【Bootloader】U-BOOT全线移植分析系列之四－－U-boot如何引导Linux内核启动？

U-BOOT全线移植分析系列之四

――U-boot如何引导Linux内核启动？

 

Sailor_forever  [email protected] 转载请注明

http://blog.csdn.net/sailor_8318/archive/2008/08/05/2773412.aspx

 

【摘要】本节介绍了U-boot使用go或bootm启动linux内核的方法。首先介绍了mkimage的参数意义和bootm的详细执行流程。然后分析了如何利用mkimage生成内核映象的方法。对于bootm方式的内核是否压缩、－a、－e、运行地址等16种组合情况，给出了详细的测试过程，提出了6种可用方法种的三种最优解。

 

【关键字】：U-boot；AT91RM9200；bootm；mkimage；－a；－e；－c

 

四 U-boot如何引导Linux内核启动？
4.1  GO命令引导未用mkimage生成的内核
4.1.1 非压缩内核Image

1)       运行地址！＝链接地址0x20008000，不能启动

Uboot> tftp 21000000 Image;tftp 21100000 ramdisk;go 21000000

。。。。

done

Bytes transferred = 6993691 (6ab71b hex)

## Starting application at 0x21000000 ...

Error: a 在哪提示的？

 

2)       运行地址＝链接地址0x20008000，不能启动，难道是ramdisk的问题

Uboot> tftp 20008000 Image;tftp 21100000 ramdisk;go 20008000

。。。。

done

Bytes transferred = 6993691 (6ab71b hex)

## Starting application at 0x21000000 ...

Error: a

 

4.1.2 压缩内核zImage

1)       运行地址！＝链接地址0x20008000，能启动，内核自解压成功，但是解压后的内核运行错误

Uboot> tftp 21000000 zImage;tftp 21100000 ramdisk;go 21000000

。。。。。。。。。。。

done

Bytes transferred = 6993691 (6ab71b hex)

## Starting application at 0x21000000 ...

Uncompressing Linux............................................................. done, booting the kernel.

€?~??鄜屈

 

2)       运行地址＝＝链接地址0x20008000，能启动，内核自解压成功，但是解压后的内核运行错误

 

Uboot> tftp 20008000 zImage;tftp 21100000 ramdisk; go 20008000

## Starting application at 0x20008000 ...

Uncompressing Linux............................................................. done, booting the kernel.

€?~??鄜屈

 

上面的ramdisk都是添加了uboot的头的，去掉头部再试试。去掉了还是不行，go方法的ramdisk的地址是怎么设置的？？要详细看下uboot在ramdisk这块是如何跟内核交互的？

 

4.2 Mkimage参数意义解析
通过mkimage这个tool可以给zImage添加一个header：

typedef struct image_header {

        uint32_t    ih_magic; /* Image Header Magic Number      */

        uint32_t    ih_hcrc;    /* Image Header CRC Checksum    */

        uint32_t    ih_time;    /* Image Creation Timestamp   */

        uint32_t    ih_size;     /* Image Data Size           */

        uint32_t    ih_load;    /* Data     Load  Address              */

        uint32_t    ih_ep;              /* Entry Point Address             */

        uint32_t    ih_dcrc;    /* Image Data CRC Checksum        */

        uint8_t             ih_os;               /* Operating System         */

        uint8_t             ih_arch;    /* CPU architecture         */

        uint8_t             ih_type;    /* Image Type                  */

        uint8_t             ih_comp;  /* Compression Type                */

        uint8_t             ih_name[IH_NMLEN];    /* Image Name                */

} image_header_t;

 

此header是如何生成的？利用u-boot里面的mkimage工具来生成uImage   （u-boot源码包/tools/mkimage.c )

这里解释一下参数的意义：

-A ==> set architecture to 'arch'

-O ==> set operating system to 'os'

-T ==> set image type to 'type' “kernel或是ramdisk”

-C ==> set compression type 'comp'

-a ==> set load address to 'addr' (hex)

-e ==> set entry point to 'ep' (hex)（内核启动时在此位置查询完整的内核印象）

-n ==> set image name to 'name'

-d ==> use image data from 'datafile'

-x ==> set XIP (execute in place，即不进行文件的拷贝，在当前位置执行)

 

