UBOOT源码分析及移植.docx
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UBOOT源码分析及移植
U-BOOT源码分析及移植472857749
2008-4-298:
44:
19
本文从以下几个方面粗浅地分析u-boot并移植到FS2410板上：
1、u-boot工程的总体结构
2、u-boot的流程、主要的数据结构、内存分配。
3、u-boot的重要细节，主要分析流程中各函数的功能。
4、基于FS2410板子的u-boot移植。
实现了NORFlash和NANDFlash启动,网络功能。
这些认识源于自己移植u-boot过程中查找的资料和对源码的简单阅读。
下面主要以smdk2410为分析对象。
一、u-boot工程的总体结构：
1、源代码组织
对于ARM而言，主要的目录如下：
board平台依赖 存放电路板相关的目录文件,每一套板子对应一个目录。
如smdk2410（arm920t）
cpu平台依赖 存放CPU相关的目录文件，每一款CPU对应一个目录，例如：
arm920t、xscale、i386等目录
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，如软件浮点。
common通用通用的多功能函数实现，如环境，命令，控制台相关的函数实现。
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
lib_generic通用通用库函数的实现
net通用存放网络协议的程序
drivers通用通用的设备驱动程序，主要有以太网接口的驱动，nand驱动。
.......
2.makefile简要分析
所有这些目录的编译连接都是由顶层目录的makefile来确定的。
在执行make之前，先要执行make$（board）_config对工程进行配置，以确定特定于目标板的各个子目录和头文件。
$（board）_config:
是makefile中的一个伪目标，它传入指定的CPU，ARCH，BOARD，SOC参数去执行mkconfig脚本。
这个脚本的主要功能在于连接目标板平台相关的头文件夹，生成config.h文件包含板子的配置头文件。
使得makefile能根据目标板的这些参数去编译正确的平台相关的子目录。
以smdk2410板为例,执行 makesmdk2410_config,
主要完成三个功能：
@在include文件夹下建立相应的文件（夹）软连接，
#如果是ARM体系将执行以下操作：
#ln-sasm-armasm
#ln-sarch-s3c24x0asm-arm/arch
#ln-sproc-armvasm-arm/proc
@生成Makefile包含文件include/config.mk，内容很简单，定义了四个变量：
ARCH=arm
CPU=arm920t
BOARD=smdk2410
SOC=s3c24x0
@生成include/config.h头文件，只有一行：
/*Automaticallygenerated-donotedit*/
#include"config/smdk2410.h"
顶层makefile先调用各子目录的makefile，生成目标文件或者目标文件库。
然后再连接所有目标文件（库）生成最终的u-boot.bin。
连接的主要目标（库）如下：
OBJS=cpu/$（CPU）/start.o
LIBS=lib_generic/libgeneric.a
LIBS+=board/$（BOARDDIR）/lib$（BOARD）.a
LIBS+=cpu/$（CPU）/lib$（CPU）.a
ifdefSOC
LIBS+=cpu/$（CPU）/$（SOC）/lib$（SOC）.a
endif
LIBS+=lib_$（ARCH）/lib$（ARCH）.a
LIBS+=fs/cramfs/libcramfs.afs/fat/libfat.afs/fdos/libfdos.afs/jffs2/libjffs2.a\
fs/reiserfs/libreiserfs.afs/ext2/libext2fs.a
LIBS+=net/libnet.a
LIBS+=disk/libdisk.a
LIBS+=rtc/librtc.a
LIBS+=dtt/libdtt.a
LIBS+=drivers/libdrivers.a
LIBS+=drivers/nand/libnand.a
LIBS+=drivers/nand_legacy/libnand_legacy.a
LIBS+=drivers/sk98lin/libsk98lin.a
LIBS+=post/libpost.apost/cpu/libcpu.a
LIBS+=common/libcommon.a
LIBS+=$（BOARDLIBS）
显然跟平台相关的主要是：
cpu/$（CPU）/start.o
board/$（BOARDDIR）/lib$（BOARD）.a
cpu/$（CPU）/lib$（CPU）.a
cpu/$（CPU）/$（SOC）/lib$（SOC）.a
lib_$（ARCH）/lib$（ARCH）.a
这里面的四个变量定义在include/config.mk（见上述）。
其余的均与平台无关。
