【uboot】Uboot的启动流程

引言

在驱动岗位上，每一位新员工刚入职期间都需要理解和掌握uboot，但深入的理解代码往往需要耗费大量的时间去反复阅读。本文希望对uboot进行尽可能详细的解析，帮助其他人更快的掌握和理解uboot源码。

准备工作

uboot源码

本文是基于Hi3536_demo开发板对应的uboot源码进行分析，可以通过下面面的tag信息使用git下载Hi3536_demo的uboot源码。

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| project path="packages/linux_lsp/boot/u-boot-2010.06", name="sysdev/packages/linux_lsp/boot/u-boot-2010.06", revision="sysdev_v1.x-201703" |

代码阅读软件source insight

可以想象uboot源码包有10000多个文件，每个文件都有几百行甚至上千行代码。需要专业的代码阅读器查找函数原型，根据需求去查找阅读，完全没必要重头读到尾。

Hi3536_demo开发板和对应的数据手册

在uboot源码中常常直接对一块地址进行操作，看的人云里雾里，通过查阅数据手册可以协助我们理解那些语句的作用。

开发环境

我们还需要一个linux环境去编译uboot代码，还需要在linux下对uboot镜像进行反汇编。

注意：编译uboot镜像前需要配置交叉编译工具链。

U-Boot源码分析

uboot的配置过程

在拿到uboot代码后的第一步，我们需要做什么？执行make Hi3536_demo_config。

那为什么要执行make Hi3536_demo_config？我们可以通过查看源代码去理解执行make Hi3536_demo_config的深层次原因。

通过顶层Makefile可以看到，在执行make Hi3536_demo_config的时候，实质上调用了如下部分：

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| #### u-boot-2010.06/Makefile #### Hi3536_config: unconfig @$(MKCONFIG) $(@:_config=) arm hi3536 Hi3536 NULL hi3536 #### 注意：$ (@:_config=) 就是将Hi3536_config中的_config替换为空!得到Hi3536; #### #### 注意：每段代码段的第一行指明了代码存在的目录 #### |

首先，确定下变量的值，这里以Hi3536_demo板为例：

通过上面的代码可以推导出：@$(MKCONFIG) $(@:_config=) arm hi3536 Hi3536_demo NULL hi3536 等于 ./mkconfig Hi3536_demo arm hi3536 Hi3536_demo NULL hi3536

推导出："make Hi3536_demo_config" 实际执行 "./mkconfig Hi3536_demo arm hi3536 Hi3536_demo NULL hi3536"

上面那这段代码具体干了什么事情呢？咱们继续向下分析。

mkconfig实际上就是顶层目录下的一个文件。那么，就来研究下顶层目录下的mkconfig文件：

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| #### u-boot-2010.06/mkconfig #### /* $#: ./mkconfig Hi3536_demo arm hi3536 Hi3536_demo NULL hi3536命令行参数的个数 * $0 $1 $2 $3 $4 $5 $6 \*/ /\* 创建include目录，将相关文件软连接 \*/ if \[ "$ SRCTREE" != "$OBJTREE" ] ; then mkdir -p ${OBJTREE}/include ... cd ../include ln -s ${SRCTREE}/arch/$2/include/asm asm else cd ./include ... ln -s ../arch/$2/include/asm asm fi /* 即/arch/$2/include/asm/arch-$6，为执行make Hi3536_demo_config产生的连接文件， arch/arm/include/asm/arch-hi3536 */ rm -f asm/arch /* -z STRING: 判断字符串STRING是否为0，若STRING为空字符串，则为true * -o: or或的意思 */ if [ -z "$6" -o "$6" = "NULL" ] ; then /* 软连接 */ ln -s ${LNPREFIX}arch-$3 asm/arch else /* arch->arch/arm/include/asm/arch-hi3536 */ ln -s ${LNPREFIX}arch-$6 asm/arch fi if [ "$2" = "arm" ] ; then /* 软连接 */ /* proc->arch/arm/include/asm/proc-armv */ rm -f asm/proc ln -s ${LNPREFIX}proc-armv asm/proc fi /* 创建include/config.mk，将ARCH、CPU、BOARD等信息写入 * >: 定向输出到文件，若文件不存在创建空文件 * >>: 追加内容到指定的文件末尾 */ echo "ARCH = $2" > config.mk echo "CPU = $3" >> config.mk echo "BOARD = $4" >> config.mk [ "$5" ] && [ "$5" != "NULL" ] && echo "VENDOR = $5" >> config.mk [ "$6" ] && [ "$6" != "NULL" ] && echo "SOC = $6" >> config.mk ... /* 将config.mk中的数据写入到 config.h 并添加相关信息*/ for i in ${TARGETS} ; do echo "#define CONFIG_MK_$ {i} 1" >>config.h ; done cat << EOF >> config.h #define CONFIG_BOARDDIR board/$BOARDDIR #include <config_defaults.h> #include <configs/$1.h> #include <asm/config.h> EOF exit 0 |

