U-boot 编译学习--- U-boot 的编译链接过程

参考博客:http://blog.chinaunix.net/uid-18921523-id-165078.html


UBOOT是一个LINUX下的工程,在编译之前必须已经安装对应体系结构的交叉编译环境,

这里只针对ARM,编译器系列软件为arm-linux-*


UBOOT的下载地址: http://sourceforge.net/projects/u-boot
下载的是1.1.6版本

u-boot 源码结构:

解压就可以得到全部u-boot源程序。在顶层目录下有18个子目录,分别存放和管理不同的源程序。

这些目录中所要存放的文件有其规则,可以分为3类。

    1类目录: 与处理器体系结构或者开发板硬件直接相关;
    
2类目录: 是一些通用的函数或者驱动程序;
    
3类目录: 是u-boot的应用程序、工具或者文档。

u-boot 的源码顶层目录说明:

目    录              特    性                解 释 说 明
board                平台依赖            存放电路板相关的目录文件,
                                         例如:RPXlite(mpc8xx)、
                                         smdk2410(arm920t)、
                                         sc520_cdp(x86) 等目录;
cpu                  平台依赖            存放CPU相关的目录文件
                                         例如:mpc8xx、ppc4xx、
                                         arm720t、arm920t、 xscale、i386等目录;
lib_ppc              平台依赖            存放对PowerPC体系结构通用的文件,
                                         主要用于实现PowerPC平台通用的函数;
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;
lib_i386             平台依赖            存放对X86体系结构通用的文件,
                                         主要用于实现X86平台通用的函数;
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;
common               通用                通用的多功能函数实现
lib_generic          通用                通用库函数的实现
net                  通用                存放网络的程序
fs                   通用                存放文件系统的程序
post                 通用                存放上电自检程序
drivers              通用                通用的设备驱动程序,主要有以太网接口的驱动
disk                 通用                硬盘接口程序
rtc                  通用                RTC的驱动程序
dtt                  通用                数字温度测量器或者传感器的驱动
examples             应用例程            一些独立运行的应用程序的例子,例如helloworld
tools                工具                存放制作S-Record或者u-boot格式的映像等工具,
                                         例如mkimage
doc                  文档                开发使用文档

u-boot 的源代码包含对几十种处理器、数百种开发板的支持。

可是对于特定的开发板,配置编译过程只需要其中部分程序。

这里具体以S3C2410 & arm920t处理器为例,

具体分析S3C2410处理器和开发板所依赖的程序,以及u-boot的通用函数和工具。

编译:

smdk_2410板为例,编译的过程分两部:

# make smdk2410_config
# make

要了解一个LINUX工程的结构必须看懂Makefile

尤其是顶层的,没办法,UNIX世界就是这么无奈,什么东西都用文档去管理、配置。

首先在这方面我是个新手,时间所限只粗浅地看了一些Makefile规则。

smdk_2410为例,顺序分析Makefile大致的流程及结构如下:

1) 定义了源码及生成的目标文件存放的目录:

目标文件存放目录BUILD_DIR可以通过make O=dir 指定。

如果没有指定,则设定为源码顶层目录。一般编译的时候不指定输出目录,则BUILD_DIR为空。

其它目录变量定义如下:

#OBJTREELNDIR为存放生成文件的目录,TOPDIRSRCTREE为源码所在目录:

OBJTREE  := $(if $(BUILD_DIR),$(BUILD_DIR),$(CURDIR))
SRCTREE  := $(CURDIR)
TOPDIR  := $(SRCTREE)
LNDIR  := $(OBJTREE)
export TOPDIR SRCTREE OBJTREE

2定义变量 MKCONFIG

这个变量指向一个脚本,即顶层目录的mkconfig

MKCONFIG := $(SRCTREE)/mkconfig
export MKCONFIG

在编译UBOOT之前,先要执行

# make smdk2410_config

smdk2410_configMakefile的一个目标,定义如下:

smdk2410_config : unconfig
 @$(MKCONFIG) $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0

 unconfig::
 @rm -f $(obj)include/config.h $(obj)include/config.mk \
  $(obj)board/*/config.tmp $(obj)board/*/*/config.tmp

显然,执行# make smdk2410_config时,先执行unconfig目标,

注意不指定输出目标时,objsrc变量均为空,

unconfig下面的命令清理上一次执行make *_config时生成的头文件和makefile的包含文件。

主要是 include/config.h 和 include/config.mk 文件。

然后才执行命令

@$(MKCONFIG) $(@:_config=) arm arm920t smdk2410 NULL s3c24x0

MKCONFIG  是顶层目录下的mkcofig脚本文件,后面五个是传入的参数。

对于smdk2410_config而言,mkconfig主要做三件事:

include文件夹下建立相应的文件(夹)软连接

#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"

mkconfig脚本文件的执行至此结束,继续分析Makefile剩下部分。

3包含 include / config . mk

其实也就相当于在Makefile里定义了上面四个变量而已。

4) 指定交叉编译器前缀 arm - linux - 

ifeq ($(ARCH),arm)#这里根据ARCH变量,指定编译器前缀。
CROSS_COMPILE = arm-linux-
endif

5) 包含顶层 config . mk:

