uboot

1.Uboot介绍

u-boot是一段开源的程序。

UniversalBoot Loader，普遍的引导程序。是非常常用的一个引导程序，可作为主流系统的引导程序，如OpenBSD, NetBSD, FreeBSD,4.4BSD,Linux, SVR4, Esix, Solaris等等，当然同时也支持多种常见的cpu处理器，如MIPS、 x86、ARM、NIOS、XScale等。

u-boot是一种普遍用于嵌入式系统中的Bootloader，Bootloader是在操作系统运行之前执行的一小段程序，通过它，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射表，从而建立适当的软硬件环境，为最终调用操作系统内核做好准备。Boot Loader的主要运行任务就是将内核映象从硬盘(e.g. NAND flash or eMMC)上读到RAM中，然后跳转到内核的入口点去运行，即开始启动操作系统。系统在上电或复位时通常都从地址0x00000000处开始执行，而在这个地址处安排的通常就是系统的Boot Loader程序。

 

1.0     版本号介绍

版本号变化：

2008年8月及以前

按版本号命名：u-boot-1.3.4.tar.bz2(2008年8月更新)

2008年8月以后均按日期命名。

目前最新版本：u-boot-2011.06.tar.bz2（2011年6月更新）

1.1目录结构变化

u-boot目录结构主要经历过2次变化，u-boot版本第一次从u-boot-1.3.2开始发生变化，主要增加了api的内容；变化最大的是第二次，从2010.6版本开始。

u-boot-2010.03及以前版本
├── api 存放uboot提供的接口函数
├── board根据不同开发板定制的代码，代码也不少
├── common 通用的代码，涵盖各个方面，已命令行处理为主
├── cpu与体系结构相关的代码，uboot的重头戏
├── disk 磁盘分区相关代码
├── doc 文档，一堆README开头的文件
├── drivers 驱动，很丰富，每种类型的设备驱动占用一个子目录
├── examples 示例程序
├── fs 文件系统，支持嵌入式开发板常见的文件系统
├── include 头文件，已通用的头文件为主
├── lib_【arch】与体系结构相关的通用库文件
├── nand_spl NAND存储器相关代码
├── net 网络相关代码，小型的协议栈
├── onenand_ipl
├── post 加电自检程序
└── tools 辅助程序，用于编译和检查uboot目标文件

从u-boot-2010.06版本开始把体系结构相关的内容合并，原先的cpu与lib_arch内容全部纳入arch中，并且其中增加inlcude文件夹；分离出通用库文件lib。

u-boot-2010.06及以后版本
├── api 存放uboot提供的接口函数
├── arch与体系结构相关的代码，uboot的重头戏
├── board根据不同开发板定制的代码，代码也不少
├── common 通用的代码，涵盖各个方面，已命令行处理为主
├── disk 磁盘分区相关代码
├── doc 文档，一堆README开头的文件
├── drivers 驱动，很丰富，每种类型的设备驱动占用一个子目录
├── examples 示例程序
├── fs 文件系统，支持嵌入式开发板常见的文件系统
├── include 头文件，已通用的头文件为主
├── lib 通用库文件
├── nand_spl NAND存储器相关代码
├── net 网络相关代码，小型的协议栈
├── onenand_ipl
├── post 加电自检程序
└── tools 辅助程序，用于编译和检查uboot目标文件

1.2 移植工作涉及的目录情况

从uboot代码根目录，可以看出其已经非常庞大，功能也很丰富。
移植工作最主要的是看对应的处理器和开发板代码，2010.06版本以后处理器相关的代码集中在arch、board目录。(以前版本主要在cpu和board目录)

1.3 u-boot.lds

还有一个文件是必须要知道的，即u-boot/arch/arm/cpu/slsiap/u-boot.lds

u-boot.lds是ld程序也就是连接器的脚本文件，这个文件描述了如何连接目标文件，ld程序会根据这个文件的指示按照需求把不同的目标文件连接在一起生成供烧写到开发板的image。