对于ARM linux内核映象用法：

-A arm     -------- 架构是arm
-O linux    -------- 操作系统是linux
-T kernel  -------- 类型是kernel
-C none/bzip/gzip    -------- 压缩类型
-a 20008000 ---- image的载入地址(hex)，通常为0xX00008000
-e 200080XX---- 内核的入口地址(hex)，XX为0x40或者0x00
-n linux-XXX --- image的名字，任意
-d nameXXX             ---- 无头信息的image文件名，你的源内核文件
uImageXXX    ---- 加了头信息之后的image文件名，任意取

 

4.3 Bootm的流程分析
Bootm命令在/common/cmd_bootm.c中do_bootm函数

 

》》》》》》》》》》》获取当前内核的地址，默认地址或者bootm的第一个参数

默认的加载地址或传递给bootm命令（优先）与实际的内核存放地址需要一致

if (argc < 2) {

                addr = load_addr; // load_addr = CFG_LOAD_ADDR;

        } else {

                addr = simple_strtoul(argv[1], NULL, 16);

        }

printf ("## Booting image at %08lx .../n", addr);

 

》》》》》》》》》》》》获得image头，没有mkimage的就返回了

memmove (&header, (char *)addr, sizeof(image_header_t));

 

》》》》》》》》》》》》打印头部信息

print_image_hdr ((image_header_t *)addr);

实例：

Image Name:   dd-kernel-2.4.19

   Image Type:   ARM Linux Kernel Image (gzip compressed)

   Data Size:    869574 Bytes = 849.2 kB

   Load Address: 20008000

   Entry Point:  20008000

 

》》》》》》》》》》》》校验image头部

printf ("   Verifying Checksum ... ");       printf ("OK/n");

 

》》》》》》》》》》》》检查image支持的体系结构即—A 选项是否为arm或者ppc等

 

》》》》》》》》》》》》检查image的类型

TYPE_MULTI 是否指内核与文件系统一起，内核后面有个分界线

switch (hdr->ih_type)

case IH_TYPE_KERNEL:

                name = "Kernel Image";

                break;

        case IH_TYPE_MULTI:

 

》》》》》》》》》》判断内核的压缩类型

此处的内核是否压缩非zImage和Image的概念，而是指内核在被mkimage处理前是否用gunzip等压缩过

switch (hdr->ih_comp) {  

        case IH_COMP_NONE:         // 非压缩内核

                if(ntohl(hdr->ih_load) == addr) {      

// 当前内核存放的地址与－a指定的一致，则不搬动，－e必须必－a大0x40

                       printf ("   XIP %s ... ", name);

                } else {

//当前内核存放的地址与－a指定的不一致，则将内核搬到－a地址，此时－a与－e必相同

memmove ((void *) ntohl(hdr->ih_load), (uchar *)data, len);

。。。。

case IH_COMP_GZIP:

                printf ("   Uncompressing %s ... ", name);

                if (gunzip ((void *)ntohl(hdr->ih_load), unc_len,

//压缩内核，将除去头部的内核解压到-a 指定的地址了，要求－a与－e相同

// 为防止解压缩时覆盖，对于压缩内核，内核存放地址最好在—a后面

                           (uchar *)data, (int *)&len) != 0) {

                       do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);

                }

                break;

 

》》》》》》》》》》》》》》》》判断操作系统类型

switch (hdr->ih_os) {

        default:                    /* handled by (original) Linux case */

        case IH_OS_LINUX:

            do_bootm_linux  (cmdtp, flag, argc, argv, addr, len_ptr, verify);        

//前四个为传给bootm的，addr为内核最初的存放地址，没有用处

            break;

 

#ifdef CONFIG_PPC

static boot_os_Fcn do_bootm_linux;

#else

extern boot_os_Fcn do_bootm_linux;

由上可知，对于ppc和其他体系结构的do_bootm_linux函数实现是不一样的

》》》》》》》》》》》》》》启动Linux内核

do_bootm_linux (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag,

                int    argc, char *argv[],

                ulong        addr,

                ulong        *len_ptr,

                int    verify)

 

》》》》》》》》》》》》获取命令行参数

if ((s = getenv("bootargs")) == NULL)

                s = "";

        strcpy (cmdline, s);

 