./include/config.h文件内容：

./include/config.mk文件内容：

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| #### u-boot-2010.06/include/config.mk #### ARCH = arm CPU = hi3536 BOARD = Hi3536_demo VENDOR = 空 SOC = Hi3536_demo |

综上，总结下mkconfig文件（或者叫make Hi3536_demo_config）的作用：

确定ARCH、CPU、BOARD等变量的值，并存到./include/config.mk文件中
建立板级相关的 ./include/config.h文件
建立指向其他文件的软链接

uboot的编译与链接过程

说完配置我们再回到Makefile中来看看编译与链接，面对Makefile的时候首先我们就会想到最后的目标文件u-boot.bin是怎样产生的：

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| #### u-boot-2010.06/Makefile #### /* CROSS_COMPILE = #指定编译器种类 */ /* OBJCOPY = $(CROSS_COMPILE)objcopy #转换目标文件格式 */ /* OBJCFLAGS += --gap-fill=0xff #段之间的空隙用0xff填充 */ |
| $(obj)u-boot.bin: $(obj)u-boot $(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O binary $< $@ #### 注意：/* */这些是注释 #### |

从上段代码可以看到u-boot.bin 是用 $(OBJCOPY) 从u-boot生成的，u-boot是elf格式的文件，不能直接在裸机上运行，所以需要用$ (OBJCOPY) 把u-boot转换成二进制u-boot.bin文件。

通过上面代码可以分析出：u-boot的产生依赖于depend， $(SUBDIRS)，$ (OBJS)， $(LIBBOARD)，$ (LIBS)，$(LDSCRIPT)。这里介绍一下这几个依赖目标(其中涉及到很多变量，均在顶层config.mk中)：

$(SUBDIRS)：进入各个子目录中执行make

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| SUBDIRS = tools \ examples/standalone \ examples/api .PHONY : $(SUBDIRS) ... $(SUBDIRS): depend $(MAKE) -C $@ all |

$(OBJS)：OBJS = $(CPUDIR)/start.o, 即为'arch/arm/cpu/hi3536/start.o'，而要产生start.o需要进入$ (CPUDIR)进行编译。

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| CPUDIR=arch/ $(ARCH)/cpu/$ (CPU) #### u-boot-2010.06\config.mk #### OBJS = $(CPUDIR)/start.o ... $(OBJS): depend $(MAKE) -C $(CPUDIR) $(if $(REMOTE_BUILD),$ @,$(notdir $@)) |

$(LIBBOARD)：这个也很好理解就是产生board/$ (BOARDDIR)/lib$(BOARD).a，对Hi3536_demo来说，LIBBOARD = board /Hi3536_demo/libHi3536_demo.a

$(LIBS)：LIBS包括的目标非常多，都是将子目录的源码编成*.a库文件，通过执行每个目录的Makefile来实现。

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| LIBS = lib/libgeneric.a LIBS += lib/lzma/liblzma.a ... $(LIBS): depend $(SUBDIRS) $(MAKE) -C $(dir $(subst $(obj),,$ @)) |

