U-Boot启动过程完全分析（2）

1.1.2 U-Boot启动第二阶段代码分析

start_armboot函数在lib_arm/board.c中定义，是U-Boot第二阶段代码的入口。U-Boot启动第二阶段流程如下：

图 2.3 U-Boot第二阶段执行流程

在分析start_armboot函数前先来看看一些重要的数据结构：

（1）gd_t结构体

U-Boot使用了一个结构体gd_t来存储全局数据区的数据，这个结构体在include/asm-arm/global_data.h中定义如下：

typedef  struct     global_data {
    bd_t              *bd;
    unsigned long      flags;
    unsigned long      baudrate;
    unsigned long      have_console;      /* serial_init() was called */
    unsigned long      env_addr;     /* Address  of Environment struct */
    unsigned long      env_valid;    /* Checksum of Environment valid? */
    unsigned long      fb_base;      /* base address of frame buffer */
    void              **jt;          /* jump table */
} gd_t;

U-Boot使用了一个存储在寄存器中的指针gd来记录全局数据区的地址：

#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR     register volatile gd_t *gd asm ("r8")

DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR定义一个gd_t全局数据结构的指针，这个指针存放在指定的寄存器r8中。这个声明也避免编译器把r8分配给其它的变量。任何想要访问全局数据区的代码，只要代码开头加入“DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR”一行代码，然后就可以使用gd指针来访问全局数据区了。

根据U-Boot内存使用图中可以计算gd的值：

gd = TEXT_BASE －CONFIG_SYS_MALLOC_LEN － sizeof(gd_t)

（2）bd_t结构体

bd_t在include/asm-arm.u/u-boot.h中定义如下：

typedef struct bd_info {
    int               bi_baudrate;          /* 串口通讯波特率 */
    unsigned long     bi_ip_addr;           /* IP 地址*/
    struct environment_s        *bi_env;    /* 环境变量开始地址 */
    ulong             bi_arch_number;       /* 开发板的机器码 */
    ulong             bi_boot_params;       /* 内核参数的开始地址 */
    struct                         /* RAM配置信息 */
    {
        ulong start;
        ulong size;
    }bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS];
} bd_t;

U-Boot启动内核时要给内核传递参数，这时就要使用gd_t，bd_t结构体中的信息来设置标记列表。

（3）init_sequence数组

U-Boot使用一个数组init_sequence来存储对于大多数开发板都要执行的初始化函数的函数指针。init_sequence数组中有较多的编译选项，去掉编译选项后init_sequence数组如下所示：

typedef int (init_fnc_t) (void);
 
init_fnc_t *init_sequence[] = {
    board_init,         /*开发板相关的配置--board/samsung/mini2440/mini2440.c */
    timer_init,         /* 时钟初始化-- cpu/arm920t/s3c24x0/timer.c */
    env_init,           /*初始化环境变量--common/env_flash.c 或common/env_nand.c*/
    init_baudrate,      /*初始化波特率-- lib_arm/board.c */
    serial_init,        /* 串口初始化-- drivers/serial/serial_s3c24x0.c */
    console_init_f,     /* 控制通讯台初始化阶段1-- common/console.c */
    display_banner,     /*打印U-Boot版本、编译的时间-- gedit lib_arm/board.c */
    dram_init,          /*配置可用的RAM-- board/samsung/mini2440/mini2440.c */
    display_dram_config,              /* 显示RAM大小-- lib_arm/board.c */
    NULL,
};

其中的board_init函数在board/samsung/mini2440/mini2440.c中定义，该函数设置了MPLLCOM，UPLLCON，以及一些GPIO寄存器的值，还设置了U-Boot机器码和内核启动参数地址 ：

/* MINI2440开发板的机器码 */
gd->bd->bi_arch_number = MACH_TYPE_MINI2440;
 
/* 内核启动参数地址 */
gd->bd->bi_boot_params = 0x30000100;

其中的dram_init函数在board/samsung/mini2440/mini2440.c中定义如下：

int dram_init (void)
{
    /* 由于mini2440只有 */
    gd->bd->bi_dram[0].start = PHYS_SDRAM_1;
    gd->bd->bi_dram[0].size = PHYS_SDRAM_1_SIZE;
 
    return 0;
}

mini2440使用2片32MB的SDRAM组成了64MB的内存，接在存储控制器的BANK6，地址空间是0×30000000~0×34000000。

在include/configs/mini2440.h中PHYS_SDRAM_1和PHYS_SDRAM_1_SIZE 分别被定义为0×30000000和0×04000000（64M）。

