uboot启动内核kernel的总讲

2024-03-31 19:36:58

uboot如何启动内核

本文接着上一阶段对于uboot的两个阶段的分析，继续分析uboot是如何启动内核的。

首先得说说内核的启动与uboot的关系：

uboot无条件的从零开始启动，但是内核的启动需要uboot的帮忙，为其提供启动参数，帮助内核实现重定位。完整的软件+硬件的嵌入式操作系统静止未上电时BootLoader、rootfs等都是以镜像的形式储存在启动介质之中的（例如nand、inand、sd卡），如静止时uboot.bin、zimage、rootfs都在SD卡中，因此需要对SD卡进行分区，再将镜像放在对应的分区之内，然后在启动时uboot就会从这个设定的分区中找到对应的镜像文件；镜像最终运行时都在DDR内存中运行，与储存介质无关；而启动过程（也就是uboot所做的）就是将SD卡中的镜像搬移至DDR内存之中，并且运行代码进行相关硬件的初始化和软件架构的建立，最终达到稳定状态的过程。

重定位：搬移sd卡内的内核镜像zimage至SDRAM中的运行的过程也叫重定位，在重定位之前uboot遵从代码的指令，从sd卡的固定分区读取内核的镜像文件，这个要求我们在烧录时指定的烧录分区和这里uboot读取的分区必须一致，不然就无法进行；其次是重定位地址，也就是内核镜像在SDRAM中运行的地址。在uboot的第一阶段进行重定位将第二阶段（也就是整个uboot的镜像）加载至0xc3e00000地址处，这个地址就是uboot的链接地址。内核启动时也一样，将内存从SD卡读取到DDR之中，也必须放在内核的链接地址处，（譬如我们使用的内核链接地址是0x30008000）

三种镜像文件：linuxz Image zImage uImage

Image：linuxz内核直接编译生成的二进制elf文件，相当于uboot编译之后生成的elf文件uboot，但是这个镜像对于大，所以通过arm-linux-objcopy工具将其生成为可以烧录的Image文件，这个文件约为linuxz的十分之一。

zImage：对Image进行一次压缩，生成zImage镜像文件。而这个zImage文件的头部有一段未压缩的代码，这段代码实现了zImage的自解压。

uImage：zImage加工生成的：通过mkimage脚本，在zImage前面加上64字节的校验头信息。

uboot中绝对支持的是uImage，而zImage是否支持是否支持就看x210_sd.h中是否定义了LINUX_ZIMAGE_MAGIC这个宏。

说到这里就不得不说说镜像文件的执行顺序：

1.得到镜像问价的头信息；
2.校验头信息的正确性，完整性；
3.根据头信息得到镜像的一些相关参数，例如起始地址和长度等；
4.跳转至真正的镜像文件位置执行镜像程序。

这也是一种很常见，很重要的设计理念。

启动宏观分析：

第一阶段：重定位，从启动介质中加载内核镜像到SDRAM/DDR中。

第二阶段：先校验镜像文件的头信息（boot_get_kernel函数），然后启动linux内核镜像（do_bootm_linux函数）。

下面对两个阶段进行进一步具体的分许：

第一阶段的具体分析：

加载内核到SDRAM中的命令方法：
从启动介质sd卡中：movi read kernel 30008000
利用网络，远程下载镜像： tftp 0x30008000 zImage 注：这里的zimage就是tftf共享文件夹中的内核镜像。

这里重定位的方法类似于uboot的重定位，将内核从规定的位置、分区进行搬移，不做重复的分析。

第二阶段的具体分析：

启动内核的命令方法： bootm 0x30008000 注：0x30008000就是内核在SDRAM中运行的地址。

对bootm命令的分析：

bootm命令的原型是do_bootm函数，这个函数在Cmd_bootm.c中：

int do_bootm (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])
{
    。。。。。。。。
}

（1）首先判断传入参数的个数，如果为指定启动内核的位置的话，则从默认的地址读取镜像文件：

	if (argc < 2) {
		addr = load_addr;
		debug ("*  kernel: default image load address = 0x%08lx\n",
				load_addr);

而这个默认的地址是ox300000000。

（2）进行镜像文件类型的校验：（以zimage为例）

通过固定位置的值与一个已知魔数相比对，来确认是否是zImage镜像：

if (*(ulong *)(addr + 9*4) == LINUX_ZIMAGE_MAGIC) {
		printf("Boot with zImage\n");
		addr = virt_to_phys(addr);
		hdr = (image_header_t *)addr;
		hdr->ih_os = IH_OS_LINUX;
		hdr->ih_ep = ntohl(addr);

通过二进制代码比对齐将zImage转化后比对，确实相同。（注：不相同时可能是大小端的原因）

（3）获取镜像的头信息并进行比较：

/* get kernel image header, start address and length */
	os_hdr = boot_get_kernel (cmdtp, flag, argc, argv,
			&images, &os_data, &os_len);

返回的os_hdr指向镜像的起始地址，同样通过输出型参数传出镜像头信息的长度等信息。

（4）根据校验得到的结果，进行一些调试信息的打印：

printf ("   XIP %s ... ", type_name);
printf ("   Loading %s ... ", type_name);
printf ("   Uncompressing %s ... ", type_name);

（5）调用do_bootm_linux()函数完成具体的内核启动工作：

do_bootm_linux (cmdtp, flag, argc, argv, &images);

索引得知do_bootm_linux()函数在bootm.c中定义。

其中传入的参数images是在前面初始化的一个全局变量，同时在前面、、读取头文件的信息之后，将镜像相关参数赋值给image。

①定义了一个很重要的参数：

ulong	ep = 0;

②机器码的再次确认：

int	machid = bd->bi_arch_number;

将在BL2阶段赋值的机器码再次赋值给machine。

③定义了一个十分重要的函数指针：

void	(*theKernel)(int zero, int arch, uint params);

④进行内核传参的具体处理，关于此部分的详细分析请移步：

⑤执行镜像执行的第三四步：

得到镜像的起始地址：

if (images->legacy_hdr_valid) {
		ep = image_get_ep (&images->legacy_hdr_os_copy);

执行镜像文件：

theKernel = (void (*)(int, int, uint))ep;

将镜像的起始地址传给函数指针theKernel。

theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params);

最后通过调用theKernel函数指针的方式执行镜像文件。

如果uboot运行正确并成功的加载了内核的镜像会打印出调试信息：

/* we assume that the kernel is in place */
	printf ("\nStarting kernel ...\n\n");

这说明镜像的头信息校验通过了，也找到了镜像的入口地址，并执行了镜像文件。

但如果这句后串口就没输出了，说明内核并没有被成功执行，原因一般是：uboot给传参不正确（80%）、内核在DDR中的加载地址不正确。

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