uboot和Linux内核移植

这篇文章是一个读者昨晚发给我的，文章很长，里面的细节也比较多，但是微信公众号只能发 50000 字的文章，如果想阅读全文。

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一、uboot学习前传 1

• 1.1为什么要有uboot 1

• 1.1.1.计算机的主要部件 1

• 1.1.2 .PC机的启动过程 1

• 1.1.3.典型嵌入式linux系统启动过程 1

• 1.1.4. android系统启动过程 1

• 1.1.5.总结：uboot到底是干嘛的 1

• 1.2 为什么是uboot 2

• 1.2.1 .uboot从哪里来 2

• 1.2.2 .uboot的发展历史 2

• 1.2.3. uboot的版本号问题 2

• 1.2.4. uboot的可移植性的正确理解 2

• 1.2.5.总结：时势造英雄，任何牛逼的东西都是时代的产物 2

• 1.3 uboot必须解决哪些问题 2

• 1.3.1.能自身开机直接启动 2

• 1.3.2.能引导操作系统内核启动并给内核传参 2

• 1.3.3.能提供系统部署功能 3

• 1.3.4.能进行SoC级和板级硬件管理 3

• 1.3.5.uboot的生命周期 3

• 1.4 uboot的工作方式 3

• 1.4.1.从裸机程序镜像uboot.bin说起 3

• 1.4.2.uboot的命令行式shell界面 4

• 1.4.3.掌握uboot使用的2个关键点：命令和环境变量 4

• 1.4.4.思考：结合ARM裸机部分进行理解和印证 4

• 1.5 uboot的常用命令 4

• 1.5.1.类似linux终端的行缓冲命令 4

• 1.5.2.有些命令有简化的别名 4

• 1.5.3.有些命令会带参数（注意格式是固定的） 5

• 1.5.4.命令中的特殊符号（譬如单引号） 5

• 1.5.5.有些命令是一个命令族（譬如movi） 5

• 1.5.6.第一个命令：printenv/print 5

• 1.5.7.设置（添加/更改）环境变量：setenv/set 5

• 1.5.8.保存环境变量的更改：saveenv/save 5

• 1.5.9.网络测试指令：ping 6

• 1.5.10.tftp下载指令：tftp 6

• 1.5.11.SD卡/iNand操作指令movi 7

• 1.5.12.NandFlash操作指令nand 7

• 1.5.13.内存操作指令：mm、mw、md 7

• 1.6 开发板和主机的ping通 8

• 1.6.1.开发板运行linux下和主机Windows的ping通 8

• 1.6.2.开发板运行linux下和虚拟机ubuntu的ping通 8

• 1.6.3.开发板运行uboot下和主机Windows的ping通 8

• 1.6.4.开发板运行uboot下和虚拟机ubuntu的ping通 9

• 1.7 uboot的常用环境变量 9

• 1.7.1.环境变量如何参与程序运行 9

• 1.7.2.自动运行倒计时：bootdelay 9

• 1.7.3.网络设置：ipaddr serverip 9

• 1.7.4.自动运行命令设置：bootcmd 9

• 1.7.5.uboot给kernel传参：bootargs 9

• 1.7.6.新建、更改、删除一个环境变量的方法 10

• 1.7.7.注意：环境变量更改后的保存 10

• 1.8 uboot中对Flash和DDR的管理 10

• 1.8 .1.uboot阶段Flash的分区 10

• 1.8 .2.uboot阶段DDR的分区 11

二、Shell和Makefile 11

• 2.1 Shell介绍 11

• 2.1.1.Shell是什么？ 11

• 2.1.2.shell概指一类编程语言（在shell中用于编写程序的语言） 11

• 2.1.3.shell脚本的运行机制：解释执行（没有编译和链接的过程） 11

• 2.2 写shell程序 12

• 2.2.1.文本编辑器 12

• 2.2.2.shell程序的运行方法 12

• 2.2.3.shell程序注意事项： 12

• 2.2.4.shell不神秘 12

• 2.3 shell编程学习 13

• 2.3.1.shell中的变量定义、初始化、赋值和引用 13

• 2.3.2.shell中无引号、单引号、双引号的区别 13

• 2.3.3.shell中调用linux命令 14

• 2.4 shell中的选择分支结构 14