》》》》》》》》》》》》赋内核启动地址

kernel = (void (*)(bd_t *, ulong, ulong, ulong, ulong))hdr->ih_ep;

注意，对于压缩过的内核，会将内核解压到-a指定的地址，此时-a 与-e 地址必须相同

 

》》》》》》》》》》》判断bootm的命令参数中是否有initrd

        if (argc >= 3) {

                addr = simple_strtoul(argv[2], NULL, 16);

                printf ("## Loading RAMDisk Image at %08lx .../n", addr);

 

若有initrd则赋值，否则为0

 

》》》》》》》》》》》》》》》启动Linux内核

/*

         * Linux Kernel Parameters:

         *   r3: ptr to board info data

         *   r4: initrd_start or 0 if no initrd

         *   r5: initrd_end - unused if r4 is 0

         *   r6: Start of command line string

         *   r7: End   of command line string

         */

//*kbd = *(gd->bd); 在上面赋值的

        (*kernel) (kbd, initrd _start, initrd_end, cmd_start, cmd_end);

 

启动流程的总结：

 

对于非gzip压缩的内核，bootm命令会首先判断bootm xxxx 这个指定的地址xxxx是否与-a指定的加载地址相同。

(1)如果不同的话会从这个地址开始提取出这个64byte的头部，对其进行分析，然后把去掉头部的内核复制到-a指定的load地址中去运行之（此时－e选型必须同-a）

(2)如果相同的话那就让其原封不动的放在那，但-e指定的入口地址会推后64byte，以跳过这64byte的头部。

 

对于gzip压缩过的内核，因为u-boot要对其解压，因此运行地址是不能等于－a指定的地址的，且必须有一定的间隔，否则解压到－a的内核会覆盖当前运行的程序。此时要求－a等于－e指定的地址。

 

4.4 如何用mkimage生成uImage
 

1> mkimage 如何指定入口参数 ( -e  0xxxxxx)

2> mkimage 指定了入口参数后， 你用tftpboot 下载kernel到哪个地址？

3> -c 如何指定？

 

u－boot里面的解压和内核自解压的区别： u-boot 里面的解压实际上是bootm 实现的 ， 把 mkimage -C bzip2或者gzip 生成的 uImage进行解压 ； 而kernel的自解压是对zImage进行解压，发生在bootm解压之后。

 

U-boot 对内核添加头部时，前面已经用gzip压缩过一次内核了，而不是指原有的内核印象是否是压缩内核。指uImage 本身被压缩了，即对原来的zImage/Image添加了U-boot的压缩方式，使得生成的uImage变小了。此时－c gzip

若没有对zImage/Image用gzip命令压缩过，则-c none。

 

综合上面分析，mkimage的影响因子为：

－e，内核的入口地址是否与－a相同

Tftpaddr，即将内核加载到RAM中运行的地址，决定是否搬运或解压内核

－c，内核是否经过gzip压缩过，决定了是搬运还是解压

 

另外内核本身为非压缩的Image或zImage也是一个影响因子。组合情况共2^4 =16种

 

4.5 Bootm命令引导mkimage生成的内核全程解析
4.5.1 非压缩的Image内核

 

（1）Mkimage 之前用gzip对Image进行压缩

<1> -a=-e = 0x20008000，tftpaddr= 0x21000000

解压到－a指定的地址，成功启动

Uboot> tftp 21000000 uImage-zip-8000;tftp 21100000 ramdisk;bootm 21000000

## Booting image at 21000000 ...

   Image Name:   dd-kernel-2.4.19-zip-8000

   Image Type:   ARM Linux Kernel Image (gzip compressed)

   Data Size:    869629 Bytes = 849.2 kB

   Load Address: 20008000

   Entry Point:  20008000

   Verifying Checksum ... OK

   Uncompressing Kernel Image ... OK

 

Starting kernel ...

