u-boot编译过程理解

u-boot的源代码包含对几十种处理器、数百种开发板的支持。可是对于特定的开发板，配置编译过程只需要其中部分程序。这里具体以S3C2410 & arm920t处理器为例，具体分析S3C2410处理器和开发板所依赖的程序，以及u-boot的通用函数和工具。
　　
　　编译
　　
　　以smdk_2410板为例，编译的过程分两部：
　　
　　# make smdk2410_config
　　# make
　　
　　顶层Makefile分析
　　
　　要了解一个LINUX工程的结构必须看懂Makefile，尤其是顶层的，没办法，UNIX世界就是这么无奈，什么东西都用文档去管理、配置。首先在这方面我是个新手，时间所限只粗浅地看了一些Makefile规则。
　　
　　以smdk_2410为例，顺序分析Makefile大致的流程及结构如下：
　　
　　1) Makefile中定义了源码及生成的目标文件存放的目录,目标文件存放目录BUILD＿DIR可以通过make O=dir 指定。如果没有指定，则设定为源码顶层目录。一般编译的时候不指定输出目录，则BUILD＿DIR为空。其它目录变量定义如下：
　　
　　#OBJTREE和LNDIR为存放生成文件的目录，TOPDIR与SRCTREE为源码所在目录
　　OBJTREE := $(if $(BUILD_DIR),$(BUILD_DIR),$(CURDIR))
　　SRCTREE := $(CURDIR)
　　TOPDIR := $(SRCTREE)
　　LNDIR := $(OBJTREE)
　　export TOPDIR SRCTREE OBJTREE
　　
　　2）定义变量MKCONFIG：这个变量指向一个脚本，即顶层目录的mkconfig。
　　
　　MKCONFIG := $(SRCTREE)/mkconfig
　　export MKCONFIG
　　
　　在编译U－BOOT之前，先要执行 
　　
　　# make smdk2410_config
　　
　　smdk2410_config是Makefile的一个目标，定义如下：
　　
　　smdk2410_config : unconfig
　　 @$(MKCONFIG) $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0
　　
　　 unconfig::
　　 @rm -f $(obj)include/config.h $(obj)include/config.mk \
　　 $(obj)board/*/config.tmp $(obj)board/*/*/config.tmp
　　
　　显然，执行# make smdk2410_config时，先执行unconfig目标，注意不指定输出目标时，obj，src变量均为空，unconfig下面的命令清理上一次执行make *_config时生成的头文件和makefile的包含文件。主要是include/config.h 和include/config.mk文件。
　　
　　然后才执行命令
　　
　　 @$(MKCONFIG) $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0
　　MKCONFIG 是顶层目录下的mkcofig脚本文件，后面五个是传入的参数。
　　
　　对于smdk2410_config而言，mkconfig主要做三件事：
　　
　　在include文件夹下建立相应的文件（夹）软连接，
　　
　　#如果是ARM体系将执行以下操作：
　　#ln -s asm-arm asm 
　　
　　#ln -s arch-s3c24x0 asm-arm/arch 
　　#ln -s proc-armv asm-arm/proc
　　
　　生成Makefile包含文件include/config.mk，内容很简单，定义了四个变量：
　　
　　ARCH = arm
　　CPU = arm920t
　　BOARD = smdk2410
　　SOC = s3c24x0
　　
　　生成include/config.h头文件，只有一行：
　　
　　/* Automatically generated - do not edit */
　　＃i nclude "config/smdk2410.h"
　　
　　
　　mkconfig脚本文件的执行至此结束，继续分析Makefile剩下部分。
　　
　　3）包含include/config.mk，其实也就相当于在Makefile里定义了上面四个变量而已。
　　
　　4) 指定交叉编译器前缀：
　　
　　ifeq ($(ARCH),arm)#这里根据ARCH变量，指定编译器前缀。
　　CROSS_COMPILE = arm-linux-
　　endif
　　
　　5)包含config.mk:
　　
　　#包含顶层目录下的config.mk，这个文件里面主要定义了交叉编译器及选项和编译规则
　　# load other configuration
　　include $(TOPDIR)/config.mk
　　
　　下面分析config.mk的内容：
　　
　　　　　＠包含体系，开发板，CPU特定的规则文件：
　　
　　ifdef ARCH　#指定预编译体系结构选项
　　sinclude $(TOPDIR)/$(ARCH)_config.mk # include architecture dependend rules
　　endif
　　ifdef CPU #定义编译时对齐，浮点等选项
　　sinclude $(TOPDIR)/cpu/$(CPU)/config.mk # include CPU specific rules
　　endif
　　ifdef SOC #没有这个文件
　　sinclude $(TOPDIR)/cpu/$(CPU)/$(SOC)/config.mk # include SoC specific rules
　　endif
　　
　　ifdef BOARD　#指定特定板子的镜像连接时的内存基地址，重要！
　　sinclude $(TOPDIR)/board/$(BOARDDIR)/config.mk # include board specific rules
　　endif
　　
　　＠定义交叉编译链工具
　　
　　