• 2.5 shell中的循环结构 15

• 2.6 Makefile基础回顾 17

• 2.6.1.Makefile的作用和意义 17

• 2.6.2.目标、依赖、命令 17

• 2.6.3.通配符%和Makefile自动推导（规则） 18

• 2.6.4.Makefile中定义和使用变量 18

• 2.6.5.伪目标（.PHONY） 18

• 2.6.6.Makefile的文件名 18

• 2.6.7.Makefile中引用其他Makefile（include指令） 18

• 2.7 Makefile补充学习 18

• 2.7.1.Makefile中的注释 # 18

• 2.7.2.命令前面的@用来静默执行 18

• 2.7.3.Makefile中几种变量赋值运算符 19

• 2.7.4.Makefile的环境变量 20

• 2.7.5.Makefile中的通配符 20

• 2.7.6.Makefile的自动变量 20

三、零距离体验uboot 20

• 3.1 X210官方uboot配置编译实践 20

• 3.1.1.找到官方移植好的uboot（BSP概念） 21

• 3.1.2.在linux源生目录下配置编译 21

• 3.1.3.配置 21

• 3.1.4.编译得到uboot.bin 21

• 3.2 uboot的源码目录分析 22

• 3.2.1.九鼎官方uboot和三星原版uboot对比 22

• 3.2.2.各文件介绍 22

• 3.2.3.各文件夹介绍 23

• 3.3 SourceInsight的基本使用 25

• 3.3.1.为什么要使用SourceInsight 25

• 3.3.2.建立工程及添加文件 25

• 3.3.3.解析工程文件 26

• 3.3.4.常用技巧 26

四、uboot配置和编译过程详解 26

• 4.1 uboot主Makefile分析 26

• 4.1.1.uboot version确定（Makefile的24-29行） 26

• 4.1.2.HOSTARCH和HOSTOS 26

• 4.1.3.静默编译（50-54行） 27

• 4.1.4.两种编译方法 27

• 4.1.5.OBJTREE、SRCTREE、TOPDIR 27

• 4.1.6.MKCONFIG（Makefile的101行） 27

• 4.1.7.include $(obj)include/config.mk（133行） 28

• 4.1.8.ARCH CROSS_COMPILE 28

• 4.1.9.$(TOPDIR)/config.mk（主Makefile的185行） 29

• 4.1.10.第一个目标all（主Makefile的第291行） 30

• 4.2 uboot配置过程mkconfig详解 30

• 4.3 uboot的u-boot.lds链接脚本 32

五、uboot源码分析1-启动第一阶段 33

• 5.1 start.S的引入 33

• 5.1.1. u-boot.lds中找到start.S入口 33

• 5.1.2. SI中如何找到文件 33

• 5.1.3. SI中找文件技巧 33

• 5.2 start.S解析 33

• 5.2.1.不简单的头文件包含 34

• 5.2.2.启动代码的16字节头部 34

• 5.2.3.异常向量表的构建 35

• 5.2.4.有点意思的deadbeef 35

• 5.2.5.TEXT_BASE等 36

• 5.2.6.（107行）CFG_PHY_UBOOT_BASE 36

• 5.2.8.设置CPU为SVC模式（149行） 36

• 5.2.9.设置L2、L1cache和MMU 36

• 5.2.10.识别并暂存启动介质选择 36

• 5.2.11.设置栈（SRAM中的栈）并调用lowlevel_init 37

• 5.3 lowlevel_init.S解析 37

• 5.3.1.检查复位状态 37

• 5.3.2.IO状态恢复 37

• 5.3.3.关看门狗 38

• 5.3.4.一些SRAM SROM相关GPIO设置 38

• 5.3.5.供电锁存 38

• 5.3.6.判断当前代码执行位置 38

• 5.3.7.system_clock_init 39

• 5.3.8.mem_ctrl_asm_init 39

• 5.3.9.uart_asm_init 40

• 5.3.10.tzpc_init 40

• 5.3.11.pop {pc}以返回 40

• 5.4 回到start.S解析 40

• 5.4.1.再次设置栈（DDR中的栈） 40