$(LDSCRIPT)：这里其实就是执行链接所需要的链接脚本，这里我需要特别强调链接脚本，链接脚本是程序链接的依据，它规定了可执行文件中的程序的输出格式是大端还是小端，程序如何来布局（第一条指令是那一条，各个依赖文件是如何组成最后的目标文件的），程序的入口是那里（只对elf文件有用）。

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| CURDIR = ./ SRCTREE := $(CURDIR) TOPDIR := $(SRCTREE) LDSCRIPT := $(TOPDIR)/board/$ (BOARDDIR)/u-boot.lds $(LDSCRIPT): depend $(MAKE) -C $(dir $@) $(notdir $@) |

总结：u-boot的产生其实简单来说就进入各个目录下执行make，将指定目录下的.c文件编译生成.o文件，将指定目录下源码编成*.a库，最后再将这些文件按照链接脚本组合成最后的目标文件。

还有一点，通常放到板子上运行的镜像为u-boot.bin而不是u-boot，是因为u-boot虽然是一个可执行镜像，但里面包含了大量的调试信息，文件也非常的大。而u-boot.bin是将u-boot镜像通过objcopy转换为二进制，去掉了其中调试信息，代码非常紧凑，文件小很多，适合作为镜像放板子上运行。

uboot第一阶段解析

接下来正式开始uboot源码之旅，分析代码当然要从上电后执行的第一条指令开始看起咯，那第一条指令在哪呢？还是以Hi3536_demo为例，首先我们来看一下它的链接脚本，通过它我们可以知道它整个程序的各个段是怎么存放的（uboot运行的第一段代码在arch/arm/cpu/hi3536/start.S文件中）。

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| #### u-boot-2010.06\arch\arm\cpu\hi3536\ u-boot.lds #### OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm") /*指定输出可执行文件是elf格式,*/ /* 32位ARM指令,小端 */ OUTPUT_ARCH(arm) /*指定输出可执行文件的平台为ARM*/ ENTRY(_start) /*指定输出可执行文件的起始代码段为_start*/ SECTIONS { /*指定可执行image文件的全局入口点，通常这个地址都放在ROM(flash)0x0位置。*/ /*必须使编译器知道这个地址，通常都是修改此处来完成*/ . = 0x00000000; /*;从0x0位置开始运行*/ . = ALIGN(4); /*代码以4字节对齐*/ .text : { __text_start = .; arch/arm/cpu/hi3536/start.o (.text) /* 代码段的起始部分就是最开始运行代码的地方， */ /* 因此uboot运行的第一条指令在arch/arm/cpu/hi3536/start.S文件 */ drivers/ddr/ddr_training_impl.o (.text) drivers/ddr/ddr_training_ctl.o (.text) drivers/ddr/ddr_training_boot.o (.text) drivers/ddr/ddr_training_custom.o (.text) __init_end = .; ASSERT(((__init_end - __text_start) < 0x16000), "init sections too big!"); *(.text) /*下面依次为各个text段函数*/ } . = ALIGN(4); /*代码以4字节对齐*/ .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) } /*指定只读数据段*/ . = ALIGN(4); .data : { *(.data) } . = ALIGN(4); .got : { *(.got) } /*指定got段, got段是uboot自定义的一个段, 非标准段*/ __u_boot_cmd_start = .; /*把__u_boot_cmd_start赋值为当前位置, 即起始位置*/ .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) } /*指定u_boot_cmd段, uboot把所有的uboot命令放在该段.*/ __u_boot_cmd_end = .; /*把__u_boot_cmd_end赋值为当前位置,即结束位置*/ . = ALIGN(4); __bss_start = .; /*把__bss_start赋值为当前位置,即bss段的开始位置*/ .bss : { *(.bss) } /*指定bss段 */ _end = .; /*把_end赋值为当前位置,即bss段的结束位置*/ } |