分析完上述的数据结构，下面来分析start_armboot函数：

void start_armboot (void)
{
    init_fnc_t **init_fnc_ptr;
    char *s;
    … …
 
    /* 计算全局数据结构的地址gd */
    gd = (gd_t*)(_armboot_start - CONFIG_SYS_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));
    … …
    memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t));
    gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));
    memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));
    gd->flags |= GD_FLG_RELOC;
 
    monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;
 
    /* 逐个调用init_sequence数组中的初始化函数  */
    for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
        if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
            hang ();
        }
    }
 
    /* armboot_start 在cpu/arm920t/start.S 中被初始化为u-boot.lds连接脚本中的_start */
    mem_malloc_init (_armboot_start - CONFIG_SYS_MALLOC_LEN, CONFIG_SYS_MALLOC_LEN);
 
    /* NOR Flash初始化 */
#ifndef CONFIG_SYS_NO_FLASH
    /* configure available FLASH banks */
    display_flash_config (flash_init ());
#endif /* CONFIG_SYS_NO_FLASH */
    … …
 
    /* NAND Flash 初始化*/
#if defined(CONFIG_CMD_NAND)
    puts ("NAND:  ");
    nand_init();         /* go init the NAND */
#endif
    … …
 
    /*配置环境变量，重新定位 */
    env_relocate ();
    … …
 
    /* 从环境变量中获取IP地址 */
    gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");
 
    stdio_init (); /* get the devices list going. */
    jumptable_init ();
    … …
    console_init_r (); /* fully init console as a device */
    … …
    /* enable exceptions */
    enable_interrupts ();
#ifdef CONFIG_USB_DEVICE
    usb_init_slave();
#endif
 
    /* Initialize from environment */
    if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
        load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
    }
#if defined(CONFIG_CMD_NET)
    if ((s = getenv ("bootfile")) != NULL) {
        copy_filename (BootFile, s, sizeof (BootFile));
    }
#endif
    … …
 
/* 网卡初始化 */
#if defined(CONFIG_CMD_NET)
#if defined(CONFIG_NET_MULTI)
    puts ("Net:   ");
#endif
    eth_initialize(gd->bd);
    … …
#endif
 
    /* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again. */
    for (;;) {
        main_loop ();
    }
 
    /* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */
}

main_loop函数在common/main.c中定义。

1.1.3 U-Boot启动Linux过程

U-Boot使用标记列表（tagged list）的方式向Linux传递参数。标记的数据结构式是tag，在U-Boot源代码目录include/asm-arm/setup.h中定义如下：

struct tag_header {
    u32 size;       /* 表示tag数据结构的联合u实质存放的数据的大小*/
    u32 tag;        /* 表示标记的类型 */
};
 
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;
    } u;
};

U-Boot使用命令bootm来启动已经加载到内存中的内核。而bootm命令实际上调用的是do_bootm函数。对于Linux内核，do_bootm函数会调用do_bootm_linux函数来设置标记列表和启动内核。do_bootm_linux函数在lib_arm/bootm.c 中定义如下：

59   int do_bootm_linux(int flag, int argc, char *argv[], bootm_headers_t *images)
60   {
61       bd_t       *bd = gd->bd;
62       char       *s;
63       int   machid = bd->bi_arch_number;
64       void       (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);
65
66   #ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
67       char *commandline = getenv ("bootargs");   /* U-Boot环境变量bootargs */
68   #endif
… …
73       theKernel = (void (*)(int, int, uint))images->ep; /* 获取内核入口地址 */
… …
86   #if defined (CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || \
87       defined (CONFIG_CMDLINE_TAG) || \
88       defined (CONFIG_INITRD_TAG) || \
89       defined (CONFIG_SERIAL_TAG) || \
90       defined (CONFIG_REVISION_TAG) || \
91       defined (CONFIG_LCD) || \
92       defined (CONFIG_VFD)
93       setup_start_tag (bd);                        /* 设置ATAG_CORE标志 */
… …
100  #ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS
101      setup_memory_tags (bd);                       /* 设置内存标记 */
102  #endif
103  #ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
104      setup_commandline_tag (bd, commandline);      /* 设置命令行标记 */
105  #endif
… …
113      setup_end_tag (bd);                           /* 设置ATAG_NONE标志 */
114  #endif
115
116      /* we assume that the kernel is in place */
117      printf ("\nStarting kernel ...\n\n");
… …
126      cleanup_before_linux ();          /* 启动内核前对CPU作最后的设置 */
127
128      theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params);      /* 调用内核 */
129      /* does not return */
130
131      return 1;
132  }

