u-boot的配置、编译及链接
第一次写技术博客，还有些兴奋呢。我是CrazyCatJack,大家可以叫我CCJ或者疯猫。我即将成为一名嵌入式Linux的驱动工程师，现在还是一枚大四狗，呼呼~大学期间做了一些项目和比赛，都是基于32位的MCU（例如STM32、Freescale K60），这些呢都是根据网上的视频，PDF自学的。现在想更进一步，学习一下嵌入式Linux、UCOS-II等嵌入式系统。因为给板子加系统是一个必然趋势，控制会越来越复杂，内容也越来越多的。有一个系统统筹管理是非常棒的选择。好了，废话少说，今天开始我的第一篇技术博客：u-boot的配置、编译和链接^_^
看到有的小伙伴好像不太了解u-boot,因此我简单介绍一下，u-boot是一种bootloader。在嵌入式开发过程中，bootloader用于配置平台/开发板，最主要的功能就是从flash中读出内核，然后启动内核。我们平时在PC上使用windows系统也是类似的。PC上是BIOS对硬件配置，从硬盘读出windows内核，然后启动windows内核，进入windows系统。相对的，嵌入式平台是bootloader对硬件配置，读出并启动嵌入式系统内核（例如Linux内核），进入你所用的嵌入式系统。
1.u-boot的配置
首先，我们要想了解u-boot，最好是从Makefile开始看，就能知道u-boot要执行的操作了。就像C语言中的main函数一样。在Makefile文件里，和配置相关的语句如下：
OBJTREE := $(if $(BUILD_DIR),$(BUILD_DIR),$(CURDIR)) SRCTREE := $(CURDIR) TOPDIR := $(SRCTREE) LNDIR := $(OBJTREE) export TOPDIR SRCTREE OBJTREE MKCONFIG := $(SRCTREE)/mkconfig export MKCONFIG CCJ_config : unconfig @$(MKCONFIG) $(@:_config=) arm arm920t CCJ NULL s3c24x0
根据Makefile中ReadMe文件中的描述，我们要配置u-boot，就要执行"make <board name>_config"这条指令。所以从Makefile中要查找一下你所用的开发板型号的相关配置信息。一般厂家都会给你配置好u-boot，你也可以自己写。在这里就假设我们使用的开发板名字为“CCJ”。分析最后这条语句：
@$(MKCONFIG) $(@:_config=) arm arm920t CCJ NULL s3c24x0
第一个MKCONFIG在Makefile文件中已有定义，可以看到MKCONFIG:=$(SRCTREE)/mkconfig，也就是说我们要用源代码树下的mkconfig替换这条语句中的MKCONFIG。
第二个$(@的含义是用前面板子的名字替换掉后面的内容，而且不要“_config”,也就是说替换之后为CCJ。
现在经过替换，这条语句变成了：
./mkconfig CCJ arm arm920t CCJ NULL s3c24x0
后面的5个参数其实分别代表着你现在用到的硬件平台的架构、CPU、开发板型号名称、供应商、SOC名称。这个我们后面还会有讲解。所以能够看出这里我用到的是ARM架构，CPU为ARM920T，开发板名称为CCJ，SOC为S3C24X0。
那现在我们已经分析了这条配置语句所代表的含义，但它具体是怎么工作的呢？是怎样将我们写好的这些硬件相关的信息进行具体配置赋值的呢？其实这里我们调用了根目录下的./mkconfig这一文件，就像C语言中的函数调用一样，调用mkconfig这个文件，并传入参数（arch,CPU,boardname,vendor,soc）为（arm arm920t CCJ NULL s3c24x0），来执行相应的操作。这么说大家应该就理解了吧。所以接下来我们看mkconfig文件中是怎样使用这些参数进行配置的。
现在我们打开mkconfig文件，先分析第一段代码：
APPEND=no # Default: Create new config file BOARD_NAME="" # Name to print in make output while [ $# -gt 0 ] ; do case "$1" in --) shift ; break ;; -a) shift ; APPEND=yes ;; -n) shift ; BOARD_NAME="${1%%_config}" ; shift ;; *) break ;; esac done [ "${BOARD_NAME}" ] || BOARD_NAME="$1" [ $# -lt 4 ] && exit 1 [ $# -gt 6 ] && exit 1 echo "Configuring for ${BOARD_NAME} board..."
