Linux移植到自己的开发板（二）UBOOT和Linux
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Windows系统：Windows10 x64
vmware：VMware Workstation 15 Pro
Linux系统：Ubuntu16.04 x64
BootLoader：u-boot-2010.03
Linux内核：Linux2.6
编译链：gcc-3.4.5-glibc-2.3.6
板子介绍：ARM9的CPU，自定义的硬件资源。基于SMDK2416来进行后续移植。
注：使用高版本的Linux内核(3.x、4.x)不一定要升级uboot、busybox的版本；编译器版本倒是必须匹配！
uboot启动流程
来源： https://segmentfault.com/a/1190000037757917
1、在u-boot.lds中，看到入口为 _start
1 OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
2 OUTPUT_ARCH(arm)
3 ENTRY(_start)
2、_start在arch/arm/lib/vectors.S
48 _start:
49
50 #ifdef CONFIG_SYS_DV_NOR_BOOT_CFG
51 .word CONFIG_SYS_DV_NOR_BOOT_CFG
52 #endif
53
54 b reset
55 ldr pc, _undefined_instruction
56 ldr pc, _software_interrupt
57 ldr pc, _prefetch_abort
58 ldr pc, _data_abort
59 ldr pc, _not_used
60 ldr pc, _irq
61 ldr pc, _fiq
3、第54行跳转到reset函数里面，reset在arch/arm/cpu/armXXX/start.S
.globl reset
reset:
/*
* set the cpu to SVC32 mode
*/
mrs r0, cpsr
bic r0, r0, #0x1f
orr r0, r0, #0xd3
msr cpsr, r0
将处理器设置SVC模式，并且关闭FIQ和IRQ
设置向量表重定位
初始化cp15，关闭mmu及tlb
调用lowlevel_init函数，lowlevel_init中初始化sp。（为什么初始化sp？因为存在函数嵌套，只有一个lr寄存器）
4、board/samsung/jz2440/lowlevel_init.S
在该函数中初始化DDR，完成后跳回start.S，再跳转到_main
5、_main在 arch/arm/lib/crt0.S
/* 初始化NAND Flash */
bl nand_init_ll /* 跳转到borad/samsung/jz2440/init.c 中执行nand_init_ll函数 */
/* 重定位 */
mov r0, #0 /* uboot源地址 */
ldr r1, =(CONFIG_SYS_TEXT_BASE) /* 拷贝uboot到目的地址也就是链接地址CONFIG_SYS_TEXT_BASE上 */
ldr r2, =_start /* 得到uboot的开始地址(链接地址) */
ldr r3, =__bss_start /* 得到bss段开始地址(链接地址) */
sub r2, r3, r2 /* 得到uboot大小 */
bl copy_code_to_sdram /* 拷贝代码到SDRAM，参数1:uboot源地址，参数2:目的地址，参数3:uboot大小 */
ldr pc, =call_board_init_f /* 跳到SDRAM中执行剩下的代码 */
6、
uboot所需文件
1、删除u-boot-mini2440/board/tekkamanninja/mini2440/flash.c 后报错：
/u-boot-mini2440/lib_arm/board.c:200: undefined reference to flash_init' /u-boot-mini2440/common/cmd_bootm.c:1362: undefined reference to flash_info'
/u-boot-mini2440/common/cmd_flash.c:105: undefined reference to `flash_info'
一、uboot跳转到Linux
uboot就是裸机代码，可以根据现有裸机代码移植，能进入命令行则uboot的初期移植就完成了。
要启动Linux、传递参数，还需进行如下工作：
1、设置好Linux内核的机器码bi_arch_number。
必须与Linux内核支持的机器码相等才能正常启动Linux；
假设我在Linux内核make menuconfig中选择了SMDK2416型号的开发板，相当于在内核中“支持”了该型号。那么uboot想要启动Linux，则需在board/xxx/mini2440.c的int board_init (void)函数中修改
gd->bd->bi_arch_number = MACH_TYPE_SMDK2416; //机器码定义在mach-types.h。
gd->bd->bi_boot_params = xxx; //bi_boot_params是启动参数的地址
2、设置好传递给Linux的启动参数bootargs。
bootargs解析：
root：
根据文件系统存储的位置（flash、网络）不同，结合实际存储情况进行设置。例如：
root=/dev/mtdblockx rw（x=0,1,2..）
root=/dev/nfs rw nfsroot=10.103.4.216:/nfsroot/rootfs ip=10.103.4.211
root=/dev/ram0 rw
console:
console=ttySAC0,115200 控制台使用串口0，波特率115200.
