[嵌入式Linux]uboot启动kernel的过程分析

一、 摘要

这篇文章结合JZ2440v3开发板和uboot1.1.6代码讲述uboot如何启动内核（kernel版本为linux2.2.26，但实际没讲到和kernel代码有关的阶段）。
太长不看：可直接跳到第5节看uboot启动kernel过程

1. 下文将提及

(1) 各存储器大小：NAND、NOR、SDRAM；
(2) 各文件大小：uboot、param、kernel、root；
(3) uboot启动kernel过程中涉及的关键函数及其之间的调用关系；

2. 下文将不讲

(1) 不讲uboot如何提前于kernel加载到SDRAM中的；
(2) 不讲kernel被uboot启动后如何开始它自己的启动流程的；
(3) 不讲使用nfs网络文件系统时可以没有root分区的情况；
(4) 不讲uboot存放在NOR下的启动过程；

二、各文件的大小比较

一个正常能运行linux的开发板，其NAND flash中包含4部分数据：bootloader/uboot、params、kernel、root。
(1) bootloader/uboot：uboot1.1.6打补丁后编译的bin文件将近200k；
(2) params：不固定，上限设为128k；params即uboot要传给kernel的全部参数的链表；
(3) kernel：linux2.2.26打补丁后编译的bin文件将近2M；
(4) root：根文件系统，上限为NAND flash中剩余的200M+空间。一个最小的、仅包含busybox（暂且叫做“命令工具箱”吧）和必备文件夹的yaffs2文件系统，大小约9M；

三、各存储器的大小比较

提一下：这里说的（我所理解）“存储器”包括外部RAM和ROM类存储器：SDRAM、NAND、NOR。
但从S3C2440手册看到，SDRAM和NOR flash由于共用一样的总线所以统称为“存储器（Memory）”，NAND单独算作“NAND Flash”类（如图）：

S3C2440给4个文件在NAND中分配的空间大小如下：
SDRAM = 0x30000000 + 64MB
NOR = 0x00000000 + 2MB
NAND = 0x00000000 + 256MB

我本来觉得：kernel上电“启动”、“加载”后，把多少字节从flash（NAND）拷贝到SDRAM中备用呢？SDRAM毕竟是用来做内存条的闪存颗粒，可不便宜。应该装不下整个kernel吧？
比较kernel文件和SDRAM空间大小发现：完整加载kernel只占用1/16的空间——SDRAM还剩余大部分空间可用~
而且后来发现SDRAM和NAND价钱差不多，加大SDRAM容量把kernel甚至和别的数据（如有必要）一起完整拷也没问题（反而是NOR的单价是SDRAM、NAND的30倍。所以只用了2MB的片子）：
SDRAM = 4.2/32 = 0.063/MB

NOR = 4/2 = 2元/MB：

NAND = 17.5/256 = 0.07元/MB：

所以uboot和kernel都完整加载到SDRAM后，实际占用/剩余空间大小：

四、各文件在存储器中的分布

(1) （不重要）uboot除了存放在NAND，也可以存放在NOR中：从地址0x0开始，把NOR中uboot前面的一小段代码当做SDRAM执行（毕竟两者共用总线，而且NOR对比NAND的一大特点就是支持代码就地执行（XIP，execute in place）），然后跳转到SDARAM执行剩余的大部分代码——这正是由前面一小段代码从NOR搬运来SDRAM的。
(2) 上电启动前，文件都在NAND flash中，（用mtd命令可看到）分布（起始地址和大小）：

值得注意的是：图中左边的NAND Controller Space表示JZ2440v3开发板上使用的NAND flash的总大小256MB及其分区划分；右边的Memory Controller Space表示SDRAM和NOR因共用总线而得到的命名空间分布（即它们各自地址的范围），并不是实际容量——因为SDRAM和NOR都是比NAND贵很多的存储器，所以即使有1G的命名空间，SDRAM只占用其中的64MB、NOR占用2MB。

 #: name                 size           offset    mask_flags
 0: bootloader          0x00040000      0x00000000      0
 1: params              0x00020000      0x00040000      0
 2: kernel              0x00200000      0x00060000      0
 3: root                0x0fda0000      0x00260000      0

即：

NAND = 0x00000000 + 256MB
	=> uboot = 256kB
	=> params = 128kB
	=> kernel = 2MB
	=> root = 256M - 256k - 128k - 2M ~= 254MB

(3) 上电启动后，文件都在SDRAM中，分布（起始地址和大小）：

五、uboot启动kernel过程

这里正式开始讲uboot启动kernel过程涉及的函数及其之间的调用关系。
该过程从uboot代码执行设定好的bootcmd命令作为开始（在uboot命令行下输入print可以看到它的值）：
bootcmd=nand read.jffs2 0x30007FC0 kernel; bootm 0x30007FC0
bootm命令作为bootcmd命令的后半部分，对应uboot代码中的do_bootm()函数。
(1) uboot先提前于kernel加载到SDRAM中了，然后执行bootcmd命令的前半段：
把kernel从NAND中完整读取到SDRAM；
(2) 执行bootcmd命令的后半段：检查并移动SDRAM中的kernel到“正确”位置，然后启动它（以下提到的image可能指代SDRAM的kernel或代码的image全局结构体变量）：

do_bootm ->
	bootm_start ->
		boot_get_kernel：
			复制头部64B到image.image_header_t；
			并提取其中的kernel地址、大小、类型，另外保存到image.os
		根据检查到的image类型，填充image其他成员
	boot_load_os ->
		对比头部信息中的kernel“设置启动SDRAM地址”（iamge_addr）与当前已加载到的实际所在地址（load）；
		若不相等，则重新搬运（SDRAM->SDRAM）
	boot_fn=boot_os ->
		即运行do_bootm_linux()：准备跳转启动kernel

(3) （这也属于bootm命令的内容；但属于另一阶段的动作，所以另起一小节）

do_bootm ->
	do_bootm_linux ->
		boot_prep_linux：
			以链表形式保存要传递给kernel的参数到某个位置（128kB的param分区）：
				它以gd->bd->bi_boot_params为起始地址（gd="global data";bd="boot data"）；
				这些参数包括：kernel信息、代码设置的变量参数、bootargs传入的（根文件系统路径）命令等
		boot_jump_linux：
			传3个参数到寄存器，并跳转到kernel，由kernel取出这3个参数、然后正式启动；
			（R0=0x0，R1=机器号，R2=参数链表地址：指向更多启动参数）