 

 

1.4  1.1或1.2等老版本U-boot目录结构

u-boot目录下有18个子目录，分别存放管理不通的源程序。这些目录中所要存放的文件有其规则，可以分成三类。

n 第一类目录与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关；

n 第二类目录是一些通用的函数或者驱动程序；

n 第三类目录是u-boot的应用程序、工具或者文档。

 

目录

特性

备注

2010.6不同之处

board

平台依赖

存放电路板相关目录文件，

比如Makefile和u-boot.lds等都和具体开发板的硬件和地址分配有关。

没有太大别，增加了一些开发板的支持，将一些开发板进行了整理，比如支持的所有三星公司的开发板都统一放在samsung下

cpu

平台依赖

存放CPU相关的目录文件

其中的子目录都是以u-boot所支持的CPU为名

比如有子目录arm926ejs、mips、mpc8260和nios等

每个特定的子目录中都包括cpu.c和interrupt.c和start.S，其中

cpu.c初始化cpu、设置指令cache和数据cache等；

interrupt.c设置系统的各种终端和异常，比如快速中断，开关中断、时钟中断、软件中断、预取中止和未定义指令等；

start.S是u-boot启动时执行的第一个文件，他主要是设置系统堆栈和工作发式，为进入C程序奠定基础。

改动比较大，在2010.6下更名为arch，可能是为了跟内核统一，呵呵。

子目录以体系结构进行统一划分，比如arm、mips、sh等，不像以前那么混乱。

每种体系结构下统一有三个目录: cpu、lib、include。

cpu目录:存放采用相应体系结构处理器的具体分类，比如arch/arm/cpu下存放的为arm720t，arm920t等，包括最新的cortex-a8系列，作用与旧版本的cpu目录下的对应目录相同

lib目录:存放对相应的体系结构CPU通用的文件，等价于旧版本的lib_XX，比如arch/arm/lib目录作用与旧版本根目录下的lib_arm目录相同，以此类推

include:存放与相应体系结构对应的头文件，例如：arm/arm/include/asm等价于旧版本根目录下include/arm-asm目录

include

通用

头文件和开发板配置文件

所有开发板的配置文件都在configs目录下

去除了跟平台相关的头文件，其它跟以前类似

common

通用

通用的多功能函数实现

与体系结构无关的文件，实现各种命令的C文件。

跟旧版本一致

Lib_arm

平台依赖

存放对ARM体系结构通用的文件

主要用于实现ARM平台通用的函数

与ARM体系结构相关的代码。

合并到arch/XXX/lib对应目录下

Lib_ppc

平台依赖

存放对PowerPC体系结构通用的文件

主要用于实现PowerPC平台通用的函数

与PowerPC体系结构相关的代码。

Lib_i386

平台依赖

存放对X86体系结构通用的文件

主要用于实现X86平台通用的函数

Lib_generic

通用

通用的多功能函数实现。

等价于新版本的lib目录

net

通用

与网络有关的代码

BOOTP协议、TFTP协议、RARP协议和NFS文件系统的实现。

跟旧版本一致

fs

通用

支持文件系统的文件

u-boot现在支持cramfs、fat、fdos、jffs2、yaffs和registerfs。

增加支持yaffs2、ubifs两种文件系统，其它的均一样

post

通用

存放上电自检程序

跟旧版本一致

drivers

通用

通用设备驱动程序

比如各种网卡、支持CFI的flash、串口和USB总线等。

跟旧版本一致

重新整理的目录结构，比以前更加合理、整齐，同时增加了许多新的硬件驱动

disk

通用

硬盘接口程序

disk驱动的分区处理代码、

跟旧版本一致

rtc

通用

RTC驱动程序

整合到drivers下

dtt

通用

数字温度测量器或者传感器的驱动

整合在drivers/hwmon下

doc

通用

开发使用文档

跟旧版本一致

tools

通用

存放制作S-Record或者 U-Boot格式的映像等工具，例如mkimage

创建S-Record格式文件和U-BOOT images的工具。

跟旧版本一致

examples

通用

一些独立运行的应用程序的例子，例如helloworld

一些独立运行的应用程序的例子。

跟旧版本一致

 