串行端口终端（/dev/ttySn ）
控制终端（/dev/tty ）
控制台终端（/dev/ttyn, /dev/console ）
init:
init 指定的是内核启起来后，进入系统中运行的第一个脚本，一般为init=/linuxrc, /linuxrc指的是/目录下面的linuxrc脚本，一般是一个连接。
initrd, noinitrd:
当使用ramdisk启动系统的时候，需要指定initrd=r_addr,size。 r_addr表示initrd在内存中的位置，size表示initrd的大小。否则使用noinitrd。
根据实际情况在include/configs/mini2440.h中设置默认的bootargs宏。
也可以在uboot每次启动后setenv bootargs设置参数，再跳转到Linux。
3、移植好网络驱动，使开发板和电脑可以进行tftp文件传输。
如果你不想每次烧写Linux镜像到flash，就需要移植好网络驱动方便在线调试；
二、 Linux内核启动之解压阶段
Linux内核启动uImage需要先进行自解压，再跳到加载地址启动。
内核加载地址设置修改arch\arm\mach-s3c2410\Makefile.boot (虽然用的是基于SMDK2416的内核代码，但是加载地址修改都是在mach-s3c2410\Makefile.boot)
zreladdr-xxx := 0xX0008000 //linux内核加载地址
params_phys-xxx := 0xX0000100 //uboot传输过来的参数地址
为什么要偏移0x8000呢？因为0xX0000000到0xX0008000被用来存放uboot传递的参数和内核MMU Table。
自解压阶段，Linux首先运行arch\arm\boot\compressed\head.S文件，然后跳转到arm\boot\compressed\misc.c中运行decompress_kernel()函数，进行内核校验和解压：
makecrc();
putstr("Uncompressing Linux...");
gunzip();
putstr(" done, booting the kernel.\n");
putstr打印函数，会调用include\asm-arm\arch-s3c2410\uncompress.h中的static void putc(int ch)函数，如果uboot阶段已经移植好了串口，那这里我们可以直接将putc函数改写为直接往TX FIFO填充数据，即可实现最早期的打印。
我每次移植不同板子都会卡在这里，可以直接把decompress_kernel()中的打印函数屏蔽。因为打印函数使用了寄存器，和我们的板子不匹配。
static void putc(int ch)
{
//FILL TX FIFO
}
注意：由于还没有MMU映射，该putc函数实现使用寄存器的物理地址。
三、 Linux内核启动之汇编阶段
arch\arm\boot\compressed\head.S解压操作执行成功后跳转到 arch\arm\kernel\head.S
在arch\arm\kernel\head.S中，会判断cpu和机器码是否支持。
3.1 __lookup_processor_type，核对CPU：
每个型号的CPU有个参数结构体存在于汇编文件例如arch/arm/mm/proc-arm926.S中，包括CPU ID和掩码等众多信息。该汇编函数读取CPU ID，进行掩码比对，如果内核中有CPU ID与之相等则判断为内核支持该CPU，否则停止运行。
3.2 __lookup_machine_type,，核对机器码；
我们在内核中make menuconfig选中一个具体型号的开发板，那么就会使能对应板子的.C文件，例如mach-smdk2416.c。该文件中会使用宏MACHINE_START、MACHINE_END来定义一个machine_desc结构，它定义开发板相关的一些属性及函数，包括机器类型ID。
我们可以在arch\arm\tools\mach-types.h中仿照smdk2416建立一个自己的开发板型号XXX：
注意该函数只是比对数字，而不是名字。所以我们可以把自己的板子的number改为SMDK2416的。
//machine_is_xxx CONFIG_xxxx MACH_TYPE_xxx number
smdk2416 MACH_SMDK2416 SMDK2416 1685
插曲：关于Kconfig和Makefile
如果想使能一个需要在menuconfig中选择的宏定义选项，CONFIG_XXX，则需要修改对应的Kconfig文件；
如果想使能一个文件夹或者.c、.s文件，则需要修改对应的Makefile；
如何修改？照着别人的改就行了，很容易看会。
插曲结束
新建(copy)一个自己的板子文件arch\arm\mach-myboard\mach-myboard.c文件，我们进行如下开发板信息定义：
MACHINE_START(XXX, "XXXX")
//.phys_io = S3C2410_PA_UART, //未用，注释掉
//.io_pg_offst = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc, //未用，注释掉
.boot_params = 0xX0000100, // uboot传来的参数的RAM地址
.init_irq = xxx_init_irq, //中断控制器初始化
.map_io = xxx_map_io, //内存重映射，以及部分硬件参数初始化
//.fixup = xxx_fixup, //内存映射会处理该地址范围，这里将它注释掉
.init_machine = xxx_machine_init,//部分初始化函数
.timer = &s3c24xx_timer, //timer初始化，给系统提供心跳时钟