所以考虑移植的时候也主要考虑这几个目标文件（库）对应的目录。
关于u-boot的makefile更详细的分析可以参照
3、u-boot的通用目录是怎么做到与平台无关的？
include/config/smdk2410.h
这个头文件中主要定义了两类变量。
一类是选项，前缀是CONFIG_，用来选择处理器、设备接口、命令、属性等，主要用来决定是否编译某些文件或者函数。
另一类是参数，前缀是CFG_，用来定义总线频率、串口波特率、Flash地址等参数。
这些常数参量主要用来支持通用目录中的代码，定义板子资源参数。
这两类宏定义对u-boot的移植性非常关键，比如drive/CS8900.c，对cs8900而言，很多操作都是通用的，但不是所有的板子上面都有这个芯片，即使有它在内存中映射的基地址也是平台相关的。
所以对于smdk2410板，在smdk2410.h中定义了
#defineCONFIG_DRIVER_CS89001/*wehaveaCS8900on-board*/
#defineCS8900_BASE 0x19000300/*IOmodebaseaddress*/
CONFIG_DRIVER_CS8900的定义使得cs8900.c可以被编译（当然还得定义CFG_CMD_NET才行），因为cs8900.c中在函数定义的前面就有编译条件判断：
#ifdefCONFIG_DRIVER_CS8900 如果这个选项没有定义，整个cs8900.c就不会被编译了。
而常数参量CS8900_BASE则用在cs8900.h头文件中定义各个功能寄存器的地址。
u-boot的CS8900工作在IO模式下，只要给定IO寄存器在内存中映射的基地址，其余代码就与平台无关了。
u-boot的命令也是通过目标板的配置头文件来配置的，比如要添加ping命令，就必须添加CFG_CMD_NET和CFG_CMD_PING才行。
不然common/cmd_net.c就不会被编译了。
从这里我可以这么认为，u-boot工程可配置性和移植性可以分为两层：
一是由makefile来实现，配置工程要包含的文件和文件夹上，用什么编译器。
二是由目标板的配置头文件来实现源码级的可配置性，通用性。
主要使用的是#ifdef#else#endif之类来实现的。
4、smkd2410其余重要的文件：
include/s3c24x0.h 定义了s3x24x0芯片的各个特殊功能寄存器（SFR）的地址。
cpu/arm920t/start.s在flash中执行的引导代码,也就是bootloader中的stage1,负责初始化硬件环境，把u-boot从flash加载到RAM中去，然后跳到lib_arm/board.c中的start_armboot中去执行。
lib_arm/board.c u-boot的初始化流程，尤其是u-boot用到的全局数据结构gd,bd的初始化，以及设备和控制台的初始化。
board/smdk2410/flash.c在board目录下代码的都是严重依赖目标板，对于不同的CPU，SOC，ARCH，u-boot都有相对通用的代码，但是板子构成却是多样的，主要是内存地址，flash型号，外围芯片如网络。
对fs2410来说，主要考虑从smdk2410板来移植，差别主要在norflash上面。
二、u-boot的流程、主要的数据结构、内存分配
1、u-boot的启动流程：
从文件层面上看主要流程是在两个文件中：
cpu/arm920t/start.s，lib_arm/board.c，
1）start.s
在flash中执行的引导代码,也就是bootloader中的stage1,负责初始化硬件环境，把u-boot从flash加载到RAM中去，然后跳到lib_arm/board.c中的start_armboot中去执行。
1.1.6版本的start.s流程：
硬件环境初始化：
进入svc模式;关闭watchdog;屏蔽所有IRQ掩码;设置时钟频率FCLK、HCLK、PCLK;清I/Dcache;禁止MMU和CACHE;配置memorycontrol;
重定位：
如果当前代码不在连接指定的地址上（对smdk2410是0x3f000000）则需要把u-boot从当前位置拷贝到RAM指定位置中；
建立堆栈，堆栈是进入C函数前必须初始化的。
清.bss区。
跳到start_armboot函数中执行。
（lib_arm/board.c）
2）lib_arm/board.c:
start_armboot是U-Boot执行的第一个C语言函数，完成系统初始化工作，进入主循环，处理用户输入的命令。
这里只简要列出了主要执行的函数流程：
voidstart_armboot（void）
{
//全局数据变量指针gd占用r8。
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
/*给全局数据变量gd安排空间*/
gd=（gd_t*）（_armboot_start-CFG_MALLOC_LEN-sizeof（gd_t））;
memset（（void*）gd,0,sizeof（gd_t））;
/*给板子数据变量gd->bd安排空间*/
gd->bd=（bd_t*）（（char*）gd-sizeof（bd_t））;
memset（gd->bd,0,sizeof（bd_t））;
