U-Boot启动过程完全分析 (续)

来源：互联网发布：近视眼矫正手术知乎编辑：程序博客网时间：2024/06/17 04:57

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);

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=机器码

? r2=内核参数标记列表在RAM中的起始地址

（2） CPU工作模式

? 禁止IRQ与FIQ中断

? CPU为SVC模式

（3）使数据Cache与指令Cache失效

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/<board_dir>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。

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