MACHINE_END
做好以上工作后__lookup_machine_type汇编函数就能将uboot传来的机器码与内核支持的机器码比对，一致才能正常运行，否则停止运行。
3.3__create_page_tables:
因为汇编阶段会执行__turn_mmu_on打开MMU，所以必须进行部分地址映射。建立一个临时的page table(将来这个table会被清除，重新建立)。
内存的映射是根据我们设置的PHYS_OFFSET由内核完成的，如果想寄存器映射，得自己加汇编代码。
我在该函数后加入串口寄存器映射，这样开启MMU后用虚拟地址也能进行串口打印信息：
add r0, r4, #0xXX000000 >> 18
orr r3, r7, #0xXX000000
str r3, [r0]
3.4 arch\arm\kernel\head-common.S
b start_kernel
从这里跳转到C语言启动函数start_kernel();
四、 Linux内核启动之C语言阶段
汇编语言跳到init\main.c中的asmlinkage void __init start_kernel(void)函数，asmlinkage是一个宏定义，主要是声明这个函数是给汇编代码调用的。
该阶段执行众多初始化函数，根据CPU架构和板级型号不同，又会调用众多板级相关文件，直至完成文件系统启动前的所有工作。
start_kernel-->rest_init-->kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND)-->init-->
init_post-->run_init_process(execute_command) //execute_command=/linuxrc,由uboot指定。
还需屏蔽include/asm-arm/arch-s3c2410/system.h的s3c24xx_default_idle()：
因为板子寄存器地址不同，这里需要把该函数注释掉，不然内核运行崩溃。
内核会依次调用我们在.c文件中：
MACHINE_START(XXX, "XXXX")
.xx
.xx
.xx
中建立的初始化函数，马上讲解。
五、板级重要函数修改
arch\arm\mach-xxx\mach-xxx.c
板级相关.c文件，把裸机代码中通用的c文件尽量都移植到此处。
include/asm-arm/plat-s3c24xx/xxx.h
板级相关.h文件，其它文件需要引用板级资源时，需要包含该头文件，注意和实际的绝对路径名不同（Linux特殊性）：
#include <asm/plat-s3c24xx/xxx.h>
mach-xxx.c文件包含以下重要的板级相关宏定义：
MACHINE_START(XXX, "XXX")
...
MACHINE_END
MACHINE_START、MACHINE_END都是定义的宏，代码如下
#define MACHINE_START(_type,_name) \
static const struct machine_desc __mach_desc_##_type \
__used \
__attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = { \
.nr = MACH_TYPE_##_type, \
.name = _name,
#define MACHINE_END \
};
简化展开一下，就是定义了一个如下结构体：
static const struct machine_desc = {
.nr = MACH_TYPE_ xXX,
.name = xXX,
.boot_params = 0xx0000100,
.init_irq = xxx_init_irq, //中断控制器初始化
.map_io = xxx_map_io,
.init_machine = xxx_machine_init,
.timer = &s3c24xx_timer,
}
5.1 MMU映射函数.map_io
这是该结构体中最先执行的成员函数。作用主要是MMU映射；部分硬件初始化，例如串口，也可以放在该成员函数中。
static void __init xxx_map_io(void)
{
xxx_init_io();//MMU映射
}
arch\arm\plat-s3c24xx\cpu.c：
void xxx_init_io(void)
{
iotable_init(xxx_iodesc, ARRAY_SIZE(xxx_iodesc));
}
static struct map_desc xxx_iodesc[] __initdata = {
{
.virtual = (0xF0100000),
.pfn = __phys_to_pfn(0xXX000000),
.length = 0x00100000,
.type = MT_DEVICE,
},
{
.virtual = (0xF0200000),
.pfn = __phys_to_pfn(0xXX000000),
.length = 0x00100000,
.type = MT_DEVICE,
},
};
asm-arm\arch-s3c2410\memory.h
#define PHYS_OFFSET UL(0xX0000000) //很重要，RAM的基地址,内核根据该值映射RAM地址
Linux内核汇编结束后就已经开启了MMU功能，后面使用的所有地址都必须是映射过的。内核会自动完成两部分的映射，一是RAM地址PHYS_OFFSET，即将0xX0000000映射到0xC0000000，大小我们可以在bootargs的mem=XX M指定。第二个是中断向量表0xX0001000映射到0xFFFF0000，大小为0x00001000。因为ARM中断向量表可以存放于两个地址：0和0xFFFF0000。可通过设置ARM寄存器设置用哪个地址的中断向量表。这两部分映射是内核隐式完成，我们只需指定RAM起始地址和要使用的大小。
