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uboot源代码分析及移植

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uboot源代码分析及移植
2009—10—20 22:33：35
标签：u-boot移植
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：
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 $(board）_config 对工程进行配置，以确定特定于目标板的各个子目录和头文件。
＄（board)_config：是makefile 中的一个伪目标，它传入指定的CPU，ARCH，BOARD,SOC参数去执行mkconfig脚本。
这个脚本的主要功能在于连接目标板平台相关的头文件夹,生成config.h文件包含板子的配置头文件。
使得makefile能根据目标板的这些参数去编译正确的平台相关的子目录。
以smdk2410板为例，执行　make smdk2410_config，
主要完成三个功能:
@在include文件夹下建立相应的文件（夹）软连接,本文为互联网收集，请勿用作商业用途个人收集整理，勿做商业用途
#如果是ARM体系将执行以下操作：
#ln -s     asm—arm        asm  
#ln -s  arch-s3c24x0    asm-arm/arch
#ln -s   proc-armv       asm—arm/proc
@生成Makefile包含文件include/config.mk,内容很简单,定义了四个变量：
ARCH   = arm
CPU    = arm920t
BOARD  = smdk2410
SOC    = s3c24x0
@生成include/config。h头文件，只有一行:
/＊ Automatically generated - do not edit */
＃include "config/smdk2410。h"
顶层makefile先调用各子目录的makefile，生成目标文件或者目标文件库.
然后再连接所有目标文件（库)生成最终的u—boot.bin。
连接的主要目标（库)如下：
OBJS  = cpu/$(CPU)/start。o
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 fs/jffs2/libjffs2。a \
 fs/reiserfs/libreiserfs。a fs/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.a post/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。个人收集整理，勿做商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途
关于u-boot 的makefile更详细的分析可以参照http：//blog。mcuol。com/User/lvembededsys/Article/4355_1.htm.
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
 ＃define CONFIG_DRIVER_CS8900 1              /＊ we have a CS8900 on-board */
 ＃define CS8900_BASE　0x19000300              /＊IO mode base address＊/
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:#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.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nor flash上面。文档为个人收集整理，来源于网络本文为互联网收集,请勿用作商业用途
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；
 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_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 ＊/
          }
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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，
  ｝;个人收集整理，勿做商业用途文档为个人收集整理，来源于网络
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：
 　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 */
             unsigned long bi_ip_addr；   /* IP 地址 ＊/
             unsigned char bi_enetaddr［6]； /＊ 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_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_t    devlist = 0；
   device_t的定义：include\devices。h中：
    typedef struct {
     int flags；    　　　　　 /* Device flags： input/output/system */
     int ext；      　　　　　/* Supported extensions   ＊/
     char name[16］；   　　　　　/＊ 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） (void）;  　　　　/* 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)与具体设备有关的数据结构，
     　如flash_info_t flash_info[CFG_MAX_FLASH_BANKS］;记录nor flash的信息。
     　nand_info_t nand_info［CFG_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:本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源于网络

　显示缓冲区                (。bss_end～34000000)
     u—boot(bss，data,text）  （33f00000～。bss_end)
     heap（for malloc）
     gd（global data)
     bd（board data）
     stack                        
     。。。.
     nor flash                      （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：
     ＃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。
     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_DATA_SIZE =128B */
    #ifdef CONFIG_USE_IRQ
    sub r0， r0, #(CONFIG_STACKSIZE_IRQ+CONFIG_STACKSIZE_FIQ)
    ＃endif
    sub sp， r0， ＃12  /* leave 3 words for abort—stack    ＊/
  不难得出上文所述的内存分配结构。
  下面几个函数是初始化序列表init_sequence［]中的函数：
  4）cpu_init（）；定义于cpu/arm920t/cpu.c
  分配IRQ，FIQ栈底地址，由于没有定义CONFIG_USE_IRQ,所以相当于空实现。
  5）board_init；极级初始化，定义于board/smdk2410/smdk2410.c
  　设置PLL时钟,GPIO,使能I/D cache.