 

 

 

2.Uboot 编译makefile

2.1编译

以mpc8548板为例，编译的过程分两部：

# make MPC8548CDS_config

# make

2.2顶层Makefile分析

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makeO=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 MPC8548CDS_config

MPC8548CDS_config是Makefile的一个目标，定义如下：

MPC8548CDS_config:      unconfig

         @mkdir -p $(obj)include

         @if [ "$(findstring_legacy_,$@)" ] ; then \

                   echo "#defineCONFIG_LEGACY" >>$(obj)include/config.h ; \

                   $(XECHO) "...legacy" ; \

         fi

         @$(MKCONFIG) -a MPC8548CDS ppc mpc85xxmpc8548cds freescale

 

unconfig:

         @rm -f $(obj)include/config.h$(obj)include/config.mk \

                   $(obj)board/*/config.tmp$(obj)board/*/*/config.tmp \

                   $(obj)include/autoconf.mk$(obj)include/autoconf.mk.dep

 

显然，执行# make MPC8548CDS_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) -a MPC8548CDS ppc mpc85xx mpc8548cds freescale
MKCONFIG是顶层目录下的mkcofig脚本文件，后面四个是传入的参数。

 

 

生成Makefile包含文件include/config.mk，内容很简单，定义了四个变量：

ARCH  = ppc

CPU   = mpc85xx

BOARD = mpc8548cds

VENDOR = freescale

　　生成include/config.h头文件，只有一行：

/* Automatically generated - do not edit */

#include <configs/MPC8548CDS.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),ppc)

CROSS_COMPILE=/opt/freescale/usr/local/gcc-4.1.78-eglibc-2.5.78-1/powerpc-e300c3-linux-gnu/bin/powerpc-e300c3-linux-gnu-

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

 

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

 

 

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。

 

3.uboot启动分析

u-boot系统启动流程 大多数bootloader都分为stage1和stage2两部分，u-boot也不例外。

依赖于CPU体系结构的代码（如设备初始化代码等）通常都放在stage1且可以用汇编语言来实现，而stage2则通常用C语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且有更好的可读性和移植性。

 

1、Stage1

start.S代码结构u-boot的stage1代码通常放在start.S文件中，他用汇编语言写成，其主要代码部分如下

（1）定义入口。：

该工作通过修改连接器脚本来完成。

（2）设置异常向量（ExceptionVector）。

（3）设置CPU的速度、时钟频率及终端控制寄存器。

（4）初始化内存控制器。

（5）将ROM中的程序复制到RAM中。

（6）初始化堆栈。

（7）转到RAM中执行，该工作可使用指令ldrpc来完成。

 

2、Stage2

C语言代码部分 lib_arm/board.c中的startarm boot是C语言开始的函数也是整个启动代码中C语言的主函数，同时还是整个u-boot（armboot）的主函数，该函数只要完成如下操作：

（1）调用一系列的初始化函数。

（2）初始化Flash设备。

（3）初始化系统内存分配函数。

（4）如果目标系统拥有NAND设备，则初始化NAND设备。

（5）如果目标系统有显示设备，则初始化该类设备。

（6）初始化相关网络设备，填写IP、MAC地址等。

（7）进去命令循环（即整个boot的工作循环），接受用户从串口输入的命令，然后进行相应的工作。

 

3、U-Boot的启动顺序

主要顺序如下图所示

函数顺序 初始化顺序
图为 U-Boot顺序
下面就根据代码进行解释：
/*********************** 中断向量***********************/
.globl _start //u-boot启动入口
_start: b reset //复位向量并且跳转到reset
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq //中断向量
ldr pc, _fiq //中断向量
b sleep_setting //跳转到sleep_setting