　　# Include the make variables (CC, etc...)
　　#
　　AS = $(CROSS_COMPILE)as
　　LD = $(CROSS_COMPILE)ld
　　CC = $(CROSS_COMPILE)gcc
　　CPP = $(CC) -E
　　AR = $(CROSS_COMPILE)ar
　　NM = $(CROSS_COMPILE)nm
　　STRIP = $(CROSS_COMPILE)strip
　　OBJCOPY = $(CROSS_COMPILE)objcopy
　　OBJDUMP = $(CROSS_COMPILE)objdump
　　RANLIB = $(CROSS_COMPILE)RANLIB
　　
　　＠定义AR选项ARFLAGS，调试选项DBGFLAGS，优化选项OPTFLAGS
　　
　　　预处理选项CPPFLAGS，C编译器选项CFLAGS，连接选项LDFLAGS
　　
　　　LDFLAGS += -Bstatic -T $(LDSCRIPT) -Ttext $(TEXT_BASE) $(PLATFORM_LDFLAGS)　#指定了起始地址TEXT_BASE
　　
　　＠指定编译规则：
　　
　　$(obj)%.s: %.S
　　 $(CPP) $(AFLAGS) -o $@ $<
　　$(obj)%.o: %.S
　　 $(CC) $(AFLAGS) -c -o $@ $<
　　$(obj)%.o: %.c
　　 $(CC) $(CFLAGS) -c -o $@ $<
　　
　　回到顶层makefile文件：
　　
　　6）U-boot需要的目标文件。
　　
　　OBJS = cpu/$(CPU)/start.o # 顺序很重要，start.o必须放第一位
　　
　　7）需要的库文件：
　　
　　LIBS = lib_generic/libgeneric.a
　　LIBS += board/$(BOARDDIR)/lib$(BOARD).a
　　LIBS += cpu/$(CPU)/lib$(CPU).a
　　ifdef SOC
　　LIBS += cpu/$(CPU)/$(SOC)/lib$(SOC).a
　　endif
　　LIBS += lib_$(ARCH)/lib$(ARCH).a
　　LIBS += fs/cramfs/libcramfs.a fs/fat/libfat.a fs/fdos/libfdos.a fs/jffs2/libjffs2.a \
　　 fs/reiserfs/libreiserfs.a fs/ext2/libext2fs.a
　　LIBS += net/libnet.a
　　LIBS += disk/libdisk.a
　　LIBS += rtc/librtc.a
　　LIBS += dtt/libdtt.a
　　LIBS += drivers/libdrivers.a
　　LIBS += drivers/nand/libnand.a
　　LIBS += drivers/nand_legacy/libnand_legacy.a
　　LIBS += drivers/sk98lin/libsk98lin.a
　　LIBS += post/libpost.a post/cpu/libcpu.a
　　LIBS += common/libcommon.a
　　LIBS += $(BOARDLIBS)
　　
　　LIBS := $(addprefix $(obj),$(LIBS))
　　.PHONY : $(LIBS)
　　
　　根据上面的include/config.mk文件定义的ARCH、CPU、BOARD、SOC这些变量。硬件平台依赖的目录文件可以根据这些定义来确定。SMDK2410平台相关目录及对应生成的库文件如下。
　　 board/smdk2410/ ：库文件board/smdk2410/libsmdk2410.a
　　 cpu/arm920t/ ：库文件cpu/arm920t/libarm920t.a
　　 cpu/arm920t/s3c24x0/ : 库文件cpu/arm920t/s3c24x0/libs3c24x0.a
　　 lib_arm/ : 库文件lib_arm/libarm.a
　　 include/asm-arm/ :下面两个是头文件。
　　 include/configs/smdk2410.h
　　
　　
　　8）最终生成的各种镜像文件：
　　
　　ALL = $(obj)u-boot.srec $(obj)u-boot.bin $(obj)System.map $(U_BOOT_NAND)
　　
　　all: $(ALL)
　　
　　$(obj)u-boot.hex: $(obj)u-boot
　　 $(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O ihex $< $@
　　
　　$(obj)u-boot.srec: $(obj)u-boot
　　 $(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O srec $< $@
　　
　　$(obj)u-boot.bin: $(obj)u-boot
　　 $(OBJCOPY) ${OBJCFLAGS} -O binary $< $@
　　#这里生成的是U-boot　的ELF文件镜像