首先我们看到两个参数的赋值，APPEND为“no”，这个参数我们后面会用到，BOARD_NAME为“”，非空。这里大家会看到很多“$1,$2,$3...”等等，大家不要晕，其实很简单的，他们都分别对应我们刚刚所说传入的参数：
Makefile命令： ./mkconfig CCJ arm arm920t CCJ NULL s3c24x0 mkconfig对应符号表示： $0 $1 $2 $3 $4 $5 $6
所以这里用到的$1其实就是"CCJ"，$2就是"arm"，以此类推。进入while语句，由于这句Makefile命令中没有“--”,“-a”,“-n”。所以这个while其实什么都没干。如果大家在写Makefile命令的时候，用到了“--”,“-a”,“-n”，则这里会改变APPEND和BOARD_NAME两个参数的值。我们这里没有改变。
接下来看下一句话 [ "${BOARD_NAME}" ] || BOARD_NAME="$1" 这句话是说如果BOARD_NAME不为空，则BOARD_NAME等于$1,即“CCJ”。然后是 echo "Configuring for ${BOARD_NAME} board..." 这句话的含义就是打印“Configuring for CCJ board”,所以在我们执行“make CCJ_config”命令时，一定会打印出这句话来。其中CCJ是你开发板的型号。
if [ "$SRCTREE" != "$OBJTREE" ] ; then mkdir -p ${OBJTREE}/include mkdir -p ${OBJTREE}/include2 cd ${OBJTREE}/include2 rm -f asm ln -s ${SRCTREE}/include/asm-$2 asm LNPREFIX="../../include2/asm/" cd ../include rm -rf asm-$2 rm -f asm mkdir asm-$2 ln -s asm-$2 asm else cd ./include rm -f asm ln -s asm-$2 asm fi rm -f asm-$2/arch
接着往下看，上面这段代码主要完成链接工作。首先if判断 $SRCTREE 是否等于 $OBJTREE，这里要注意了，这两个参数是我们在Makefile文件中定义的。看我发的第一个代码片中就有对它们的赋值。
OBJTREE := $(if $(BUILD_DIR),$(BUILD_DIR),$(CURDIR)) SRCTREE := $(CURDIR)
第一条语句的意思是如果我们定义了BUILD_DIR，则OBJTREE等于 $BUILD_DIR，否则等于 $CURDIR。那么这里我没有定义BUILD_DIR，所以OBJTREE= $CURDIR。所以现在OBJTREE=SRCTREE，则不执行if语句中的内容，而转去执行else分支的内容。
首先进入./include目录下，删除原来生成的asm文件，重新建立asm文件，并链接到asm-$2文件。经过前面的讲解，相信你已经知道asm-$2经过转换，得到asm-arm。也就是说现在asm->asm-arm。最后删除asm-arm/arch文件。同理，为后面重新建立连接做准备。
if [ -z "$6" -o "$6" = "NULL" ] ; then ln -s ${LNPREFIX}arch-$3 asm-$2/arch else ln -s ${LNPREFIX}arch-$6 asm-$2/arch fi if [ "$2" = "arm" ] ; then rm -f asm-$2/proc ln -s ${LNPREFIX}proc-armv asm-$2/proc fi
接着往下分析，如果$6不为空，或$6等于NULL，则执行if内的语句，我们$6=s3c24x0。所以执行分支语句，建立文件asm-am/arch，并指向arch-sac24x0。
第二个if中，因为$2等于arm，所以执行语句，删除asm-arm/proc，建立文件asm-arm/proc，并指向proc-armv。
# # Create include file for Make # echo "ARCH = $2" > config.mk echo "CPU = $3" >> config.mk echo "BOARD = $4" >> config.mk [ "$5" ] && [ "$5" != "NULL" ] && echo "VENDOR = $5" >> config.mk [ "$6" ] && [ "$6" != "NULL" ] && echo "SOC = $6" >> config.mk # # Create board specific header file # if [ "$APPEND" = "yes" ] # Append to existing config file then echo >> config.h else > config.h # Create new config file fi echo "/* Automatically generated - do not edit */" >>config.h echo "#include <configs/$1.h>" >>config.h exit 0
现在是不是有点累了？我们开始分析mkconfig的最后一大段^_^。坚持就是胜利！！！