现在知道uboot的第一行代码在哪里运行了吗？（在arch/arm/cpu/hi3536/start.S中运行）下面我们来分析start.S汇编代码。

在这里我们终于看到了第一条运行指令是_start:b reset，呵呵！看到这段代码的时候许多人都认为_start的值是0x00000000，为什么是这个地址呢? 因为连接脚本上指定了。真的是这样吗？我们来看看我们编译好之后，在u-boot目录下有个System.map，这里面有各个变量的值。

哈哈，_start的值怎么会是40c00000?这是因为在顶层的Makefile里面我们指定了它的连接地址。

看到那个LDFLAGS变量了吗？它是什么呢，我们继续往下面看：

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| #### u-boot-2010.06\config.mk #### LDFLAGS += -Bstatic -T $(obj)u-boot.lds $(PLATFORM_LDFLAGS) ifneq ($ (TEXT_BASE),) LDFLAGS += -Ttext $(TEXT_BASE) /* 如果有TEXT_BASE变量，那LDFLAGS重新赋值 */ endif |

看到了没有，LDFLAGS先等于链接脚本中的地址，再判断TEXT_BASE是否等于空，如果TEXT_BASE不为空，LDFLAGS会被重新赋值。TEXT_BASE的值是多少呢？我们可以在u-boot-2010.06\board\Hi3536_demo\config.mk里面找到定义,它的值为0x40c00000。这样我就可以知道为什么System.map的起始地址0x40c00000。

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| #### u-boot-2010.06\board\Hi3536_demo\config.mk #### TEXT_BASE = 0x40c00000 |

下面我们继续来看第一条汇编指令b reset，初始化相关硬件操作。

Reset处代码有点不按照常理出牌，和网上通用的汇编起始代码有点不一样，它先判断部分寄存器中的值，再跳转到不同标志处运行。其中，"after_ziju"标志处代码执行初始化PLL/DDRC/pin mux/...等命令；

若满足"bne normal_start_flow"条件，运行"normal_start_flow"标志处的代码，这部分代码是普通uboot最开始启动时执行的命令。重要部分看注释。

这段汇编代码很好理解，就是设置CPU为管理模式、将cache置无效、关闭MMU和cache。这边抛出一个问题：

在汇编代码中，Invalidate cache、disable cache、flash cache分别表示什么含义？

Invalidate cache表示当前cache内的数据无效，所有cpu获取数据只能重新读取；flash cache表示清空cache中的数据；disable cache表示关闭cache。