　　$(obj)u-boot: depend version $(SUBDIRS) $(OBJS) $(LIBS) $(LDSCRIPT)
　　 UNDEF_SYM=`$(OBJDUMP) -x $(LIBS) |sed -n -e ''''''''''''''''''''''''''''''''s/.*\(__u_boot_cmd_.*\)/-u\1/p''''''''''''''''''''''''''''''''|sort|uniq`;\
　　 cd $(LNDIR) && $(LD) $(LDFLAGS) $$UNDEF_SYM $(__OBJS) \
　　 --start-group $(__LIBS) --end-group $(PLATFORM_LIBS) \
　　 -Map u-boot.map -o u-boot
　　
　　分析一下最关键的u-boot ELF文件镜像的生成：
　　
　　 @依赖目标depend :生成各个子目录的.depend文件，.depend列出每个目标文件的依赖文件。生成方法，调用每个子目录的make _depend。
　　
　　depend dep:
　　 for dir in $(SUBDIRS) ; do $(MAKE) -C $$dir _depend ; done
　　
　　@依赖目标version：生成版本信息到版本文件VERSION_FILE中。
　　
　　version:
　　 @echo -n "#define U_BOOT_VERSION \"U-Boot " > $(VERSION_FILE); \
　　 echo -n "$(U_BOOT_VERSION)" >> $(VERSION_FILE); \
　　 echo -n $(shell $(CONFIG_SHELL) $(TOPDIR)/tools/setlocalversion \
　　 $(TOPDIR)) >> $(VERSION_FILE); \
　　 echo "\"" >> $(VERSION_FILE)
　　
　　@伪目标SUBDIRS: 执行tools ,examples ,post,post\cpu 子目录下面的make文件。
　　
　　SUBDIRS = tools \
　　 examples \
　　 post \
　　 post/cpu
　　.PHONY : $(SUBDIRS)
　　
　　$(SUBDIRS):
　　 $(MAKE) -C $@ all
　　
　　@依赖目标$(OBJS)，即cpu/start.o 
　　
　　$(OBJS):
　　 $(MAKE) -C cpu/$(CPU) $(if $(REMOTE_BUILD),$@,$(notdir $@))
　　
　　@依赖目标$(LIBS)，这个目标太多，都是每个子目录的库文件*.a ，通过执行相应子目录下的make来完成：
　　
　　$(LIBS):
　　 $(MAKE) -C $(dir $(subst $(obj),,$@)) 
　　
　　@依赖目标$(LDSCRIPT)：
　　
　　LDSCRIPT := $(TOPDIR)/board/$(BOARDDIR)/u-boot.lds
　　LDFLAGS += -Bstatic -T $(LDSCRIPT) -Ttext $(TEXT_BASE) $(PLATFORM_LDFLAGS)
　　
　　对于smdk2410,LDSCRIPT即连接脚本文件是board/smdk2410/u-boot.lds，定义了连接时各个目标文件是如何组织的。内容如下：
　　
　　OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
　　/*OUTPUT_FORMAT("elf32-arm", "elf32-arm", "elf32-arm")*/
　　OUTPUT_ARCH(arm)
　　ENTRY(_start)
　　SECTIONS
　　{
　　 . = 0x00000000;
　　
　　 . = ALIGN(4);
　　 .text :/*.text的基地址由LDFLAGS中-Ttext $(TEXT_BASE)指定*/
　　 { /*smdk2410指定的基地址为0x33f80000*/
　　 cpu/arm920t/start.o (.text) /*start.o为首*/
　　 *(.text)
　　 }
　　
　　 . = ALIGN(4);
　　 .rodata : { *(.rodata) }
　　
　　 . = ALIGN(4);
　　 .data : { *(.data) }
　　
　　 . = ALIGN(4);
　　 .got : { *(.got) }
　　
　　 . = .;
　　 __u_boot_cmd_start = .;
　　 .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
　　 __u_boot_cmd_end = .;
　　
　　 . = ALIGN(4);
　　 __bss_start = .;
　　 .bss : { *(.bss) }
　　 _end = .;
　　}
　　
　　@执行连接命令：
　　
　　cd $(LNDIR) && $(LD) $(LDFLAGS) $$UNDEF_SYM $(__OBJS) \
　　 --start-group $(__LIBS) --end-group $(PLATFORM_LIBS) \