根据注释，第一段代码的作用是创建包含的文件，为配置做准备。这里我们主要是创建config.mk文件。这里说明一下">"表示创建某文件，">>"表示将内容添加到某文件。所以接下来几行的含义就分别是：创建config.mk文件，并添加"ARCH = arm"，添加"CPU = arm920t",添加"BOARD = CCJ"语句。$5为NULL，不执行语句。$6为s3c24x0，添加"SOC =s3c24x0"所以，如果你尝试着执行config.mk文件一定会出现如下信息：
ARCH = arm CPU = arm920t BOARD = CCJ
SOC = s3c24x0
接下来看第二段代码，根据作者提供的注释我们知道要创建开发板指定头文件了。根绝最开始mkconfig中我们定义的APPEND值，执行语句，由于这里我定义的是APPEND=no，所以执行else分支，创建config.h头文件，并添加 /* Automatically generated - do not edit */ #include <configs/$1.h> 语句到config.h头文件中。 最后执行 exit 0 退出mkconfig文件。
2.u-boot的编译
接下来我们要做的就是编译了，即make。我们回到Makefile文件，看与你所使用的硬件平台相关的代码，这里我使用的是ARM9。根据注释，可以得知这段代码用于载入架构，开发板信息，CPU的配置。
# load ARCH, BOARD, and CPU configuration include $(OBJTREE)/include/config.mk export ARCH CPU BOARD VENDOR SOC ifndef CROSS_COMPILE ifeq ($(HOSTARCH),ppc) CROSS_COMPILE = else ifeq ($(ARCH),ppc) CROSS_COMPILE = powerpc-linux- endif ifeq ($(ARCH),arm) CROSS_COMPILE = arm-linux- endif ifeq ($(ARCH),i386) ifeq ($(HOSTARCH),i386) CROSS_COMPILE = else CROSS_COMPILE = i386-linux- endif endif
在包含了我们之前所配置的config.mk文件后，Makefile代码就会根据我们配置的具体架构信息选择合适的交叉编译，很明显，因为我的是ARM架构，这里CROSS_COMPILE=arm-linux-。
export CROSS_COMPILE
# load other configuration
include $(TOPDIR)/config.mk
接着往下看，最下面我们包含了顶层目录下的config.mk文件。其实这里我发现有一个问题，就是之前我们不是也生成了一个config.mk吗？这其实是两个文件。之前那个完完全全是我们自己创建的config.mk，它的作用就是为了给接下来包含的这个原作者书写的config.mk传值，传递CPU、SOC、ARCH、BOARD、VENDOR的参数值。如果你手头上有下载好的u-boot源文件，打开u-boot文件夹，你就会看到一个config.mk。打开它就明白我刚刚所说的，传递的参数进入这个config,mk配置交叉编译选项、选择结构依赖规则。如下图：
ifeq ($(ARCH),arm) ifeq ($(CROSS_COMPILE),powerpc-netbsd-) PLATFORM_CPPFLAGS+= -D__ARM__ endif ifeq ($(CROSS_COMPILE),powerpc-openbsd-) PLATFORM_CPPFLAGS+= -D__ARM__ endif endif ifeq ($(ARCH),blackfin) PLATFORM_CPPFLAGS+= -D__BLACKFIN__ -mno-underscore endif ifdef ARCH sinclude $(TOPDIR)/$(ARCH)_config.mk # include architecture dependend rules endif ifdef CPU sinclude $(TOPDIR)/cpu/$(CPU)/config.mk # include CPU specific rules endif ifdef SOC sinclude $(TOPDIR)/cpu/$(CPU)/$(SOC)/config.mk # include SoC specific rules endif