• 5.4.2.再次判断当前地址以决定是否重定位 41

• 5.5 uboot重定位详解 41

• 5.6 start.S继续解析1 42

• 5.6.1.关于虚拟地址和物理地址 42

• 5.6.2.地址映射原理 43

• 5.6.3.什么是页表(转换表)呢？ 43

• 5.6.4.uboot中虚拟地址映射采用了段模式 43

• 5.6.5．uboot中的映射页表 46

• 5.6.6.MMU单元的作用 46

• 5.6.7.地址映射的额外收益1：访问控制 46

• 5.6.8.地址映射的额外收益2：cache 46

• 5.7 start.S继续解析2 47

• 5.7.1.使能域访问（cp15的c3寄存器） 47

• 5.7.2.设置TTB（cp15的c2寄存器） 47

• 5.7.3.使能MMU单元（cp15的c1寄存器） 47

• 5.7.4.找到映射表待分析 48

• 5.8 start.S继续解析3 48

• 5.8.1.再三次设置栈 48

• 5.8.2.清理bss 48

• 5.8.3. ldr pc, _start_armboot 48

• 5.8.4.总结：uboot的第一阶段做了哪些工作 49

六、uboot源码分析2-启动第二阶段 50

• 6.1.start_armboot函数简介 50

• 6.1.2.一个很长的函数组成uboot第二阶段 50

• 6.1.3. 宏观分析：uboot第二阶段应该做什么 50

• 6.1.4.思考：uboot第二阶段完结于何处？ 50

• 6.2 start_armboot解析1 51

• 6.2.1. init_fnc_t 51

• 6.2.2. DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR 51

• 6.3内存使用排布 52

• 6.3.1.为什么要分配内存 52

• 6.3.2.内存排布 52

• 6.3.3. uboot运行过程中的存储分布图解 52

• 6.4 start_armboot解析2 53

• 6.4.1. for循环执行init_sequence 53

• 6.4.2. int cpu_init(void) 55

• 6.4.3. int board_init(void) 55

• 6.4.4. int interrupt_init(void) 57

• 6.4.5. int env_init(void) 58

• 6.4.6. int init_baudrate(void) 59

• 6.4.7. int serial_init(void) 59

• 6.4.8. int console_init_f(void) 59

• 6.4.9. int display_banner(void) 59

• 6.4.10 int print_cpuinfo(void) 60

• 6.4.11. int checkboard(void) 60

• 6.4.12. int init_func_i2c(void) 61

• 6.4.13. int dram_init(void) 61

• 6.4.14. int display_dram_config(void) 61

• 6.4.15. CFG_NO_FLASH 61

• 6.4.16. 初始化堆管理器 mem_malloc_init 62

• 6.4.17. 开发板独有初始化：mmc初始化 62

• 6.4.18. env_relocate 62

• 6.4.19. IP地址、MAC地址的确定 63

• 6.4.20. int devices_init (void) 63

• 6.4.21. void jumptable_init (void) 63

• 6.4.22. console_init_r () 63

• 6.4.23. void enable_interrupts (void) 64

• 6.4.24. loadaddr、bootfile两个环境变量 64

• 6.4.25. board_late_init (void) 64

• 6.4.26. int eth_initialize(bd_t *bis) 64

• 6.4.27. x210_preboot_init(void)（LCD和logo显示） 64

• 6.4.28. check menukey to update from sd 65

• 6.4.29. main_loop（uboot的归宿） 65

• 6.4.30. 启动过程特征总结 66

七、uboot源码分析3-uboot如何启动内核 66