其中的setup_start_tag，setup_memory_tags，setup_end_tag函数在lib_arm/bootm.c中定义如下：

（1）setup_start_tag函数

static void setup_start_tag (bd_t *bd)
{
    params = (struct tag *) bd->bi_boot_params;  /* 内核的参数的开始地址 */
    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);
}

标记列表必须以ATAG_CORE开始，setup_start_tag函数在内核的参数的开始地址设置了一个ATAG_CORE标记。

（2）setup_memory_tags函数

static void setup_memory_tags (bd_t *bd)
{
    int i;
    /*设置一个内存标记 */
    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);
    }
}

setup_memory_tags函数设置了一个ATAG_MEM标记，该标记包含内存起始地址，内存大小这两个参数。

（3）setup_end_tag函数

static void setup_end_tag (bd_t *bd)
{
    params->hdr.tag = ATAG_NONE;
    params->hdr.size = 0;
}

标记列表必须以标记ATAG_NONE结束，setup_end_tag函数设置了一个ATAG_NONE标记，表示标记列表的结束。

U-Boot设置好标记列表后就要调用内核了。但调用内核前，CPU必须满足下面的条件：

1． CPU 寄存器的设置：

• R0＝0；
• R1＝机器类型 ID；关于 Machine Type Number，可以参见 linux/arch/arm/tools/mach-types。
• R2＝启动参数标记列表在 RAM 中起始基地址；

2． CPU 模式：

• 必须禁止中断（IRQs和FIQs）；
• CPU 必须 SVC 模式；

3． Cache 和 MMU 的设置：

• MMU 必须关闭；
• 指令 Cache 可以打开也可以关闭；
• 数据 Cache 必须关闭；

do_bootm_linux中调用的cleanup_before_linux函数完成了禁止中断和使Cache失效的功能。cleanup_before_linux函数在cpu/arm920t/cpu.中定义：

int cleanup_before_linux (void)
{
    /*
    * this function is called just before we call linux
    * it prepares the processor for linux
    *
    * we turn off caches etc ...
    */
 
    disable_interrupts ();         /* 禁止FIQ/IRQ中断 */
 
    /* turn off I/D-cache */
 
    icache_disable();               /* 使指令Cache失效 */
    dcache_disable();              /* 使数据Cache失效 */
    /* flush I/D-cache */
    cache_flush();                    /* 刷新Cache */
 
    return 0;
}

由于U-Boot启动以来就一直工作在SVC模式，因此CPU的工作模式就无需设置了。

do_bootm_linux中：

64       void       (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);
… …
73       theKernel = (void (*)(int, int, uint))images->ep;
… …
128      theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params);

第73行代码将内核的入口地址“images->ep”强制类型转换为函数指针。根据ATPCS规则，函数的参数个数不超过4个时，使用r0~r3这4个寄存器来传递参数。因此第128行的函数调用则会将0放入r0，机器码machid放入r1，内核参数地址bd->bi_boot_params放入r2，从而完成了寄存器的设置，最后转到内核的入口地址。

到这里，U-Boot的工作就结束了，系统跳转到Linux内核代码执行。

1.1.4  U-Boot添加命令的方法及U-Boot命令执行过程

下面以添加menu命令（启动菜单）为例讲解U-Boot添加命令的方法。

（1）建立common/cmd_menu.c

习惯上通用命令源代码放在common目录下，与开发板专有命令源代码则放在board/目录下，并且习惯以“cmd_<命令名>.c”为文件名。

（2）定义“menu”命令

在cmd_menu.c中使用如下的代码定义“menu”命令：

_BOOT_CMD(
menu,    3,    0,    do_menu,
"menu - display a menu, to select the items to do something\n",
" - display a menu, to select the items to do something"
);

其中U_BOOT_CMD命令格式如下：

U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help)