包含顶层目录下的 config.mk ,这个文件里面主要定义了 交叉编译器 及 选项 和 编译规则

# load other configuration
include $(TOPDIR)/config.mk

分析 config.mk 的内容:

包含体系,开发板,CPU特定的规则文件:
1,指定预编译体系结构选项:

ifdef ARCH 
sinclude $(TOPDIR)/$(ARCH)_config.mk # include architecture dependend rules
endif
PLATFORM_CPPFLAGS += -DCONFIG_ARM -D__ARM__

2,定义编译时对齐,浮点等选项:

ifdef CPU 
sinclude $(TOPDIR)/cpu/$(CPU)/config.mk # include  CPU specific rules
endif

ifdef SOC #没有这个文件
sinclude $(TOPDIR)/cpu/$(CPU)/$(SOC)/config.mk # include  SoC specific rules
endif

3,指定开发板代码所在目录

ifdef VENDOR
BOARDDIR = $(VENDOR)/$(BOARD)
eles
BOARDDIR = $(BOARD)

4,指定特定板子的镜像连接时的内存基地址,重要!:TEXT_BASE = 0x33D00000

ifdef BOARD 
sinclude $(TOPDIR)/board/$(BOARDDIR)/config.mk # include board specific rules
endif

5,定义交叉编译链工具:

# Include the make variables (CC, etc...)
#
AS = $(CROSS_COMPILE)as
LD = $(CROSS_COMPILE)ld
CC = $(CROSS_COMPILE)gcc
CPP = $(CC) -E
AR = $(CROSS_COMPILE)ar
NM = $(CROSS_COMPILE)nm
STRIP = $(CROSS_COMPILE)strip
OBJCOPY = $(CROSS_COMPILE)objcopy
OBJDUMP = $(CROSS_COMPILE)objdump
RANLIB = $(CROSS_COMPILE)RANLIB

6,定义AR选项ARFLAGS

调试选项DBGFLAGS,优化选项OPTFLAGS:

AFLAGS := $(AFLAGS_DEBUG) -D__ASSEMBLY__ $(CPPFLAGS)

7,预处理选项CPPFLAGS

C编译器选项CFLAGS,连接选项LDFLAGS:

LDFLAGS += -Bstatic -T $(LDSCRIPT) -Ttext $(TEXT_BASE) $(PLATFORM_LDFLAGS)

其中  LDSCRIPT := $(TOPDIR)/board/$(BOARDDIR)/u-boot.lds   再  BOARDDIR = $(VENDOR)/$(BOARD)  即是

u-boot.lds 为连接脚本文件.

8,指定编译规则:

$(obj)%.s: %.S
 $(CPP) $(AFLAGS) -o $@ $<
$(obj)%.o: %.S
 $(CC) $(AFLAGS) -c -o $@ $<
$(obj)%.o: %.c
 $(CC) $(CFLAGS) -c -o $@ $<

回到顶层makefile文件:

6U-boot 需要的目标文件 start.o:

OBJS  = cpu/$(CPU)/start.o # 顺序很重要,start.o必须放第一位

7)需要的库文件:

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)

LIBS := $(addprefix $(obj),$(LIBS))
.PHONY : $(LIBS)

根据上面的 include/config.mk 文件定义的 ARCHCPUBOARDSOC 这些变量。

硬件平台依赖的目录文件可以根据这些定义来确定。

SMDK2410平台相关目录及对应生成的库文件如下:

    board/smdk2410/        :库文件board/smdk2410/libsmdk2410.a
    cpu/arm920t/           :库文件cpu/arm920t/libarm920t.a
    cpu/arm920t/s3c24x0/   :库文件cpu/arm920t/s3c24x0/libs3c24x0.a
    lib_arm/               :库文件lib_arm/libarm.a
    include/asm-arm/       :下面两个是头文件。
    include/configs/smdk2410.h

8)最终生成的各种镜像文件 ALL:

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 $< $@
 #这里生成的是U-boot 的ELF文件镜像
$(obj)u-boot:  depend version $(SUBDIRS) $(OBJS) $(LIBS) $(LDSCRIPT)
  UNDEF_SYM=`$(OBJDUMP) -x $(LIBS) |sed  -n -e '''''''''''''''''''''''''''''''
  cd $(LNDIR) && $(LD) $(LDFLAGS) $$UNDEF_SYM $(__OBJS) \
   --start-group $(__LIBS) --end-group $(PLATFORM_LIBS) \
   -Map u-boot.map -o u-boot

9) 对于各子目录的makefile文件:

主要是生成 *.o 文件然后执行 AR 生成对应的库文件。如 lib_generic 文件夹 Makefile

LIB = $(obj)libgeneric.a

COBJS = bzlib.o bzlib_crctable.o bzlib_decompress.o \
   bzlib_randtable.o bzlib_huffman.o \
   crc32.o ctype.o display_options.o ldiv.o \
   string.o vsprintf.o zlib.o

SRCS  := $(COBJS:.o=.c)
OBJS := $(addprefix $(obj),$(COBJS))

$(LIB): $(obj).depend $(OBJS) #项层Makefile执行make libgeneric.a
 $(AR) $(ARFLAGS) $@ $(OBJS)

u-boot ELF 文件镜像的生成:

分析一下最关键的  u-boot ELF  文件镜像的生成:

依赖目标 depend:

生成各个子目录的.depend文件,.depend 列出每个目标文件的依赖文件。

生成方法,调用每个子目录的 make _depend 

depend dep:
  for dir in $(SUBDIRS) ; do $(MAKE) -C $$dir _depend ; done

依赖目标 version

生成版本信息到版本文件VERSION_FILE中。

version:
  @echo -n "#define U_BOOT_VERSION \"U-Boot " > $(VERSION_FILE); \
  echo -n "$(U_BOOT_VERSION)" >> $(VERSION_FILE); \
  echo -n $(shell $(CONFIG_SHELL) $(TOPDIR)/tools/setlocalversion \
    $(TOPDIR)) >> $(VERSION_FILE); \
  echo "\"" >> $(VERSION_FILE)

伪目标 SUBDIRS:

执行tools ,examples ,post,post\cpu 子目录下面的make文件。

SUBDIRS = tools \
   examples \
   post \
   post/cpu
.PHONY : $(SUBDIRS)

$(SUBDIRS):
  $(MAKE) -C $@ all

依赖目标 $(OBJS)

cpu/start.o

$(OBJS):
  $(MAKE) -C cpu/$(CPU) $(if $(REMOTE_BUILD),$@,$(notdir $@))

依赖目标 $(LIBS)

这个目标太多,都是每个子目录的库文件*.a ,通过执行相应子目录下的make来完成:

$(LIBS):
  $(MAKE) -C $(dir $(subst $(obj),,$@)) 

依赖目标 $(LDSCRIPT)

LDSCRIPT := $(TOPDIR)/board/$(BOARDDIR)/u-boot.lds
LDFLAGS += -Bstatic -T $(LDSCRIPT) -Ttext $(TEXT_BASE) $(PLATFORM_LDFLAGS)

连接脚本文件 /u-boot.lds:

对于smdk2410,LDSCRIPT即连接脚本文件是board/smdk2410/u-boot.lds,定义了连接时各个目标文件是如何组织的。

内容如下:

OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
/*OUTPUT_FORMAT("elf32-arm", "elf32-arm", "elf32-arm")*/
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
 . = 0x00000000;

 . = ALIGN(4);
 .text    :/*.text的基地址由LDFLAGS中-Ttext $(TEXT_BASE)指定*/
 {                      /*smdk2410指定的基地址为0x33f80000*/
   cpu/arm920t/start.o (.text)         /*start.o为首*/
   *(.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 = .;
}

执行连接命令:

cd $(LNDIR) && $(LD) $(LDFLAGS) $$UNDEF_SYM $(__OBJS) \
   --start-group $(__LIBS) --end-group $(PLATFORM_LIBS) \
   -Map u-boot.map -o u-boot

其实就是把 start.o 和各个子目录 makefile 生成的库文件按照   LDFLAGS   连接在一起

生成ELF文件 u-boot  和连接时内存分配图文件 u-boot.map

u-boot.map 表示的是地址标号到该标号表示的地址的一个映射关系。

整个 Makefile 剩下的内容全部是各种不同的开发板的 *_config: 目标的定义了。

概括总结起来:

工程的编译流程也就是通过执行执行一个 make *_config 传入ARCHCPUBOARDSOC参数,

mkconfig 根据参数将 include 头文件夹相应的头文件夹连接好,生成 config.h 

然后执行 make 分别调用各子目录的 makefile  生成所有的obj文件和obj库文件*.a.  最后连接所有目标文件,生成镜像。

不同格式的镜像都是调用相应工具由 elf 镜像直接或者间接生成的。

剩下的工作就是分析U-Boot源代码了。


总结 uboot 的编译流程:

1、   首先编译cpu/$(CPU)start.S

2、   然后,对于平台相关的每个目录,每个通用的目录都使用他们各自得Makefile生成相应得库

3、   12步骤生成的.0.a文件按照board/$(BOARDDIR)/config.mk文件中指定的代码段起始地址、board/$(BOARDDIR)/u-boot.lds链接脚本进行连接。

4、   3步得到的是ELF格式的uboot,后面的Makefile还会将它转换为二进制格式(bin格式)、s-record格式。






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