• 7.1 uboot和内核到底是什么 66

• 7.1.1. uboot是一个裸机程序 66

• 7.1.2.内核本身也是一个"裸机程序" 66

• 7.1.3.部署在SD卡中特定分区内 66

• 7.1.4.运行时必须先加载到DDR中链接地址处 67

• 7.1.5.内核启动需要必要的启动参数 67

• 7.2. 启动内核第一步：加载内核到DDR中 67

• 7.2.1.静态内核镜像在哪里？ 67

• 7.2.2.镜像要放在DDR的什么地址？ 67

1. 3.zImage和uImage的区别联系 67

7.3.1. bootm命令对应do_bootm函数 68

7.3.2. vmlinux和zImage和uImage 68

7.4 zImage启动细节 69

7.4.1. LINUX_ZIMAGE_MAGIC 69

7.4.2. image_header_t 69

7.5 uImage启动 70

7.6 do_bootm_linux函数 70

7.6.1.找到do_bootm_linux函数 70

7.6.2.镜像的entrypoint 70

7.6.3.机器码的再次确定 70

7.6.4.传参并启动概述 70

7.7传参详解 71

7.7.1. tag方式传参 71

7.7.2. x210_sd.h中配置传参宏 71

7.7.3.移植时注意事项 71

7.8 uboot启动内核的总结 71

八、uboot源码分析4-uboot的命令体系 72

• 8.1 uboot命令体系基础 72

• 8.1.1.使用uboot命令 72

• 8.1.2. uboot命令体系实现代码在哪里 72

• 8.1.3.每个命令对应一个函数 72

• 8.1.4.命令参数以argc&argv传给函数 72

• 8.2 uboot命令解析和执行过程分析 72

• 8.2.1.从main_loop说起 72

• 8.2.2关键点分析 73

• 8.3 uboot如何处理命令集1 73

• 8.3.1.可能的管理方式 73

• 8.3.2.命令结构体cmd_tbl_t 73

• 8.3.2. uboot实现命令管理的思路 74

• 8.4 uboot如何处理命令集2 74

• 8.4.1. uboot命令定义具体实现分析 74

• 8.4.2. find_cmd函数详解 75

• 8.5 uboot中添加自定义命令 76

• 8.5.1.在已有的c文件中直接添加命令 76

• 8.5.2.自建一个c文件并添加命令 76

九、uboot源码分析5-uboot的环境变量 77

• 9.1 uboot的环境变量基础 77

• 9.1.1.环境变量的作用 77

• 9.1.2.环境变量的优先级 77

• 9.1.3.环境变量在uboot中工作方式 77

• 9.2.环境变量相关命令源码解析 78

• 9.2.1. printenv 78

• 9.2.2. setenv 79

• 9.2.3. saveenv 80

• 9.2.4. getenv 80

• 9.2.5. getenv_r 81

十、uboot源码分析6-uboot的硬件驱动部分 81

• 10.1 uboot与linux驱动 81

• 10.1.2. uboot的虚拟地址对硬件操作的影响 81

• 10.1.3. uboot借用（移植）了linux驱动 81

• 10.2 iNand/SD驱动解析 82

• 10.2.1.从start_armboot开始 82

• 10.2.2. mmc_initialize 82

• 10.2.3. cpu_mmc_init 82

• 10.2.4. smdk_s3c_hsmmc_init 82

• 10.2.5. s3c_hsmmc_initialize 82

• 10.2.6. find_mmc_device 83

• 10.2.7. mmc_init 83

• 10.2.8. 总结 83

• 10.2.9. struct mmc 84

• 10.2.10.分离思想 84

• 10.2.11.分层思想 84

十一、uboot的移植1-从三星官方uboot开始移植 84

• 11.1移植前的准备工作 84

• 11.1.1.三星移植过的uboot源代码准备 85

• 11.1.2. SourceInsight准备 85

• 11.1.3.便捷的文件传输工具sshsecureshell 85

• 11.2 ubuntu14.04上网及安装openssh 85

• 11.2.1. ubuntu14.04上网问题 85