各个参数的意义如下：

name：命令名，非字符串，但在U_BOOT_CMD中用“#”符号转化为字符串
maxargs：命令的最大参数个数
rep：是否自动重复（按Enter键是否会重复执行）
cmd：该命令对应的响应函数
usage：简短的使用说明（字符串）
help：较详细的使用说明（字符串）

在内存中保存命令的help字段会占用一定的内存，通过配置U-Boot可以选择是否保存help字段。若在include/configs/mini2440.h中定义了CONFIG_SYS_LONGHELP宏，则在U-Boot中使用help命令查看某个命令的帮助信息时将显示usage和help字段的内容，否则就只显示usage字段的内容。

U_BOOT_CMD宏在include/command.h中定义：

#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) \
cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage, help}

“##”与“#”都是预编译操作符，“##”有字符串连接的功能，“#”表示后面紧接着的是一个字符串。

其中的cmd_tbl_t在include/command.h中定义如下：

struct cmd_tbl_s {
    char        *name;          /* 命令名 */
    int          maxargs;       /* 最大参数个数 */
    int          repeatable;    /* 是否自动重复 */
    int          (*cmd)(struct cmd_tbl_s *, int, int, char *[]);  /*  响应函数 */
    char              *usage;         /* 简短的帮助信息 */
#ifdef    CONFIG_SYS_LONGHELP
    char              *help;           /*  较详细的帮助信息 */
#endif
#ifdef CONFIG_AUTO_COMPLETE
    /* 自动补全参数 */
    int          (*complete)(int argc, char *argv[], char last_char, int maxv, char *cmdv[]);
#endif
};
 
typedef struct cmd_tbl_s  cmd_tbl_t;

一个cmd_tbl_t结构体变量包含了调用一条命令的所需要的信息。

其中Struct_Section在include/command.h中定义如下：

#define Struct_Section  __attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd")))

凡是带有__attribute__ ((unused,section (“.u_boot_cmd”))属性声明的变量都将被存放在”.u_boot_cmd”段中，并且即使该变量没有在代码中显式的使用编译器也不产生警告信息。

在U-Boot连接脚本u-boot.lds中定义了”.u_boot_cmd”段：

. = .;
__u_boot_cmd_start = .;          /*将 __u_boot_cmd_start指定为当前地址 */
.u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
__u_boot_cmd_end = .;           /*  将__u_boot_cmd_end指定为当前地址  */

这表明带有“.u_boot_cmd”声明的函数或变量将存储在“u_boot_cmd”段。这样只要将U-Boot所有命令对应的cmd_tbl_t变量加上“.u_boot_cmd”声明，编译器就会自动将其放在“u_boot_cmd”段，查找cmd_tbl_t变量时只要在__u_boot_cmd_start与__u_boot_cmd_end之间查找就可以了。

因此“menu”命令的定义经过宏展开后如下：

cmd_tbl_t __u_boot_cmd_menu __attribute__ ((unused,section (“.u_boot_cmd”))) = {menu, 3, 0, do_menu, “menu – display a menu, to select the items to do something\n”, ” – display a menu, to select the items to do something”}

实质上就是用U_BOOT_CMD宏定义的信息构造了一个cmd_tbl_t类型的结构体。编译器将该结构体放在“u_boot_cmd”段，执行命令时就可以在“u_boot_cmd”段查找到对应的cmd_tbl_t类型结构体。

（3）实现命令的函数

在cmd_menu.c中添加“menu”命令的响应函数的实现。具体的实现代码略：

int do_menu (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])
{
    /* 实现代码略 */
}

（4）将common/cmd_menu.c编译进u-boot.bin

在common/Makefile中加入如下代码：

COBJS-$(CONFIG_BOOT_MENU) += cmd_menu.o

在include/configs/mini2440.h加入如代码：

#define CONFIG_BOOT_MENU 1

重新编译下载U-Boot就可以使用menu命令了

（5）menu命令执行的过程

在U-Boot中输入“menu”命令执行时，U-Boot接收输入的字符串“menu”，传递给run_command函数。run_command函数调用common/command.c中实现的find_cmd函数在__u_boot_cmd_start与__u_boot_cmd_end间查找命令，并返回menu命令的cmd_tbl_t结构。然后run_command函数使用返回的cmd_tbl_t结构中的函数指针调用menu命令的响应函数do_menu，从而完成了命令的执行。