UBOOT启动内核过程
1、摘要
(1)、启动4步骤
第一步:将内核搬移到DDR中
第二步:校验内核格式、CRC等
第三步:准备传参
第四步:跳转执行内核
(2)、涉及到的主要函数是:do_bootm和do_bootm_linux
(3)、uboot能启动的内核格式:zImage uImage fdt方式(设备树)
(4)、跳转与函数指针的方式运行内核
2、vmlinuz和zImage和uImage
(1)uboot经过编译直接生成的elf格式的可执行程序是u-boot,这个程序类似于windows下的exe格式,在操作系统下是可以直接执行的。但是这种格式不能用来烧录下载。我们用来烧录下载的是u-boot.bin,这个东西是由u-boot使用arm-linux-objcopy工具进行加工(主要目的是去掉一些无用的)得到的。这个u-boot.bin就叫镜像(image),镜像就是用来烧录到iNand中执行的。
(2)linux内核经过编译后也会生成一个elf格式的可执行程序,叫vmlinux或vmlinuz,这个就是原始的未经任何处理加工的原版内核elf文件;嵌入式系统部署时烧录的一般不是这个vmlinuz/vmlinux,而是要用objcopy工具去制作成烧录镜像格式(就是u-boot.bin这种,但是内核没有.bin后缀),经过制作加工成烧录镜像的文件就叫Image(制作把78M大的精简成了7.5M,因此这个制作烧录镜像主要目的就是缩减大小,节省磁盘)。
(3)原则上Image就可以直接被烧录到Flash上进行启动执行(类似于u-boot.bin),但是实际上并不是这么简单。实际上linux的作者们觉得Image还是太大了所以对Image进行了压缩,并且在image压缩后的文件的前端附加了一部分解压缩代码。构成了一个压缩格式的镜像就叫zImage。(因为当年Image大小刚好比一张软盘(软盘有2种,1.2M的和1.44MB两种)大,为了节省1张软盘的钱于是乎设计了这种压缩Image成zImage的技术)。
(4)uboot为了启动linux内核,还发明了一种内核格式叫uImage。uImage是由zImage加工得到的,uboot中有一个工具,可以将zImage加工生成uImage。注意:uImage不关linux内核的事,linux内核只管生成zImage即可,然后uboot中的mkimage工具再去由zImage加工生成uImage来给uboot启动。这个加工过程其实就是在zImage前面加上64字节的uImage的头信息即可。
(4)原则上uboot启动时应该给他uImage格式的内核镜像,但是实际上uboot中也可以支持zImage,是否支持就看x210_sd.h中是否定义了LINUX_ZIMAGE_MAGIC这个宏。所以大家可以看出:有些uboot是支持zImage启动的,有些则不支持。但是所有的uboot肯定都支持uImage启动。
(5)如果直接在kernel底下去make uImage会提供mkimage command not found。解决方案是去uboot/tools下cp mkimage /usr/local/bin/,复制mkimage工具到系统目录下。再去make uImage即可。
3、do_bootm函数
一般情况bootm命令对应do_bootm函数。如果在do前加下划线_do_xxx表示为内部调用函数
(1)命令名前加do_即可构成这个命令对应的函数,因此当我们bootm命令执行时,uboot实际执行的函数叫do_bootm函数,在cmd_bootm.c。
(2)do_bootm刚开始定义了一些变量,然后用宏来条件编译执行了secureboot的一些代码(主要进行签名认证),先不管他;然后进行了一些一些细节部分操作,也不管他。然后到了CONFIG_ZIMAGE_BOOT,用这个宏来控制进行条件编译一段代码,这段代码是用来支持zImage格式的内核启动的。
4、zImage启动细节
(1)do_bootm函数中一直到397行的after_header_check这个符号处,都是在进行镜像的头部信息校验。校验时就要根据不同种类的image类型进行不同的校验。所以do_bootm函数的核心就是去分辨传进来的image到底是什么类型,然后按照这种类型的头信息格式去校验。校验通过则进入下一步准备启动内核;如果校验失败则认为镜像有问题,所以不能启动。
LINUX_ZIMAGE_MAGIC
(1)这个是一个定义的魔数,这个数等于0x016f2818,表示这个镜像是一个zImage。也就是说zImage格式的镜像中在头部的一个固定位置存放了这个数作为格式标记。如果我们拿到了一个image,去他的那个位置去取4字节判断它是否等于LINUX_ZIMAGE_MAGIC,则可以知道这个镜像是不是一个zImage。
(2)命令 bootm 0x30008000,所以do_boom的argc=2,argv[0]=bootm argv[1]=0x30008000。但是实际bootm命令还可以不带参数执行。如果不带参数直接bootm,则会从CFG_LOAD_ADDR地址去执行(定义在x210_sd.h中)。
(3)zImage头部开始的第37-40字节处存放着zImage标志魔数,从这个位置取出然后对比LINUX_ZIMAGE_MAGIC。可以用二进制阅读软件来打开zImage查看,就可以证明。很多软件都可以打开二进制文件,如winhex、UltraEditor。
image_header_t