• 11.2.2.搭建openssh环境 86

• 11.3 移植初体验 86

• 11.3.1.直接编译三星移植版uboot尝试运行 86

• 11.3.2.代码分析&问题查找 86

• 11.4时钟和DDR的配置移植 87

• 11.4.1.确认时钟部分的配置 87

• 11.4.2. DDR配置信息的更改 87

• 11.5 将DDR端口0地址配置为30000000开头 87

• 11.4.1. DDR初始化参数更改 87

• 11.4.2. smdkv210single.h中相关宏定义修改 88

• 11.4.3.虚拟地址映射表中相应修改 88

• 11.4.4.修改DMC0的配置参数 88

• 11.4.5.修改修改虚拟地址到物理地址的映射函数 89

• 11.5 iNand驱动问题的解决 89

• 11.5.1.先从现象出发定位问题 89

• 11.5.2.网络搜索解决方案 89

• 11.5.3.尝试修改代码解决问题 89

• 11.5.4.推测和实验验证（SD卡和iNand的区别） 90

• 11.6 一些小问题的修补 90

• 11.6.1控制台串口更换为串口0 90

• 11.6.2修改默认网络地址设置 90

• 11.6.3修改行提示符 91

• 11.6.1总结 91

一、uboot学习前传

1.1为什么要有uboot

1.1.1.计算机的主要部件

• (1)计算机系统就是由CPU来做核心进行运行的系统。典型的计算机系统有：PC机（台式机+笔记本）、嵌入式设备（手机、平板电脑、游戏机）、单片机（家用电器像电饭锅、空调）。

• (2)计算机系统的组成部件非常多 ，不同计算机的组成部件也不同。但是所有的计算机系统运行时都需要的主要核心部件都是3个东西：CPU + 外部存储器（Flash/ 硬盘） + 内部存储器（DDR SDRAM/ SDRAM/ SRAM）。

1.1.2 .PC机的启动过程

• (1)典型的PC机的部署：BIOS程序部署在PC机主板上（随主板出厂时就已经预制了），操作系统部署在硬盘上，内存在掉电时无作用，CPU在掉电时不工作。

• (2)启动过程：PC上电后先执行BIOS程序（实际上PC的BIOS保存在NorFlash）,BIOS程序负责初始化DDR内存，负责初始化硬盘，然后从硬盘上将OS镜像读取到DDR中，然后跳转到DDR中去执行OS直到启动（OS启动后BIOS就无用了）。

1.1.3.典型嵌入式linux系统启动过程

• (1)嵌入式系统的部署和启动都是参考的PC机的。只是设备上有一些差别。

• (2)典型嵌入式系统的部署：uboot程序部署在Flash（能作为启动设备的Flash上），OS部署在Flash（嵌入式系统中使用了Flash代替了硬盘），内存在掉电时无作用，CPU在掉电时不工作。

• (3)启动过程：嵌入式系统上电后先执行uboot，然后ubbot负责初始化DDR、初始化Flash，然后将OS从Flash中读取到DDR中，然后启动OS（OS启动后uboot无用了）。

总结：嵌入式系统和PC机的启动过程几乎没有两样，只是BIOS成了uboot，硬盘成了Flash。

1.1.4. android系统启动过程

• (1)android系统的启动和linux系统（前面讲的典型的嵌入式系统启动）几乎一样。几乎一样意思就是前面完全一样，只是在内核启动后加载根文件系统不同了。

• (2)可以认为启动分为2个阶段：第一个阶段是uboot到OS启动；第二个阶段是OS启动后到rootfs加载到命令行执行；现在我们主要研究第一个阶段，android的启动和linux的差别在第二阶段。

1.1.5.总结：uboot到底是干嘛的

• (1)uboot主要作用是用来启动操作系统内核的。

• (2)uboot还主要负责部署整个计算机系统。

• (3)uboot中还有操作Flash等板子上硬盘的驱动。

• (4)uboot还得提供一个命令行界面供人机交互。

1.2 为什么是uboot

1.2.1 .uboot从哪里来

• (1)uboot是SourceForge上的开源项目

• (2)uboot项目的作者：是由一个德国人最早发起的

• (3)uboot就是由一个人发起，然后由整个网络上所有感兴趣的人共同维护发展而来的一个BootLoader

1.2.2 .uboot的发展历史

• (1)自己使用的小开源项目。

• (2)被更多人认可使用

• (3)被SoC厂商默认支持。总结：uboot经过多年发展，已经成为事实上的业内bootloader标准。现在大部分的嵌入式设备都会默认使用uboot来做为bootloader。

