UBOOT源码分析及移植.docx

1、UBOOT源码分析及移植U-BOOT源码分析及移植4728577492008-4-29 8:44:19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NOR Flash和NAND Flash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：b

2、oard 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

3、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

4、。以smdk2410板为例,执行make smdk2410_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 -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 = armCPU = arm920tBOARD = smdk2410SOC = s3c24x0生成include/config.h头文件，只有一行：/* Aut

5、omatically generated - do not edit */#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/$(CPU)/start.oLIBS = lib_generic/libgeneric.aLIBS += board/$(BOARDDIR)/lib$(BOARD).aLIBS += cpu/$(CPU)/lib$(CPU).aifdef SOCLIBS += cpu/$(CPU)/

6、$(SOC)/lib$(SOC).aendifLIBS += lib_$(ARCH)/lib$(ARCH).aLIBS += fs/cramfs/libcramfs.a fs/fat/libfat.a fs/fdos/libfdos.a fs/jffs2/libjffs2.a fs/reiserfs/libreiserfs.a fs/ext2/libext2fs.aLIBS += net/libnet.aLIBS += disk/libdisk.aLIBS += rtc/librtc.aLIBS += dtt/libdtt.aLIBS += drivers/libdrivers.aLIBS +

7、= drivers/nand/libnand.aLIBS += drivers/nand_legacy/libnand_legacy.aLIBS += drivers/sk98lin/libsk98lin.aLIBS += post/libpost.a post/cpu/libcpu.aLIBS += common/libcommon.aLIBS += $(BOARDLIBS)显然跟平台相关的主要是：cpu/$(CPU)/start.oboard/$(BOARDDIR)/lib$(BOARD).acpu/$(CPU)/lib$(CPU).acpu/$(CPU)/$(SOC)/lib$(SOC)

8、.alib_$(ARCH)/lib$(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

9、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 #define CONFIG_DRIVER_CS8900 1 /* we have a CS8900 on-board */ #define CS8900_BASE0x19000300 /*IO mode base address*/CONFIG_DRIVER_CS8900 的定义使得cs8900

10、.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：#ifdef CONFIG_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.

11、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

12、，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nor flash上面。二、u-boot的流程、主要的数据结构、内存分配1、u-bo

13、ot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watch dog;屏蔽所有IRQ掩码;设置时钟频率FCLK、HCLK、PCLK;清I/D cache;禁止MMU和CACHE;配置memory control;

14、 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： void start_armboot (void) /全局数据变量指针gd占用r8。 DECLARE_GLOBAL_DATA_

15、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

16、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 (

17、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

18、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

19、_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

20、*/ 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

21、针，它保存了u-boot运行需要的全局数据，类型定义： typedef struct global_data bd_t *bd; /board data pointor板子数据指针 unsigned long flags; /指示标志，如设备已经初始化标志等。 unsigned long baudrate; /串口波特率 unsigned long have_console; /* 串口初始化标志*/ unsigned long reloc_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 */ unsigned long env_addr; /* 环境参数地

22、址*/ unsigned long env_valid; /* 环境参数CRC检验有效标志 */ unsigned long fb_base; /* base address of frame buffer */ #ifdef CONFIG_VFD unsigned char vfd_type; /* display type */ #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： typedef struct bd_info int bi_baudrate; /* 串口波特率 */

23、 unsigned long bi_ip_addr; /* IP 地址 */ unsigned char bi_enetaddr6; /* MAC地址*/ struct environment_s *bi_env; ulong bi_arch_number; /* unique id for this board */ ulong bi_boot_params; /* 启动参数 */ struct /* RAM 配置 */ ulong start; ulong size; bi_dramCONFIG_NR_DRAM_BANKS; bd_t; 3)环境变量指针 env_t *env_ptr =

24、(env_t *)(&environment0);(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 ip

25、addr 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_t devlist = 0; device_t的定义：includedevices.h中： typedef struct int flags; /* Device flags: input/output/system */ int ext; /* Supported extensions *

26、/ char name16; /* Device name */ /* GENERAL functions */ int (*start) (void); /* To start the device */ int (*stop) (void); /* To stop the device */ /* 输出函数 */ void (*putc) (const char c); /* To put a char */ void (*puts) (const char *s); /* To put a string (accelerator) */ /* 输入函数 */ int (*tstc) (v

27、oid); /* To test if a char is ready. */ int (*getc) (void); /* To get that char */ /* Other functions */ void *priv; /* Private extensions */ 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

28、体设备有关的数据结构， 如flash_info_t flash_infoCFG_MAX_FLASH_BANKS;记录nor flash的信息。 nand_info_t nand_infoCFG_MAX_NAND_DEVICE;nand flash块设备信息3、u-boot重定位后的内存分布：对于smdk2410,RAM范围从0x300000000x34000000. 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_end34000000) u-boot(bss,data,text) (33f00000.bss_end) heap(for malloc) gd(

29、global data) bd(board data) stack . nor flash (02M)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： #define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR register volatile gd_t *gd asm (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。

30、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： ldr r0, _TEXT_BASE /* upper 128 KiB: relocated uboot */ sub r0, r0, #CFG_MALLOC_LEN /* malloc area */ sub r0, r0, #CFG_GBL_DATA_SIZE /* bdinfoCFG_GBL