并通过下段代码拷贝到内存里

relocate: //把uboot重新定位到RAM
adr r0, _start // r0 是代码的当前位置
ldr r2, _armboot_start //r2 是armboot的开始地址
ldr r3, _armboot_end //r3 是armboot的结束地址
sub r2, r3, r2 // r2得到armboot的大小

ldr r1, _TEXT_BASE// r1得到目标地址
add r2, r0, r2 // r2 得到源结束地址
copy_loop: //重新定位代码

ldmia r0!, {r3-r10}//从源地址[r0]中复制
stmia r1!, {r3-r10} //复制到目标地址[r1]
cmp r0, r2 //复制数据块直到源数据末尾地址[r2]

ble copy_loop

系统上电或reset后，cpu的PC一般都指向0x0地址，在0x0地址上的指令是

reset: //复位启动子程序

/******** 设置CPU为SVC32模式***********/

mrs r0,cpsr //将CPSR状态寄存器读取，保存到R0中
bic r0,r0,#0x1f
orr r0,r0,#0xd3
msr cpsr,r0
//将R0写入状态寄存器中
/************** 关闭看门狗******************/
ldr r0, =pWTCON
mov r1, #0x0
str r1, [r0]
/************** 关闭所有中断 *****************/
mov r1, #0xffffffff
ldr r0, =INTMSK
str r1, [r0]
ldr r2, =0x7ff
ldr r0, =INTSUBMSK
str r2, [r0]
/************** 初始化系统时钟 *****************/
ldr r0, =LOCKTIME
ldr r1, =0xffffff
str r1, [r0]
clear_bss:
ldr r0, _bss_start //找到bss的起始地址
add r0, r0, #4 //从bss的第一个字开始
ldr r1, _bss_end // bss末尾地址
mov r2, #0x00000000 //清零
clbss_l:str r2, [r0] // bss段空间地址清零循环
add r0, r0, #4
cmp r0, r1
bne clbss_l

/***************** 关键的初始化子程序************************/
/ * cpu初始化关键寄存器
* 设置重要寄存器
* 设置内存时钟
* /
cpu_init_crit:
/** flush v4 I/D caches*/
mov r0, #0
mcr p15, 0, r0, c7, c7, 0 /* flush v3/v4 cache */
mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0 /* flush v4 TLB */
/************* disable MMU stuff and caches ****************/
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
bic r0, r0, #0x00002300 @ clear bits 13, 9:8 (--V- --RS)
bic r0, r0, #0x00000087 @ clear bits 7, 2:0 (B--- -CAM)
orr r0, r0, #0x00000002 @ set bit 2 (A) Align
orr r0, r0, #0x00001000 @ set bit 12 (I) I-Cache
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
/******* 在重新定位前，我们要设置RAM的时间，因为内存时钟依赖开发板硬件的，你将会找到board目录底下的memsetup.S。**************/
mov ip, lr
#ifndef CONFIG_S3C2440A_JTAG_BOOT
bl memsetup //调用memsetup子程序（在board/smdk2442memsetup.S）
#endif
mov lr, ip
mov pc, lr //子程序返回