　　 -Map u-boot.map -o u-boot
　　
　　其实就是把start.o和各个子目录makefile生成的库文件按照LDFLAGS连接在一起，生成ELF文件u-boot 和连接时内存分配图文件u-boot.map。 
　　
　　9)对于各子目录的makefile文件，主要是生成*.o文件然后执行AR生成对应的库文件。如lib_generic文件夹Makefile：
　　
　　LIB = $(obj)libgeneric.a
　　
　　COBJS = bzlib.o bzlib_crctable.o bzlib_decompress.o \
　　 bzlib_randtable.o bzlib_huffman.o \
　　 crc32.o ctype.o display_options.o ldiv.o \
　　 string.o vsprintf.o zlib.o
　　
　　SRCS := $(COBJS:.o=.c)
　　OBJS := $(addprefix $(obj),$(COBJS))
　　
　　$(LIB): $(obj).depend $(OBJS) #项层Makefile执行make libgeneric.a
　　 $(AR) $(ARFLAGS) $@ $(OBJS)
　　
　　整个makefile剩下的内容全部是各种不同的开发板的*_config:目标的定义了。
　　
　　概括起来，工程的编译流程也就是通过执行执行一个make *_config传入ARCH，CPU，BOARD，SOC参数，mkconfig根据参数将include头文件夹相应的头文件夹连接好，生成config.h。然后执行make分别调用各子目录的makefile 生成所有的obj文件和obj库文件*.a. 最后连接所有目标文件，生成镜像。不同格式的镜像都是调用相应工具由elf镜像直接或者间接生成的。
　　
　　
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　　lds文件一般放在kernel的arch/arm目录下, 分压缩和不压缩的两个, 下面看个lds文件的例子:
　　./arch/arm/kernel/vmlinux.lds
　　./arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds
　　 一般这个文件不需要我们自己写, 只需要能看懂他表达的内存和符号分布就可以了
　　[e-mail]:[/home/cpe202Work/linux-2.6.18/arch/arm/boot/compressed]cat vmlinux.lds
　　/*
　　 * linux/arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds.in
　　 *
　　 * Copyright (C) 2000 Russell King
　　 *
　　 * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
　　 * it under the terms of the GNU General Public License version 2 as
　　 * published by the Free Software Foundation.
　　 */
　　OUTPUT_ARCH(arm)/////架构声明
　　ENTRY(_start)/////程序的入口
　　SECTIONS /////SECTION声明输出文件中的模块布局
　　{
　　 . = 0; ///起始段
　　 _text = .; ///这里面的点号表示输出地址的计数器, 
　　
　　 .text : {
　　 _start = .;
　　 *(.start)
　　 *(.text)
　　 *(.text.*)
　　 *(.fixup)
　　 *(.gnu.warning)
　　 *(.rodata)
　　 *(.rodata.*)
　　 *(.glue_7)
　　 *(.glue_7t)
　　 *(.piggydata)
　　 . = ALIGN(4);
　　 }
　　
　　 _etext = .;
　　
　　 _got_start = .;
　　 .got : { *(.got) }
　　 _got_end = .;
　　 .got.plt : { *(.got.plt) }
　　 .data : { *(.data) }
　　 _edata = .;
　　
　　 . = ALIGN(4);
　　 __bss_start = .;
　　 .bss : { *(.bss) }
　　 _end = .;
　　
　　 .stack (NOLOAD) : { *(.stack) }
　　
　　 .stab 0 : { *(.stab) }
　　 .stabstr 0 : { *(.stabstr) }
　　 .stab.excl 0 : { *(.stab.excl) }
　　 .stab.exclstr 0 : { *(.stab.exclstr) }
　　 .stab.index 0 : { *(.stab.index) }
　　 .stab.indexstr 0 : { *(.stab.indexstr) }
　　 .comment 0 : { *(.comment) }
　　}
　　
　　看看生成的u-boot.map文件是不是和这个lds描述的一致.