(1)这个数据结构是我们uboot启动内核使用的一个标准启动数据结构,zImage头信息也是一个image_header_t,但是在实际启动之前需要进行一些改造。hdr->ih_os = IH_OS_LINUX;
hdr->ih_ep = ntohl(addr);这两句就是在进行改造。
(2)images全局变量是do_bootm函数中使用,用来完成启动过程的。zImage的校验过程其实就是先确认是不是zImage,确认后再修改zImage的头信息到合适,修改后用头信息去初始化images这个全局变量,然后就完成了校验。
5、uImage启动
(1)LEGACY(遗留的),在do_bootm函数中,这种方式指的就是uImage的方式。
(2)uImage方式是uboot本身发明的支持linux启动的镜像格式,但是后来这种方式被一种新的方式替代,这个新的方式就是设备树方式(在do_bootm方式中叫FIT)
(3)uImage的启动校验主要在boot_get_kernel函数中,主要任务就是校验uImage的头信息,并且得到真正的kernel的起始位置去启动。
总结1:uboot本身设计时只支持uImage启动,原来uboot的代码也是这样写的。后来有了fdt方式之后,就把uImage方式命令为LEGACY方式,fdt方式命令为FIT方式,于是乎多了写#if #endif添加的代码。后来移植的人又为了省事添加了zImage启动的方式,又为了省事把zImage启动方式直接写在了uImage和fdt启动方式之前,于是乎又有了一对#if #endif。于是乎整天的代码看起来很恶心。
总结2:第二阶段校验头信息结束,下面进入第三阶段,第三阶段主要任务是启动linux内核,调用do_bootm_linux函数来完成。
6、启动
(1)ep就是entrypoint的缩写,就是程序入口。一个镜像文件的起始执行部分不是在镜像的开头(镜像开头有n个字节的头信息),真正的镜像文件执行时第一句代码在镜像的中部某个字节处,相当于头是有一定的偏移量的。这个偏移量记录在头信息中。
(2)一般执行一个镜像都是:第一步先读取头信息,然后在头信息的特定地址找MAGIC_NUM,由此来确定镜像种类;第二步对镜像进行校验;第三步再次读取头信息,由特定地址知道这个镜像的各种信息(镜像长度、镜像种类、入口地址);第四步就去entrypoint处开始执行镜像。
(3)theKernel = (void (*)(int, int, uint))ep;将ep赋值给theKernel,则这个函数指向就指向了内存中加载的OS镜像的真正入口地址(就是操作系统的第一句执行的代码)。
7、传参准备
(1)uboot在启动内核时,机器码要传给内核。uboot传给内核的机器码是怎么确定的?第一顺序备选是环境变量machid,第二顺序备选是gd->bd->bi_arch_num(x210_sd.h中硬编码配置的)
(2)从110行到144行就是uboot在给linux内核准备传递的参数处理。(uboot/lib_arm/bootm.c)
(2)Starting kernel ... 这个是uboot中最后一句打印出来的东西。这句如果能出现,说明uboot整个是成功的,也成功的加载了内核镜像,也校验通过了,也找到入口地址了,也试图去执行了。如果这句后串口就没输出了,说明内核并没有被成功执行。原因一般是:传参(80%)、内核在DDR中的加载地址·······
7、传参详解
(1)、tag方式传参
(1)struct tag,tag是一个数据结构,在uboot和linux kernel中都有定义tag数据机构,而且定义是一样的。
(2)tag_header和tag_xxx。tag_header中有这个tag的size和类型编码,kernel拿到一个tag后先分析tag_header得到tag的类型和大小,然后将tag中剩余部分当作一个tag_xxx来处理。
(3)tag_start与tag_end。kernel接收到的传参是若干个tag构成的,这些tag由tag_start起始,到tag_end结束。
(4)tag传参的方式是由linux kernel发明的,kernel定义了这种向我传参的方式,uboot只是实现了这种传参方式从而可以支持给kernel传参。
(2)、x210_sd.h中配置传参宏
(1)CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS,tag_mem,传参内容是内存配置信息。
(2)CONFIG_CMDLINE_TAG,tag_cmdline,传参内容是启动命令行参数,也就是uboot环境变量的bootargs.
(3)CONFIG_INITRD_TAG
(4)CONFIG_MTDPARTITION,传参内容是iNand/SD卡的分区表。
(5)起始tag是ATAG_CORE、结束tag是ATAG_NONE,其他的ATAG_XXX都是有效信息tag。
思考:内核如何拿到这些tag?
uboot最终是调用theKernel函数来执行linux内核的,uboot调用这个函数(其实就是linux内核)时传递了3个参数。这3个参数就是uboot直接传递给linux内核的3个参数,通过寄存器来实现传参的。(第1个参数就放在r0中,第二个参数放在r1中,第3个参数放在r2中)第1个参数固定为0,第2个参数是机器码,第3个参数传递的就是大片传参tag的首地址。
(3)、移植时注意事项
(1)uboot移植时一般只需要配置相应的宏即可
(2)kernel启动不成功,注意传参是否成功。传参不成功首先看uboot中bootargs设置是否正确,其次看uboot是否开启了相应宏以支持传参。