monitor_flash_len=_bss_start-_armboot_start;//取u-boot的长度。
/*顺序执行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（）;
}
}
/*配置可用的Flash*/
size=flash_init（）;
……
/*初始化堆空间*/
mem_malloc_init（_armboot_start-CFG_MALLOC_LEN）;
/*重新定位环境变量，*/
env_relocate（）;
/*从环境变量中获取IP地址*/
gd->bd->bi_ip_addr=getenv_IPaddr（"ipaddr"）;
/*以太网接口MAC地址*/
……
devices_init（）;/*设备初始化*/
jumptable_init（）;//跳转表初始化
console_init_r（）;/*完整地初始化控制台设备*/
enable_interrupts（）;/*使能中断处理*/
/*通过环境变量初始化*/
if（（s=getenv（"loadaddr"））!
=NULL）{
load_addr=simple_strtoul（s,NULL,16）;
}
/*main_loop（）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*/
}
}
初始化函数序列init_sequence[]
init_sequence[]数组保存着基本的初始化函数指针。
这些函数名称和实现的程序文件在下列注释中。
init_fnc_t*init_sequence[]={
cpu_init,/*基本的处理器相关配置--cpu/arm920t/cpu.c*/
board_init,/*基本的板级相关配置--board/smdk2410/smdk2410.c*/
interrupt_init,/*初始化例外处理--cpu/arm920t/s3c24x0/interrupt.c*/
env_init,/*初始化环境变量--common/env_flash.c*/
init_baudrate,/*初始化波特率设置--lib_arm/board.c*/
serial_init,/*串口通讯设置--cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c*/
console_init_f,/*控制台初始化阶段1--common/console.c*/
display_banner,/*打印u-boot信息--lib_arm/board.c*/
dram_init,/*配置可用的RAM--board/smdk2410/smdk2410.c*/
display_dram_config,/*显示RAM的配置大小--lib_arm/board.c*/
NULL,
};
整个u-boot的执行就进入等待用户输入命令，解析并执行命令的死循环中。
2、u-boot主要的数据结构
u-boot的主要功能是用于引导OS的，但是本身也提供许多强大的功能，可以通过输入命令行来完成许多操作。
所以它本身也是一个很完备的系统。
u-boot的大部分操作都是围绕它自身的数据结构，这些数据结构是通用的，但是不同的板子初始化这些数据就不一样了。
所以u-boot的通用代码是依赖于这些重要的数据结构的。
这里说的数据结构其实就是一些全局变量。
1）gd 全局数据变量指针，它保存了u-boot运行需要的全局数据，类型定义：
typedefstructglobal_data{
bd_t*bd;//boarddatapointor板子数据指针
unsignedlongflags; //指示标志，如设备已经初始化标志等。
unsignedlongbaudrate;//串口波特率
unsignedlonghave_console;/*串口初始化标志*/
unsignedlongreloc_off;/*重定位偏移，就是实际定向的位置与编译连接时指定的位置之差，一般为0*/
unsignedlongenv_addr;/*环境参数地址*/
unsignedlongenv_valid;/*环境参数CRC检验有效标志*/
unsignedlongfb_base;/*baseaddressofframebuffer*/
#ifdefCONFIG_VFD
unsignedcharvfd_type;/*displaytype*/
#endif
void**jt;/*跳转表，1.1.6中用来函数调用地址登记*/
}gd_t;
2）bd板子数据指针。
板子很多重要的参数。
类型定义如下：
typedefstructbd_info{
intbi_baudrate;/*串口波特率*/
unsignedlongbi_ip_addr;/*IP地址*/
unsignedcharbi_enetaddr[6];/*MAC地址*/
structenvironment_s*bi_env;
ulongbi_arch_number;/*uniqueidforthisboard*/
ulongbi_boot_params;/*启动参数*/
struct/*RAM配置*/
{
ulongstart;
ulongsize;
}bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS];