 

Linux version 2.4.19-rmk7 (root@dding) (gcc version 2.95.3 20010315 (release)) #42 四 10月 11 14:15:35 CST 2007

AT91RM9200DK login: root

 

<2> -a=-e = 0x20008000， tftpaddr= 0x20008000

解压失败，启动失败

Uboot> tftp 20008000 uImage-zip-zImage-8000;tftp 21100000 ramdisk;bootm 20008000

 

Uboot> tftp 20008000 uImage-zip-8000;tftp 21100000 ramdisk;bootm 20008000

## Booting image at 20008000 ...

   Image Name:   dd-kernel-2.4.19-zip-8000

   Image Type:   ARM Linux Kernel Image (gzip compressed)

   Data Size:    869629 Bytes = 849.2 kB

   Load Address: 20008000

   Entry Point:  20008000

   Verifying Checksum ... OK

   Uncompressing Kernel Image ... Error: inflate() returned -3

GUNZIP ERROR - must RESET board to recover

由于当前运行地址tftpaddr与解压缩后的地址－a重合了，导致解压缩失败，因此二者必须相隔一定的距离

 

<3> -a=0x20008000，-e = 0x20008040 ，tftpaddr= 0x21000000

能够解压到－a地址，但－e指定的入口不对，启动失败

 

Uboot> tftp 21000000 uImage-zip-8040;tftp 21100000 ramdisk;bootm 21000000

 

TFTP from server 192.168.0.12; our IP address is 192.168.0.15

Filename 'uImage-zip-8040'.

Load address: 0x21000000

。。。。。。。。。

## Booting image at 21000000 ...

   Image Name:   dd-kernel-2.4.19-zip-8040

   Image Type:   ARM Linux Kernel Image (gzip compressed)

   Data Size:    869629 Bytes = 849.2 kB

   Load Address: 20008000

   Entry Point:  20008040

   Verifying Checksum ... OK

   Uncompressing Kernel Image ... OK

 

Starting kernel ... 死了

 

<4> -a=-e = 0x20008000， tftpaddr= 0x20008000

解压失败，入口也不对，启动失败

 

（2）Mkimage 之前未对Image进行压缩

 

<1> -a=-e = 0x20008000 tftpaddr= 0x21000000

搬动到－a指定的地址，成功启动

Uboot> tftp 21000000 uImage-nzip-8000;tftp 21100000 ramdisk;bootm 21000000

## Booting image at 21000000 ...

   Image Name:   dd-kernel-2.4.19-nzip-8000

   Image Type:   ARM Linux Kernel Image (uncompressed)

   Data Size:    1873059 Bytes =  1.8 MB

   Load Address: 20008000

   Entry Point:  20008000

   Verifying Checksum ... Bad Data CRC

为什么总是校验失败呢？当前的内核印象为1.8M，难道太大了，后面的ramdisk将其覆盖？？

下面未拷贝ramdisk，校验成功，成功启动，无法安装跟文件系统，是因为无ramdisk。说明上面确实是覆盖了，因此要对于大的内核印象要合理设置tftpaddr的地址和ramdisk的地址

 

Addr（ramdisk）＝ 0x2110 0000

Addr（tftpaddr）＝ 0x2100 0000

Addr（ramdisk）－Addr（tftpaddr）＝ 0x10 0000 ＝ 1M < 1.8M

Uboot> tftp 21000000 uImage-nzip-8000;bootm 21000000

## Booting image at 21000000 ...

   Image Name:   dd-kernel-2.4.19-nzip-8000

   Image Type:   ARM Linux Kernel Image (uncompressed)

   Data Size:    1873059 Bytes =  1.8 MB

   Load Address: 20008000

   Entry Point:  20008000

   Verifying Checksum ... OK

OK

 

Starting kernel ...

 

Linux version 2.4.19-rmk7 (root@dding) (gcc version 2.95.3 20010315 (release)) #44 四 10月 11 17:27:24 CST 2007

。。。。。。。

Kernel panic: VFS: Unable to mount root fs on 01:00

 

Addr（ramdisk）- 2M = 0x20f0 0000 ＝ Addr（tftpaddr）成功启动

 

Uboot> tftp 20f00000 uImage-nzip-8000;tftp 21100000 ramdisk;bootm 20f00000

## Booting image at 20f00000 ...

   Image Name:   dd-kernel-2.4.19-nzip-8000

   Image Type:   ARM Linux Kernel Image (uncompressed)

   Data Size:    1873059 Bytes =  1.8 MB

   Load Address: 20008000

   Entry Point:  20008000

   Verifying Checksum ... OK

OK

 

Starting kernel ...