在这个文件中，也有调用结构依赖规则，就是你所用的硬件架构对应的结构规则config文件，这里不再详述。可以自己打开看看。
接下来接着看Makefile的命令：
# U-Boot objects....order is important (i.e. start must be first) OBJS = cpu/$(CPU)/start.o OBJS := $(addprefix $(obj),$(OBJS)) 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
首先是目标文件start.o，然后是给LIBS变量指定平台/开发板相关的库。这些库是由各个模块自身编译生成的。（.a文件）
$(OBJS): echo $(OBJS) $(MAKE) -C cpu/$(CPU) $(if $(REMOTE_BUILD),$@,$(notdir $@)) $(LIBS): $(MAKE) -C $(dir $(subst $(obj),,$@)) usb: $(MAKE) -C drivers/usb $(SUBDIRS): $(MAKE) -C $@ all
这些.o文件和.a文件就是由上面的语句编译生成的。其中库文件是由每个模块子目录自己make后生成的。编译过程就此结束。
3.u-boot的链接
通过连接，我们可以得到最终的u-boot的hex文件，srec文件，二进制文件，img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 $< $@ $(obj)u-boot.img: $(obj)u-boot.bin ./tools/mkimage -A $(ARCH) -T firmware -C none \ -a $(TEXT_BASE) -e 0 \ -n $(shell sed -n -e 's/.*U_BOOT_VERSION//p' $(VERSION_FILE) | \ sed -e 's/"[ ]*$$/ for $(BOARD) board"/') \ -d $< $@ $(obj)u-boot.dis: $(obj)u-boot $(OBJDUMP) -d $< > $@ $(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
LDFLAGS确定了程序地址和代码段、数据段的排列位置。下图是board/CCJ/u-boot.lds文件
SECTIONS { . = 0x00000000; . = ALIGN(4); .text : { cpu/arm920t/start.o (.text) board/CCJ/boot_init.o (.text) *(.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 = .; }
首先定义了基地址0x00000000,这个地址并不是我们实际存储程序的地址，而是在board目录下我们还要定义一个config.mk，包含内容TEXT_BASE = 0x33F80000。这个地址是我们自己定义的，基地址+偏移地址，才是u-boot程序最终存储的地址（0+0x33F80000=0x33F80000）。首先存储start.o的代码段，初始化代码段，然后是只读数据段，数据段。就此，u-boot链接完毕。
第一次写博客，感觉真挺累的，但是一写就停不下来。还是很高兴的，将自己学到的知识分享给大家，其实嵌入式的学习路程真的很长，需要不断地努力，还要有兴趣。我很喜欢乔布斯说的那句话：“人类追求极致，并分享给同类，然后才能共同进步。”在实际的编程、比赛、项目中，我们都需要合作和互相学习，尤其是不同领域的人们合作更会创造出令人惊叹的事物，会让我们感叹人类创造力的同时让生活更美好。这大概也是GPL协议的初衷吧，开源、但又尊重人们的自由和所属权。
今天写的博客都是基于这段时间的学习。希望能帮到大家。有写的不对的地方也希望大家给我指正，我会非常高兴，因为我喜欢交流^_^。
最后谢谢u-boot的作者，能够将u-boot开源，并提供下载以供全世界的人们学习使用。我尊重u-boot的作者的版权：Wolfgang Denk, DENX Software Engineering, wd@denx.de.
CCJ
2016-11-12 23:43:13