    设置bd信息：gd—〉bd—〉bi_arch_number = MACH_TYPE_SMDK2410;//板子的ID，没啥意义。
           gd->bd—>bi_boot_params = 0x30000100；//内核启动参数存放地址
    6)interrupt_init;定义于cpu/arm920t/s3c24x0/interrupt.c
    　初始化2410的PWM timer 4，使其能自动装载计数值,恒定的产生时间中断信号，但是中断被屏蔽了用不上。
    7）env_init;定义于common/env_flash。c(搜索的时候发现别的文件也定义了这个函数，而且没有宏定义保证只有一个被编译，这是个问题，有高手知道指点一下！）
  功能：指定环境区的地址.default_environment是默认的环境参数设置。
   gd-〉env_addr  = （ulong）＆default_environment[0］;
   gd->env_valid = 0;
  8)init_baudrate；初始化全局数据区中波特率的值
  gd->bd—>bi_baudrate = gd-〉baudrate =(i 〉 0）
   ？ (int） simple_strtoul （tmp， NULL, 10)
   : CONFIG_BAUDRATE；
    9）serial_init; 串口通讯设置 定义于cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c
    　根据bd中波特率值和pclk，设置串口寄存器.
    10)console_init_f;控制台前期初始化common/console。c
    由于标准设备还没有初始化（gd-〉flags ＆ GD_FLG_DEVINIT=0)，这时控制台使用串口作为控制台
    函数只有一句：gd->have_console = 1；
    10)dram_init,初始化内存RAM信息.board/smdk2410/smdk2410.c
    其实就是给gd—〉bd中内存信息表赋值而已。
    gd->bd->bi_dram［0].start = PHYS_SDRAM_1;
 　gd—〉bd-〉bi_dram［0］.size = PHYS_SDRAM_1_SIZE;
 　初始化序列表init_sequence［]主要函数分析结束。
  11）flash_init；定义在board/smdk2410/flash。c
   这个文件与具体平台关系密切,smdk2410使用的flash与FS2410不一样，所以移植时这个程序就得重写。
   flash_init(）是必须重写的函数，它做哪些操作呢？
   首先是有一个变量flash_info_t flash_info[CFG_MAX_FLASH_BANKS］来记录flash的信息。flash_info_t定义：
   typedef struct {
    ulong size；   /* 总大小BYTE  */
    ushort sector_count;  /＊ 总的sector数*/
    ulong flash_id；  /＊ combined device ＆ manufacturer code ＊/
    ulong start[CFG_MAX_FLASH_SECT]；   /* 每个sector的起始物理地址。 */
    uchar protect[CFG_MAX_FLASH_SECT］; /* 每个sector的保护状态,如果置1,在执行erase操作的时候将跳过对应sector*/
     ＃ifdef CFG_FLASH_CFI //我不管CFI接口.
    。.。。.
     #endif
   } flash_info_t;
    flash_init（）的操作就是读取ID号，ID号指明了生产商和设备号，根据这些信息设置size，sector_count,flash_id.以及start［］、protect［]。
    12)把视频帧缓冲区设置在bss_end后面。
    　addr = （_bss_end + (PAGE_SIZE — 1)) & ～（PAGE_SIZE — 1）;
   size = vfd_setmem （addr）;
   gd-〉fb_base = addr;
  13)mem_malloc_init （_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN)；
   设置heap区，供malloc使用.下面的变量和函数定义在lib_arm/board。c
   malloc可用内存由mem_malloc_start，mem_malloc_end指定。而当前分配的位置则是mem_malloc_brk。
   mem_malloc_init负责初始化这三个变量.malloc则通过sbrk函数来使用和管理这片内存。
    static ulong mem_malloc_start = 0;
    static ulong mem_malloc_end = 0;
    static ulong mem_malloc_brk = 0；文档为个人收集整理，来源于网络本文为互联网收集,请勿用作商业用途
    static
    void mem_malloc_init （ulong dest_addr）
    {
     mem_malloc_star