}bd_t;
3）环境变量指针env_t*env_ptr=（env_t*）（&environment[0]）;（common/env_flash.c）
env_ptr指向环境参数区，系统启动时默认的环境参数environment[]，定义在common/environment.c中。
参数解释：
bootdelay定义执行自动启动的等候秒数
baudrate定义串口控制台的波特率
netmask定义以太网接口的掩码
ethaddr定义以太网接口的MAC地址
bootfile定义缺省的下载文件
bootargs定义传递给Linux内核的命令行参数
bootcmd定义自动启动时执行的几条命令
serverip定义tftp服务器端的IP地址
ipaddr定义本地的IP地址
stdin定义标准输入设备，一般是串口
stdout定义标准输出设备，一般是串口
stderr定义标准出错信息输出设备，一般是串口
4）设备相关：
标准IO设备数组evice_t*stdio_devices[]={NULL,NULL,NULL};
设备列表 list_tdevlist=0;
device_t的定义：
include\devices.h中：
typedefstruct{
intflags; /*Deviceflags:
input/output/system*/
intext; /*Supportedextensions*/
charname[16]; /*Devicename*/
/*GENERALfunctions*/
int（*start）（void）; /*Tostartthedevice*/
int（*stop）（void）; /*Tostopthedevice*/
/*输出函数*/
void（*putc）（constcharc）;/*Toputachar*/
void（*puts）（constchar*s）;/*Toputastring（accelerator）*/
/*输入函数*/
int（*tstc）（void）; /*Totestifacharisready...*/
int（*getc）（void）; /*Togetthatchar*/
/*Otherfunctions*/
void*priv; /*Privateextensions*/
}device_t;
u-boot把可以用为控制台输入输出的设备添加到设备列表devlist,并把当前用作标准IO的设备指针加入stdio_devices数组中。
在调用标准IO函数如printf（）时将调用stdio_devices数组对应设备的IO函数如putc（）。
5）命令相关的数据结构，后面介绍。
6）与具体设备有关的数据结构，
如flash_info_tflash_info[CFG_MAX_FLASH_BANKS];记录norflash的信息。
nand_info_tnand_info[CFG_MAX_NAND_DEVICE]; nandflash块设备信息
3、u-boot重定位后的内存分布：
对于smdk2410,RAM范围从0x30000000~0x34000000.u-boot占用高端内存区。
从高地址到低地址内存分配如下：
显示缓冲区（.bss_end~34000000）
u-boot（bss,data,text）（33f00000~.bss_end）
heap（formalloc）
gd（globaldata）
bd（boarddata）
stack
....
norflash（0~2M）
三、u-boot的重要细节。
主要分析流程中各函数的功能。
按启动顺序罗列一下启动函数执行细节。
按照函数start_armboot流程进行分析：
1）DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
这个宏定义在include/global_data.h中：
#defineDECLARE_GLOBAL_DATA_PTRregistervolatilegd_t*gdasm（"r8"）
声明一个寄存器变量gd占用r8。
这个宏在所有需要引用全局数据指针gd_t*gd的源码中都有申明。
这个申明也避免编译器把r8分配给其它的变量. 所以gd就是r8,这个指针变量不占用内存。
2）gd=（gd_t*）（_armboot_start-CFG_MALLOC_LEN-sizeof（gd_t））;
对全局数据区进行地址分配，_armboot_start为0x3f000000,CFG_MALLOC_LEN是堆大小＋环境数据区大小，config/smdk2410.h中CFG_MALLOC_LEN大小定义为192KB.
3）gd->bd=（bd_t*）（（char*）gd-sizeof（bd_t））;
分配板子数据区bd首地址。
这样结合start.s中栈的分配，
stack_setup：
ldrr0,_TEXT_BASE/*upper128KiB:
relocateduboot*/
subr0,r0,#CFG_MALLOC_LEN/*mallocarea*/
subr0,r0,#CFG_GBL_DATA_SIZE/*bdinfoCFG_GBL
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