memsetup:
/**************** 初始化内存 **************/
mov r1, #MEM_CTL_BASE
adrl r2, mem_cfg_val
add r3, r1, #52
1: ldr r4, [r2], #4
str r4, [r1], #4
cmp r1, r3
bne 1b
/*********** 跳转到原来进来的下一个指令（start.S文件里） ***************/
mov pc, lr //子程序返回
/****************** 建立堆栈*******************/
ldr r0, _armboot_end //armboot_end重定位
add r0, r0, #CONFIG_STACKSIZE //向下配置堆栈空间
sub sp, r0, #12 //为abort-stack预留个3字
/**************** 跳转到C代码去**************/
ldr pc, _start_armboot //跳转到start_armboot函数入口，start_armboot
字保存函数入口指针
_start_armboot: .word start_armboot //start_armboot函数在lib_arm/board.c中实现
从此进入第二阶段C语言代码部分
/**************** 异常处理程序*******************/
.align 5
undefined_instruction: //未定义指令
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_undefined_instruction
.align 5
software_interrupt: //软件中断
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_software_interrupt
.align 5
prefetch_abort: //预取异常中止
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_prefetch_abort
.align 5
data_abort: //数据异常中止
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_data_abort
.align 5
not_used: //未利用
get_bad_stack
bad_save_user_regs
bl do_not_used
.align 5
irq: //中断请求
get_irq_stack
irq_save_user_regs
bl do_irq
irq_restore_user_regs
.align 5
fiq: //快速中断请求
get_fiq_stack
/* someone ought to write a more effiction fiq_save_user_regs */
irq_save_user_regs
bl do_fiq
irq_restore_user_regs
sleep_setting: //休眠设置
@ prepare the SDRAM self-refresh mode
ldr r0, =0x48000024 @ REFRESH Register
ldr r1, [r0]
orr r1, r1,#(1bd = &bd_data;

memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));
monitor_flash_len = _armboot_end_data - _armboot_start;
/*** 调用执行init_sequence数组按顺序执行初始化 ***/

for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr)

{

if ((*init_fnc_ptr)() != 0)

{

hang ();

}

}

#if 0
/**************** 配置可用的flash单元 *************/
size = flash_init (); //初始化flash

display_flash_config (size);//显示flash的大小

/******** _arm_boot在armboot.lds链接脚本中定义 ********/
#endif
#ifdef CONFIG_VFD
# ifndef PAGE_SIZE
# define PAGE_SIZE 4096
# endif
/*********** 为VFD显示预留内存(整个页面) **********/
/******** armboot_real_end在board-specific链接脚本中定义********/
addr = (_armboot_real_end + (PAGE_SIZE - 1)) & ~(PAGE_SIZE - 1);
size = vfd_setmem (addr);
gd->fb_base = addr;
/******* 进入下一个界面 ********/
addr += size;
addr = (addr + (PAGE_SIZE - 1)) & ~(PAGE_SIZE - 1);
mem_malloc_init (addr);
#else
/******** armboot_real_end 在board-specific链接脚本中定义 *******/
mem_malloc_init (_armboot_real_end);
#endif /* CONFIG_VFD */
#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_NAND)
puts ("NAND:");
nand_init(); /* NAND初始化 */
#endif
#ifdef CONFIG_HAS_DATAFLASH
AT91F_DataflashInit();
dataflash_print_info();
#endif
/********* 初始化环境 **********/
env_relocate ();
/*********** 配置环境变量，重新定位 **********/
#ifdef CONFIG_VFD
/* must do this after the framebuffer is allocated */
drv_vfd_init();
#endif
/* 从环境中得到IP地址 */
bd_data.bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");
/*以太网接口MAC地址*/
{
int i;
ulong reg;
char *s, *e;
uchar tmp[64];
i = getenv_r ("ethaddr", tmp, sizeof (tmp));
s = (i > 0) ? tmp : NULL;
for (reg = 0; reg bd->bi_enetaddr);
#endif
#ifdef CONFIG_DRIVER_LAN91C96
if (getenv ("ethaddr")) {
smc_set_mac_addr(gd->bd->bi_enetaddr);
}
/* eth_hw_init(); */
#endif /* CONFIG_DRIVER_LAN91C96 */
/* 通过环境变量初始化*/
if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
}
#if (CONFIG_COMMANDS & CFG_CMD_NET)
if ((s = getenv ("bootfile")) != NULL) {
copy_filename (BootFile, s, sizeof (BootFile));
}
#endif /* CFG_CMD_NET */
#ifdef BOARD_POST_INIT
board_post_init ();
#endif
/* main_loop() 总是试图自动启动，循环不断执行*/
for (;;) {
main_loop (); /*主循环函数处理执行用户命令—common/main.c
}
/* NOTREACHED - no way out of command loop except booting */
}