uboot启动内核笔记

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1. uboot与内核的关系

uboot其实全名叫Universal BootLoader（通用引导装载程序），是专门用来启动内核的引导代码。每个要启动内核的CPU必须先执行uboot代码初始化运行环境，然后将内核代码从启动介质（比如iNand）搬移到内核链接指定地址处，最后跳转执行内核完成启动内核的工作。uboot与内核起初都被烧录到启动介质指定扇区处，而烧录的文件（镜像）分别为u-boot.bin与zImage，在电源打开时，CPU会自动取走uboot到SRAM中，然后按照上述的步骤直到完成自己的使命。除了上面的两个镜像外，一般还有个rootfs。

2. 内核的各个版本

u-boot.bin镜像的前身其实是可执行程序u-boot（elf格式），u-boot通过arm-linux-objcopy工具修改为u-boot.bin。同样的，zImage最原先是vmlinux或vmlinuz文件，格式也是elf，这个文件78M，而且它不能被CPU直接执行，必须通过arm-linux-objcopy工具修改为Image，这个文件7.5M，但当时启动介质一般是软盘，大小为1.2M和1.44MB两种，为了能够节省软盘，开源社区将Image镜像压缩后，并在镜像前加了一段解压缩代码，构成了zImage镜像。然后，uboot开源社区为了启动内核，还发明了另外一种镜像uImage （zImage前面加上64字节的uImage的头信息） ，这个镜像是由zImage通过make uImage命令获得的，其中用到了一个文件mkimage ，这个文件可以在uboot的BSP中找到。此外究竟是使用zImage还是uImage（这两个都可以被uboot启动，但有些uboot不支持zImage，相反，所有uboot都支持uImage），可以通过x210_sd.h 中是否定义了LINUX_ZIMAGE_MAGIC这个宏来决定。

3. do_bootm函数(…/uboot/common/Cmd_bootm.c)

在uboot启动内核时会调用一个命令，这个命令就是bootm，它是由do_bootm函数实现的（一般所有命令的实现函数名都是do_xx）。这个函数包含了两种启动方式，一种是无头校验的zImage（实际上zImage不是官方的本意，大部分uboot还是uImage方式启动，只不过有的公司为了启动方便，在这个函数中强行增加了无头校验的代码，并使用goto语句跳过了头校验部分），另一种是有头校验的uImage，此外，在内核3.x版本又新增了设备树启动方式，这个可以通过定义宏CONFIG_FIT 来实现。

3.1 zImage的一些启动细节

要使用zImage方式，必须定义CONFIG_ZIMAGE_BOOT这个宏，在X210_sd.h 中可以定义。do_bootm函数的第197到224行是zImage的特殊启动部分，在最开始先定义了一个魔数#define LINUX_ZIMAGE_MAGIC 0x016f2818 ，这个数用来与zImage镜像的第37-40个字节进行对比，若是就执行zImage方式启动，否则执行uImage方式启动。而且，zImage支持无参数启动，内核地址选用默认地址MEMORY_BASE_ADDRESS（0x30000000）。另外 images 这个全局变量保存了zImage启动的头信息，以及镜像起始地址，检验成功标志位。在这部分代码中，会修改头信息比如os（操作系统类型），ep（运行地址），并会设置检验标志位为1，但这种方式坏处是在移植uboot的时候需要查看是否有必要修改这部分代码。在这部分中会打印Boot with zImage的启动信息。

3.2 uImage的一些启动细节

区别于zImage启动方式，uImage启动显然要更加繁琐些，这是因为uboot需要真正的校验了uImage头，除了魔数#define IH_MAGIC 0x27051956 的校验，还有镜像头和数据循环冗余码校验，以及校验是否是支持的架构，这些都在image_get_kernel 这个函数中完成。上面的函数是在boot_get_kernel 函数中调用，这个函数除了校验外，还对启动方式进行了甄别，获取了镜像地址，镜像头，长度和镜像实际地址。此外，uImage还提供了几种解压缩算法用于解压缩镜像。而且，在3.x版本uImage增加了FIT设备树的内容。

3.3 do_bootm_linux函数

在执行完zImage或uImage的独立代码后，do_bootm 会对系统类别进行甄别选择一种符合镜像的启动方式启动，比如linux内核会执行do_bootm_linux 函数。do_bootm_linux 函数会通过找到 images 变量找到内核实际运行开始地址ep，然后将ep强制类型转换为函数指针theKernel theKernel = (void (*)(int, int, uint))ep;。而且这个函数会获取机器码的环境变量值，打印出来并最后传参给内核。在检查好磁盘内容后，清除cache内容，执行theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params);代码，启动内核，并打印uboot的最后一句话“\nStarting kernel …\n\n”。

3.4 theKernel函数的传参

在介绍 theKernel 函数的传参的传参之前，先引入一个特殊的数据结构tag:

struct tag_header {
	u32 size;
	u32 tag;
};
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;//iNand/SD卡的分区表
        } u;
};

正如代码所示，uboot传的每一个参数都是这样一个数据结构，他有一个头，里面放着当前这个参数的类型以及下一个参数的位置（当前的地址加当前数据结构的大小就是下一个参数的位置）。它还有一个专属的参数数据结构，比如有CPU的，内存的，还有命令行（用于自启动，也就是uboot环境变量的bootargs）的等等，这些必须定义各自的宏才能添加到参数列表中，代码如下：

#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); //core
#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);//内核镜像实际的开始地址与结束地址
#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

在这，我们用一个表格更形象的表示一下具体的参数结构：

position	content
start tag	ATAG_CORE
	size (tag_core)
	core.flags
	core.pagesize
	core.rootdev
memory1 tag	ATAG_MEM
	size (tag_mem32)
	bd->bi_dram[i].start
	bd->bi_dram[i].size
memory2 tag	ATAG_MEM
	size (tag_mem32)
	bd->bi_dram[i].start
	bd->bi_dram[i].size
… … … …	… … … …
end tag	ATAG_NONE
	0

因此只要bd->bi_boot_params指针指向最开始tag的地址，然后传给内核，内核就能一个个的把参数读出来，另外说明一点，这儿的传参是通过寄存器r0,r1,r2传递的。

4. uboot 启动内核方法

• 使用movi命令将内核搬移到启动位置，使用bootm命令启动内核
• 设置bootargs环境变量值，开机自启动
• 使用tftp下载内核到指定位置，使用bootm命令启动