Linux version 2.4.19-rmk7 (root@dding) (gcc version 2.95.3 20010315 (release)) #44 四 10月 11 17:27:24 CST 2007

AT91RM9200DK login: root

 

<2> -a=-e = 0x20008000， tftpaddr= 0x20008000

不搬动，但－e地址不对，失败

 

<3> -a=0x20008000，-e = 0x20008040 ，tftpaddr= 0x20008000

不搬动，但未成功启动，入口地址对的啊？？？？？

Uboot> tftp 20008000 uImage-nzip-8040;tftp 21100000 ramdisk;bootm 20008000

 

## Booting image at 20008000 ...

   Image Name:   dd-kernel-2.4.19-nzip-8040

   Image Type:   ARM Linux Kernel Image (uncompressed)

   Data Size:    1873059 Bytes =  1.8 MB

   Load Address: 20008000

   Entry Point:  20008040

   Verifying Checksum ... OK

   XIP Kernel Image ... OK

 

Starting kernel ...死了？？？？

 

<4> -a=0x20008000，-e = 0x20008040 ，tftpaddr= 0x21000000

搬动，但－e地址不对，失败

 

4.5.2 压缩的zImage内核

 

（1）Mkimage 之前用gzip对zImage进行压缩，即－c gzip

<1> -a=-e = 0x20008000，tftpaddr= 0x21000000

解压到－a指定的地址，成功启动

Uboot> tftp 21000000 uImage-zip-zImage-8000;tftp 21100000 ramdisk;bootm 21000000

 

TFTP from server 192.168.0.12; our IP address is 192.168.0.15

Filename 'uImage-zip-zImage-8000'.

Load address: 0x21000000

## Booting image at 21000000 ...

   Image Name:   dd-zip-zImage-8000

   Image Type:   ARM Linux Kernel Image (gzip compressed)

   Data Size:    876753 Bytes = 856.2 kB

   Load Address: 20008000

   Entry Point:  20008000

   Verifying Checksum ... OK

   Uncompressing Kernel Image ... OK  // U-boot对内核解压

 

Starting kernel ...

Uncompressing Linux..............压缩内核zImage自解压......................... done, booting the kernel.

 

Linux version 2.4.19-rmk7 (root@dding) (gcc version 2.95.3 20010315 (release)) #43 四 10月

AT91RM9200DK login: root

[root@AT91RM9200DK /root]$ls

 

<2> -a=-e = 0x20008000， tftpaddr= 0x20008000

解压失败，启动失败

Uboot> tftp 20008000 uImage-zip-zImage-8000;tftp 21100000 ramdisk;bootm 20008000

 

TFTP from server 192.168.0.12; our IP address is 192.168.0.15

Filename 'uImage-zip-zImage-8000'.

Load address: 0x20008000

## Booting image at 20008000 ...

   Image Name:   dd-zip-zImage-8000

   Image Type:   ARM Linux Kernel Image (gzip compressed)

   Data Size:    876753 Bytes = 856.2 kB

   Load Address: 20008000

   Entry Point:  20008000

   Verifying Checksum ... OK

   Uncompressing Kernel Image ... Error: inflate() returned -3

GUNZIP ERROR - must RESET board to recover

由于当前运行地址tftpaddr与解压缩后的地址－a重合了，导致解压缩失败，因此二者必须相隔一定的距离

 

<3> -a=0x20008000，-e = 0x20008040 ，tftpaddr= 0x21000000，失败

 

Uboot> tftp 21000000 uImage-zip-zImage-8040;tftp 21000000 ramdisk;bootm 21000000

 

TFTP from server 192.168.0.12; our IP address is 192.168.0.15

Filename 'uImage-zip-zImage-8040'.

Load address: 0x21000000

。。。。。。。。。

## Booting image at 21000000 ...

Bad Magic Number 难道对于压缩内核，幻数对的条件是－a＝＝－e地址？？即压缩内核默认－a＝＝－e？？

此法肯定失败，但问题出在这，还真不对啊，不试了，感兴趣的朋友可以玩下

 

（2）Mkimage 之前未对zImage进行压缩，即－c none

 

<1> -a=-e = 0x20008000 tftpaddr= 0x21000000

搬动到－a指定的地址，成功启动

Uboot> tftp 21000000 uImage-nzip-zImage-8000;tftp 21100000 ramdisk;bootm 21000000

## Booting image at 21000000 ...

   Image Name:   dd-nzip-zImage-8000

   Image Type:   ARM Linux Kernel Image (uncompressed)

   Data Size:    881748 Bytes = 861.1 kB

   Load Address: 20008000

   Entry Point:  20008000

   Verifying Checksum ... OK

OK

 

Starting kernel ...