内核中映射有两种方式。
静态映射：将指定虚拟地址映射到物理地址，虚拟地址是已知的、固定的；
动态映射：ioremap等函数实现，映射的虚拟地址是随机的。因为我们操作寄存器时有一些宏定义操作，地址已知更方便编程，所以采用静态映射。
而struct map_desc xxx_iodesc[]里就是我们指定的静态映射数组，主要映射了串口寄存器等。
.virtual是要映射的虚拟地址，地址范围涉及到内核空间分布知识，IO寄存器映射一般映射到0xF0000000到0xFF000000。
.pfn是要映射的物理地址。
.length是要映射的地址长度。
.type是要映射的地址类型，不同类型的权限是不同的，需要按照地址的属性正确设置，否则会带来意料之外的bug。
arch\arm\mm\mmu.c ：该文件不用改，但调试的时候可能需要用到如下两个函数。
static inline void prepare_page_table(struct meminfo *mi)
{
/* Clear out all the mappings below the kernel image.*/
for (addr = 0; addr < MODULE_START; addr += PGDIR_SIZE)
pmd_clear(pmd_off_k(addr));
}
#define PAGE_OFFSET UL(0xc0000000)
#define MODULE_END (PAGE_OFFSET)
#define MODULE_START (MODULE_END - 16*1048576)
该函数可能会清除我们在汇编语言建立好的映射，所以在该函数之后、xxx_map_io之前，注意虚拟地址的使用问题。
void __init create_mapping(struct map_desc *md)
{
printk(KERN_INFO "map PHYS:0x%08llx ,VIRT:0x%08lx ,length:0x%08lx\n",
__pfn_to_phys((u64)md->pfn), md->virtual, md->length);
}
所有的映射都会走该程序，所以我们加个如上打印，显示映射的物理地址、虚拟地址、映射长度，防止映射有冲突。
5.2、中断控制器移植.init_irq
我的中断控制器不一样，也得自己移植：中断控制器寄存器初始化；对中断描述符进行设置；对s3c_irq_ack、s3c_irq_mask、s3c_irq_unmask进行初始化。
void __init xx_init_irq(void)
{
int irq;
intr_init();//中断控制器初始化
for (irq = 0; irq < NR_IRQS; irq++) {
set_irq_chip(irq, &s3c_irq_level_chip);
set_irq_handler(irq, handle_level_irq);
set_irq_flags(irq, IRQF_VALID);
}
}
intr_init()函数对中断控制器进行初始化，主要是进行寄存器设置。和裸机基本一致，但是中断函数注册和中断处理流程需要用内核专用函数完成。
set_irq_chip(irq, &s3c_irq_level_chip)函数中，s3c_irq_level_chip就包含了s3c_irq_ack、s3c_irq_mask、s3c_irq_unmask三个处理函数。s3c_irq_ack作用为第一时间清除具体中断；s3c_irq_mask作用为向中断控制器mask具体中断，使对该中断的处理过程中，该中断不会再次发生；s3c_irq_unmask作用为向中断控制器unmask具体中断，使该中断可以再次触发。
5.3、 timer初始化.timer
很多实时操作系统都需要我们设置一个timer定时器，定时处理一个系统函数，给系统提供心跳时钟(嘀嗒时钟)。Linux也是如此，我们需要设置个timer定时器，每进一次timer中断处理一次timer_tick()函数，该函数一个最重要的工作就是给全局变量jiffies加一。Linux内核则根据jiffies的值可以知道系统相对运行时间。
struct sys_timer xx_timer = {
.init = xx_timer_init,
.offset = xx_gettimeoffset,
};
void xx_timer_init(void)
{
xx_timer_setup();
setup_irq(IRQ_TIMER_NUM, &xx_timer_irq);
}
static struct irqaction xx_timer_irq = {
.name = "Timer Tick",
.flags = IRQF_DISABLED | IRQF_TIMER,
.handler = xx_timer_interrupt,
};
static irqreturn_t xx_timer_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
清中断；
timer_tick();//每次执行会让jiffies加一，内核依赖jiffies运行！！！
}
xx_timer_init函数的作用是进行timer定时器初始化、中断注册。一般可设为100ms或50ms触发一次timer中断，根据实际情况调整测试。
xx_gettimeoffset函数的作用是返回距离上次timer中断过了多少微秒。
include/asm-arm/param.h文件中有个HZ的宏定义，需要与我们timer定时中断使用的HZ匹配。因为内核需要根据HZ进行一些时间上的计时处理，不匹配会导致时间处理函数(例如判断超时时间)结果不准。