　　
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对于.lds文件，决定一个可执行程序的各个段的存储位置,以及入口地址，这也是链接定位的作用。这里以u-boot的lds为例说明uboot的链接过程。

首先看一下GNU官方网站上对.lds文件形式的完整描述：

SECTIONS {
...
secname start BLOCK(align) (NOLOAD) : AT ( ldadr )
{ contents } >region :phdr =fill
...
}
secname和contents是必须的，前者用来命名这个段，后者用来确定代码中的什么部分放在这个段，以下是对这个描述中的一些关键字的解释。
1、secname：段名
2、contents：决定哪些内容放在本段，可以是整个目标文件，也可以是目标文件中的某段（代码段、数据段等）
3、start：是段的重定位地址，本段连接（运行）的地址，如果代码中有位置无关指令，程序运行时这个段必须放在这个地址上。start可以用任意一种描述地址的符号来描述。
4、AT（ldadr）：定义本段存储（加载）的地址，如果不使用这个选项，则加载地址等于运行地址，通过这个选项可以控制各段分别保存于输出文件中不同的位置。
例：

/* nand.lds */
SECTIONS {
firtst 0x00000000 : { head.o init.o }
second 0x30000000 : AT(4096) { main.o }
}
以上，head.o放在0x00000000地址开始处，init.o放在head.o后面，他们的运行地址也是0x00000000，即连接和存储地址相同（没有AT指定）；main.o放在4096（0x1000，是AT指定的，存储地址）开始处，但它的运行地址在0x30000000，运行之前需要从0x1000（加载地址处）复制到0x30000000（运行地址处），此过程也就需要读取 flash，把程序拷贝到相应位置才能运行。这就是存储地址和运行地址的不同，称为加载时域和运行时域，可以在.lds连接脚本文件中分别指定。

编写好的.lds文件，在用arm-linux-ld连接命令时带-Tfilename来调用执行，如
arm-linux-ld –Tnand.lds x.o y.o –o xy.o。也用-Ttext参数直接指定连接地址，如
arm-linux-ld –Ttext 0x30000000 x.o y.o –o xy.o。
既然程序有了两种地址，就涉及到一些跳转指令的区别。
ARM汇编中，常有两种跳转方法：b跳转指令、ldr指令向PC赋值。
要特别注意这两条指令的意思：
（1） b step：b跳转指令是相对跳转，依赖当前PC的值，偏移量是通过该指令本身的 bit[23:0]算出来的，这使得使用b指令的程序不依赖于要跳到的代码的位置，只看指令本身。
（2） ldr pc, =step ：该指令是一个伪指令编译后会生成以下代码：
ldr pc, 0x30008000
<0x30008000>
step
是从内存中的某个位置（step）读出数据并赋给PC，同样依赖当前PC的值，但是偏移量是step的连接地址（运行时的地址），所以可以用它实现从Flash到RAM的程序跳转。
（3） 此外，有必要回味一下adr伪指令，U-boot中那段relocate代码就是通过adr实现当前程序是在RAM中还是flash中：
relocate: /* 把U-Boot重新定位到RAM */
adr r0, _start /* r0是代码的当前位置 */
/* adr伪指令，汇编器自动通过当前PC的值算出这条指令中“_start"的值，执行到_start时PC的值放到r0中：
当此段在flash中执行时r0 = _start = 0；当此段在RAM中执行时_start = _TEXT_BASE(在board/smdk2410/config.mk中指定的值为0x33F80000，即u-boot在把代码拷贝到RAM中去执行的代码段的开始) */
ldr r1, _TEXT_BASE /* 测试判断是从Flash启动，还是RAM */
/* 此句执行的结果r1始终是0x33FF80000，因为此值是链接指定的 */
cmp r0, r1 /* 比较r0和r1，调试的时候不要执行重定位 */
结合u-boot.lds谈谈连接脚本。
OUTPUT_FORMAT("elf32­littlearm", "elf32­littlearm", "elf32­littlearm")
;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
{
. = 0x00000000 ; 定位当前地址为0地址
. = ALIGN(4) ; 代码以4字节对齐
.text : ;指定代码段
{
cpu/arm920t/start.o (.text) ; 代码的第一个代码部分
*(.text) ;其它代码部分
}
. = ALIGN(4)
.rodata : { *(.rodata) } ;指定只读数据段
. = ALIGN(4);
.data : { *(.data) } ;指定读/写数据段
. = ALIGN(4);
.got : { *(.got) } ;指定got段, got段式是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