Uncompressing Linux............................................................. done, booting the kernel.

 

Linux version 2.4.19-rmk7 (root@dding) (gcc version 2.95.3 20010315 (release)) #43 四 10月 11 14:25:14 CST 2007

AT91RM9200DK login:

 

<2> -a=-e = 0x20008000， tftpaddr= 0x20008000

不搬动，但－e地址不对，失败

Uboot> tftp 20008000 uImage-nzip-zImage-8000;tftp 21100000 ramdisk;bootm 20008000

## Booting image at 20008000 ...

   Image Name:   dd-nzip-zImage-8000

   Image Type:   ARM Linux Kernel Image (uncompressed)

   Data Size:    881748 Bytes = 861.1 kB

   Load Address: 20008000

   Entry Point:  20008000

   Verifying Checksum ... OK

   XIP Kernel Image ... OK

 

Starting kernel ... 死了。。。

 

<3> -a=0x20008000，-e = 0x20008040 ，tftpaddr= 0x20008000

不搬动，成功启动

Uboot> tftp 20008000 uImage-nzip-zImage-8040;tftp 21100000 ramdisk;bootm 20008000

 

## Booting image at 20008000 ...

   Image Name:   dd-nzip-zImage-8040

   Image Type:   ARM Linux Kernel Image (uncompressed)

   Data Size:    881748 Bytes = 861.1 kB

   Load Address: 20008000

   Entry Point:  20008040

   Verifying Checksum ... OK

   XIP Kernel Image ... OK

 

Starting kernel ...

 

Uncompressing Linux............................................................. done, booting the kernel.

Linux version 2.4.19-rmk7 (root@dding) (gcc version 2.95.3 20010315 (release)) #43 四 10月 11 14:25:14 CST 2007

AT91RM9200DK login:

 

<4> -a=0x20008000，-e = 0x20008040 ，tftpaddr= 0x21000000

搬动，但－e地址不对，失败

 

4.5.3 关于压缩及非压缩内核bootm启动的全面总结

 

由上面的16个例子，我们可以看出，能够启动内核的由以下几种情况：

各种情况对应的统一ramdiskaddr= 0x21100000

<1>非压缩的Image内核：

-a=-e = 0x20008000 ，–c=none，tftpaddr= 0x20f00000

此法主要由于内核太大，导致tftpaddr做了一定的修正

-a= 0x20008000 ，-e = 0x20008040，–c=none，tftpaddr=0x20008000

此法理论上可行，但我未试验成功，有兴趣的朋友可以探究下

对于非压缩的Image内核，mkimage之前不压缩的话，内核印象较大，此法不常用

 

-a=-e = 0x20008000 ，–c=gzip，tftpaddr= 0x21000000

–c=gzip压缩内核必须解压，只有这种情况成功；其他解压覆盖或者－e入口不对

 

<2>压缩的zImage内核：

-a=-e = 0x20008000 ，–c=none，tftpaddr= 0x21000000

-a= 0x20008000 ，-e = 0x20008040，–c=none，tftpaddr=0x20008000

-a=-e = 0x20008000 ，–c=gzip，tftpaddr= 0x21000000

–c=gzip压缩内核必须解压，只有这种情况成功；其他解压覆盖或者－e入口不对

zImage已经压缩过一次了，一般无需再压缩，此法不常用

 

常见方法：

<1>非压缩的Image内核：

-a=-e = 0x20008000 ，–c=gzip，tftpaddr= 0x21000000

<2>压缩的zImage内核：

-a=-e = 0x20008000 ，–c=none，tftpaddr= 0x21000000

-a= 0x20008000 ，-e = 0x20008040，–c=none，tftpaddr=0x20008000

 

 

 

待续：

U-boot如何向Linux内核传递命令行参数？

Go引导内核的详细方法？

Ramdisk与initrd怎么传给内核？

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