建一个头文件(即include/config.mk)，用于顶层的Makefile的宏控
echo "TARGET = ${target}"  >  config.mk
echo "ARCH   = ${arch}"  >> config.mk
echo "CPU    = ${cpu}"   >> config.mk
echo "BOARD  = ${board}" >> config.mk

[ "${vendor}" ] && echo "VENDOR = ${vendor}" >> config.mk

[ "${soc}"    ] && echo "SOC    = ${soc}"    >> config.mk

# Assign board directory to BOARDIR variable
if [ -z "${vendor}" ] ; then
    BOARDDIR=${board}
else
    BOARDDIR=${vendor}/${board}
fi

#
# Create board specific header file
#
#创建开发板相关的头文件inlucde/config.h
if [ "$APPEND" = "yes" ]   # Append to existing config file
then
    echo >> config.h
else
    > config.h      # Create new config file
fi
echo "/* Automatically generated - do not edit */" >>config.h

for i in ${TARGETS} ; do
    i="`echo ${i} | sed '/=/ {s/=/ /;q; } ; { s/$/    1/; }'`"
    echo "#define CONFIG_${i}" >>config.h ;
done

#以下就是填充config.h中的内容了：>是新建、>>是追加
cat << EOF >> config.h
#define CONFIG_BOARDDIR board/$BOARDDIR
#include <config_cmd_defaults.h>
#include <config_defaults.h>
#include <configs/${CONFIG_NAME}.h>
#include <asm/config.h>
EOF

exit 0

可以看到在 include/config.mk 的内容如下

TARGET = sun8iw3p1
ARCH   = arm
CPU    = armv7
BOARD  = sun8iw3
VENDOR = sunxi
SOC    = sun8iw3

至此单板的配置算是完成了，接着继续回到顶层Makefile，Makefile先是定义了一些目录，然后获取刚生成的config.mk的配置信息，确定编译工具链，定义生成目标 start.o，添加库文件，生成目标文件u-boot.bin。
我们看下它是如何生成目标u-boot.bin

#生成以下目标
ALL-y += $(obj)u-boot.srec $(obj)u-boot.bin $(obj)System.map $(obj)u-boot-$(TARGET).bin

搜索得到u-boot.bin依赖于u-boot

#后面那个u-boot是elf格式的，需要生成二进制格式的u-boot.bin 
$(obj)u-boot.bin:	$(obj)u-boot
        $(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O binary $< $@
        $(BOARD_SIZE_CHECK)

查看u-boot的依赖如下：

$(obj)u-boot:  depend \
        $(SUBDIRS) $(OBJS) $(LIBBOARD) $(LIBS) $(LDSCRIPT) $(obj)u-boot.lds
        $(GEN_UBOOT)
ifeq ($(CONFIG_KALLSYMS),y)
        smap=`$(call SYSTEM_MAP,u-boot) | \
            awk '$$2 ~ /[tTwW]/ {printf $$1 $$3 "\\\\000"}'` ; \
		$(CC) $(CFLAGS) -DSYSTEM_MAP="\"$${smap}\"" \
            -c common/system_map.c -o $(obj)common/system_map.o
        $(GEN_UBOOT) $(obj)common/system_map.o
endif

直接看最后一项“GEN_UBOOT”

GEN_UBOOT = \
        UNDEF_SYM=`$(OBJDUMP) -x $(LIBBOARD) $(LIBS) | \
        sed  -n -e 's/.*\($(SYM_PREFIX)__u_boot_cmd_.*\)/-u\1/p'|sort|uniq`;\
        cd $(LNDIR) && $(LD) $(LDFLAGS) $(LDFLAGS_$(@F)) $$UNDEF_SYM $(__OBJS) \
            --start-group $(__LIBS) --end-group $(PLATFORM_LIBS) \
            -Map u-boot.map -o u-boot

这段指令非常多，我们可以使用取巧的办法，直接编译uboot，查看uboot生成的log来查看执行了什么，查看关键词“UNDEF_SYM”，这里取出关键的几句如下：

cd /home/zephyr/zephyr/a33_linux/sina33-qt-7inch/lichee/brandy/u-boot-2011.09 && /home/zephyr/zephyr/a33_linux/sina33-qt-7inch/lichee/brandy/u-boot-2011.09/../gcc-linaro/bin/arm-linux-gnueabi-ld  -pie -T u-boot.lds -Bstatic $UNDEF_SYM arch/arm/cpu/armv7/start.o

--start-group api/libapi.o arch/arm/cpu/armv7/libarmv7.o 
...
...
/home/zephyr/zephyr/a33_linux/sina33-qt-7inch/lichee/brandy/u-boot-2011.09/arch/arm/lib/eabi_compat.o  -L./openssl -lssl -lcrypto -L /home/zephyr/zephyr/a33_linux/sina33-qt-7inch/lichee/brandy/gcc-linaro/bin/../lib/gcc/arm-linux-gnueabi/4.6.3 -lgcc -Map u-boot.map -o u-boot

链接文件依赖于链接脚本 u-boot.lds 和后面的源材料 start.o 以及后面所有的lib库，最后生成 u-boot ，他们是根据 u-boot.lds 来组织成 uboot 的， u-boot.lds 链接脚本标示了这些文件的代码段，只读数据段，数据段，和u_boot_cmd段（这个段是uboot自己定义的段区），他们的链接地址是从“0x4A000000（根据不同芯片不同）”开始
的，这里第一个运行的程序是 start.o ，开始地址是 0x4A000000 ，后面我们可以从第一个文件 start.S 来分析uboot的功能。

感谢网友提供的参考资料：
https://www.cnblogs.com/CoderTian/p/5986188.html
http://blog.csdn.net/ultraman_hs/article/details/52745259
http://www.cfanz.cn/?c=article&a=read&id=50173