在normal_start_flow标志处代码执行到尾部，都没有跳转这一类指令，因此pc指针继续向下执行main_core标志处代码。

此处代码内容为找到对应的存储介质，将其中的代码拷贝到DDR中运行。

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| #### u-boot-2010.06\arch\arm\cpu\hi3536\start.S #### main_core: ... bne check_bootrom_type /*检测是否需要跳转，PC的高八位如果不为0（已经在ram中运行了）则跳转，不等于则跳转*/ #ifndef CONFIG_HI3536_A7 /* 找到对应的存储介质 */ ... cmp r6, #0 ldreq pc, _clr_remap_spi_entry /* SPI存储 */ cmp r6, #1 ldreq pc, _clr_remap_spi_nand_entry /* SPI_NAND 存储 */ cmp r6, #2 ldreq pc, _clr_remap_nand_entry /* NAND 存储 */ cmp r6, #3 ldreq pc, _clr_remap_ddr_entry /* DDR 存储 */ ldr pc, _clr_remap_nand_entry /* 所有其他情况，默认采用 NAND 存储 */ #endif check_bootrom_type: /* 将bootrom中的u-boot.bin 拷贝到RAM(0x4010c00) */ ... ldreq pc, _clr_remap_ram_entry /* 根据不同的存储介质，传不同参数 */ do_clr_remap: /*清除remap */ #ifndef CONFIG_HI3536_A7 ... /*清除remap */ #endif #ifdef CONFIG_ARCH_HI3536 ... /* 如果使用Hi3536板卡，那就需要使能I/D cache */ #endif ... /* 使能 Cache 操作 */ ... bne ddr_init /* DDR初始化 */ ... b copy_to_ddr /* 将u-boot.bin 拷贝到DDR */ ddr_init: /* DDR初始化相关 */ #ifndef CONFIG_HI3536_A7 ... bl init_registers /* 初始化寄存器 */ #endif #ifdef CONFIG_DDR_TRAINING_V2 .... bl start_ddr_training /* DDR training */ #endif #ifndef CONFIG_HI3536_A7 ... bne copy_flash_to_ddr /* 拷贝镜像到DDR */ #ifdef CONFIG_EMMC_SUPPORT emmc_boot: /* 初始化emmc，跳转到 jump_to_ddr */ bl emmc_boot_read /* 拷贝镜像 */ b jump_to_ddr /*跳转到 jump_to_ddr */ #endif copy_flash_to_ddr: /* 从NAND中拷贝镜像，跳转到 copy_to_ddr */ .. bne spi_nor_copy /* 拷贝镜像 */ ... b copy_to_ddr /* 跳转到copy_to_ddr */ spi_nor_copy: /* 从SPI_NOR中拷贝镜像，跳转到 copy_to_ddr */ ... bne spi_nand_copy /* 拷贝镜像 */ ... b copy_to_ddr /* 跳转到copy_to_ddr */ spi_nand_copy: /* 从SPI_NAND中拷贝镜像，跳转到 copy_to_ddr */ ... b copy_to_ddr /* 跳转到copy_to_ddr */ #endif copy_to_ddr: /* 将指定存储内的数据拷贝到DDR */ ... beq copy_abort_code /* 拷贝操作 */ ... bl memcpy /* 拷贝操作 */ jump_to_ddr: ... ldr pc, _copy_abort_code /* 拷贝操作 */ copy_abort_code: ... bl memcpy /* 拷贝操作 */ |

又到了熟悉的部分，如果要在C语言环境下执行代码，必须先初始化堆栈。

这段代码的意思是设置一些堆栈。

只要将sp指针指向一段没有被使用的内存就完成栈的设置了。根据上面的代码可以知道U-Boot内存使用情况了，如下图所示：

这段代码的意思是清bss段。

这个时候，pc指针开始跳到RAM里面执行代码，这也就到了第二阶段(C语言阶段)，后面的代码都是用C语言写的。

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| #### u-boot-2010.06\arch\arm\cpu\hi3536\start.S #### ldr pc, _start_armboot /* start_armboot，赋值给PC，即调用start_armboot函数 */ _start_armboot: .word start_armboot /* start_armboot函数，在C文件中，即跳转执行c代码 */ |

总结：汇编第一阶段的代码主要可以分为以下部分：

设置异常向量表
设置特权管理模式
初始化PLL、DDR、MUX...
关MMU，关CACHE
判断代码在RAM还是FLASH，将FLASH代码复制至RAM中
设置堆栈、清空bss段
跳转至C语言处，进入第二阶段

uboot第二阶段解析

在uboot第一阶段启动完成后将会调用start_armboot开始第二阶段的启动流程，这个阶段的代码由c语言编写，代码位于u-boot-2010.06\arch\arm\lib\board.c。

基础数据结构

第二阶段主要用到了两个数据结构即 gd_t 和 bd_t，其定义如下：

这两个类型变量记录了刚启动时的信息，还将记录作为引导内核和文件系统的参数，如 bootargs 等，并且将来还会在启动内核时，由 uboot 交由 kernel 时会有所用。