1.2.3. uboot的版本号问题

• (1)早期的uboot的版本号类似于这样：uboot1.3.4。后来版本号便成了类似于uboot-2010.06。

• (2)uboot的核心部分几乎没怎么变化，越新的版本支持的开发板越多而已，对于一个老版本的芯片来说，新旧版本的uboot并没有差异。

1.2.4. uboot的可移植性的正确理解

• (1)uboot就是universal bootloader（通用的启动代码），通用的意思就是在各种地方都可以用。所以说uboot具有可移植性。

• (2)uboot具有可移植性并不是说uboot在哪个开发板都可以随便用，而是说uboot具有在源代码级别的移植能力，可以针对多个开发板进行移植，移植后就可以在这个开发板上使用了。

1.2.5.总结：时势造英雄，任何牛逼的东西都是时代的产物

uboot的出现是一种必然，如果没有uboot也会有另一个bootloader来代替。

1.3 uboot必须解决哪些问题

1.3.1.能自身开机直接启动

• (1)一般的SoC都支持多种方式启动，譬如SD卡启动、NorFlash启动、NandFlash启动等……  uboot要能够开机启动，必须根据具体的SoC的启动设计来设计uboot

• (2)uboot必须进行和硬件相对应的代码级别的更改和移植，才能够保证可以从相应的启动介质启动。uboot中第一阶段的start.S文件就是具体处理了这一块。

1.3.2.能引导操作系统内核启动并给内核传参

• (1)uboot的终极目标就是启动内核

• (2)linux内核在设计的时候，设计为可以被传参。也就是说我们可以在uboot中事先给linux内核准备一些启动参数放在内存中特定的位置然后传给内核，内核启动后会到这个特定的位置去取uboot传给它的参数，然后在内核中解析这些函数，这些函数将来被用来指导linux内核的启动过程。

1.3.3.能提供系统部署功能

• (1)uboot必须能够被人借助而完成整个系统（包括uboot、kernel、rootfs等的镜像）在Flash上的烧录下载工作。

• (2)裸机中刷机就是利用uboot中的fastboot功能将各种镜像烧录到iNand中，然后从iNand启动。

1.3.4.能进行SoC级和板级硬件管理

• (1)uboot中实现了一部分硬件的控制能力（uboot中初始化了一部分硬件），因为uboot为了完成一些任务必须让这些硬件工作。譬如uboot要实现刷机必须能驱动iNand，譬如uboot要在刷机时LCD上显示进度条就必须能驱动LCD，譬如uboot能够通过串口提供操作界面就必须驱动串口，譬如uboot要实现网络功能就必须驱动网卡芯片。

• (2)SoC级（譬如串口）就是SoC内部外设，板级就是SoC外面开发板上面的硬件（譬如 网卡、iNand）

1.3.5.uboot的生命周期

• (1)uboot的生命周期就是指：uboot什么时候开始运行，什么时候结束运行。

• (2)uboot本质上是一个裸机程序（不是操作系统），一旦uboot开始SoC就会单纯运行uboot（意思就是uboot运行的时候别的程序是不可能同时运行的），一旦uboot结束运行则无法再回到uboot（所以uboot启动了内核后，uboot本身就死了，要想再次看到uboot界面只能重启系统。重启并不是复活了刚才的uboot，重启只是uboot的另一生）。

• (3)uboot的入口和出口。uboot的入口就是开机自动启动，uboot的唯一出口就是启动内核。uboot还可以执行很多别的任务（譬如烧录系统），但是其他任务执行完后都可以回到uboot的命令行下继续执行uboot命令，而启动内核命令一旦执行就回不来了。

总结 ：一切都是为了启动内核。

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