启动流程

start_armboot 首先为全局数据结构和板级信息结构分配内存，代码如下：

可以看到 bd_t 、gd_t 以及 MALLOC 区域是紧挨着的。

然后依次调用 init_sequence数组中的函数指针完成各部分的初始化，代码如下：

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| #### u-boot-2010.06\arch\arm\lib\board.c #### init_fnc_t *init_sequence[] = { #if defined(CONFIG_ARCH_CPU_INIT) arch_cpu_init, /* 基本的处理器相关配置 -- basic arch cpu dependent setup */ #endif timer_init, /* 初始化定时器 -- initialize timer before usb init */ board_init, /* 板级特殊设备初始化(很重要) -- basic board dependent setup */ #if defined(CONFIG_USE_IRQ) interrupt_init, /* 中断初始化 -- set up exceptions */ #endif // timer_init, /* 初始化定时器 */ #ifdef CONFIG_FSL_ESDHC get_clocks, #endif env_init, /* 初始化环境变量(默认的环境变量) -- initialize environment */ init_baudrate, /* 初始化波特率设置 -- initialze baudrate settings */ serial_init, /* 初始化串口 */ console_init_f, /* 控制台初始化 -- stage 1 init of console */ display_banner, /* 打印uboot版本信息 -- say that we are here */ #if defined(CONFIG_DISPLAY_CPUINFO) print_cpuinfo, /* 显示cpu信息 -- display cpu info (and speed) */ #endif #if defined(CONFIG_DISPLAY_BOARDINFO) checkboard, /* 显示板级信息 -- display board info */ #endif #if defined(CONFIG_HARD_I2C) || defined(CONFIG_SOFT_I2C) init_func_i2c, /* 初始化IIC，hard:真正iic，soft:gpio模拟iic */ #endif dram_init, /* 配置可用RAM -- configure available RAM banks */ #if defined(CONFIG_CMD_PCI) || defined (CONFIG_PCI) arm_pci_init, /* 初始化pci */ #endif NULL, }; /* 函数指针，执行指针数组中的内容(实际内容为函数指针)，初始化cpu、总线、设备等等*/ for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) { if ((*init_fnc_ptr)() != 0) { hang (); } } void hang (void) { puts ("### ERROR ### Please RESET the board ###\n"); for (;;); } |

在我们平台比较重要的初始化函数有 board_init 以及 env_init，代码如下：

在环境变量 default_environment 中我们设置了很多参数，列表如下：

我们可以在 uboot 命令行模式下输入 printenv 命令查看当前的环境变量值。

start_armboot 在接下来的流程中还做了如下操作：

start_armboot 最终进入 main_loop 函数，首先判断用户选择的启动模式，如果是命令模式则等待输入命令然后执行，代码如下：

总结，C语言第二阶段代码可以分为以下部分：

为gd、bd数据结构分配地址，并清零
执行 init_fnc_ptr 函数指针数组中的各个初始化函数

板级特殊设备初始化（board_init）、时钟初始化（timer_init）、初始化环境变量（env_init）、串口控制台初始化（init_baudrate、console_init_f）、打印U-Boot信息（display_banner、print_cpuinfo、checkboard）、配置可用RAM大小（dram_init）

对gd , bd 数据结构赋值初始化
各种设备初始化
NAND Flash初始化（nand_init）、MMC初始化（mmc_initialize、mmc_flash_init）、网络初始化（eth_initialize）、初始化串口（serial_init、console_init_r）、初始化其他外设（stdio_init）、杂项设备初始化（misc_init_r）
环境变量代码重定位（env_relocate）
使能中断（enable_interrupts）
进入主循环（main_loop）

总结

u-boot的配置过程，可以简单描述为：

创建到目标板相关文件的链接
创建include/config.mk文件，内容如下：
创建与目标板相关的头文件include/config.h
后续执行编译的时候，到哪些路径下面找文件都是在配置时确定的。

uboot的编译和链接过程，可以简单描述为：

将所有需要的.c文件编译生成.o文件，将需要的部分文件编成.a库，最后再将这些文件按照链接脚本组合成最后的目标文件。

第一阶段代码，可以简单描述为：

初始化本阶段要使用到的硬件设备
为加载Bootloader的第二阶段代码准备RAM空间
复制Bootloader的第二阶段到RAM空间
设置好堆栈
跳转到第二阶段的C入口点

第二阶段代码，可以简单描述为：

初始化本阶段要使用到的硬件设备
配置系统内存映射，
将内核映像和根文件系统映像从Flash上读到RAM空间中
为内核设置启动参数