uboot构建框架6-u-boot.bin生成过程追踪

2023-10-10 18:27:52

先看终极目标

在配置完毕的情况下，我们在uboot根目录敲下"make"命令，就会执行一系列动作，产生一系列结果。这结果之一，便是u-boot.bin。这个u-boot.bin是一个二进制执行代码文件，理论上可以被CPU直接执行。但是对于imx6来说，不拿这个直接烧写，还是需要再处理一下才行，这个后续会提到。

只要是查看主Makefile的执行流程，我们第一要做的，是找到这个Makefile的"终极目标"，找到了终极目标，就跟找到C语言程序的main函数一样，找到了入口了。我来看下这个终极目标，主Makefile第129行，如下：

# That's our default target when none is given on the command line
PHONY := _all 
_all:

就跟注释说明的一样，这个就是默认目标，也就是终极目标。但是这里的_all目标，既没有依赖，也没有命令，这是在干嘛？其实，熟悉make的朋友一定清楚，所谓终极目标，是写在Makefile里面的第一个目标，假设我们把上面这个不知道干嘛的规则去掉，我们会发现，第一个规则就编程了下面这条了，133行：

$(CURDIR)/Makefile Makefile: ;

这个变成了终极目标，也就是这个make的最终目标，是为了构建这两个Makefile？那岂不是搞错方向了啊。但是诸如这样的规则，其实还是有很多的，如果少了上面的空_all目标，底下指不定谁就莫名其妙的成了终极目标。所以，有了以上_all空目标，就好比占了个坑位，意思是说，终极目标这个位置，我"_all"已经占用了，你们不要再惦记了，想也不要想，想也有罪。但是，事实就是事实，这个规则终归是空的呀。别急，坑我们先占了，坑里的内容嘛，我们后面可以补上，我们看Makefile第196行：

# If building an external module we do not care about the all: rule
# but instead _all depend on modules
PHONY += all
ifeq ($(KBUILD_EXTMOD),)
_all: all
else
_all: modules
endif

怎么样，这里比刚才要好一点了，多了个all依赖。终归是更进了一步。我们再看Makefile第802行：

all:            $(ALL-y)
ifneq ($(CONFIG_SYS_GENERIC_BOARD),y)
        @echo "===================== WARNING ======================"
        @echo "Please convert this board to generic board."
        @echo "Otherwise it will be removed by the end of 2014."
        @echo "See doc/README.generic-board for further information"
        @echo "===================================================="
endif
ifeq ($(CONFIG_DM_I2C_COMPAT),y)
        @echo "===================== WARNING ======================"
        @echo "This board uses CONFIG_DM_I2C_COMPAT. Please remove"
        @echo "(possibly in a subsequent patch in your series)"
        @echo "before sending patches to the mailing list."
        @echo "===================================================="
endif

这里all成为一个新规则的目标，这个规则的依赖是$(ALL-y)。于是，我们的目标就是展开这个ALL-y，看看这里面有些什么。且看一下小节分解。

找到我们的u-boot.bin

上面说到，all依赖的那个ALL-y变量。我们找到这个变量赋值的地方，Makefile第731行开始：

# Always append ALL so that arch config.mk's can add custom ones
ALL-y += u-boot.srec u-boot.bin u-boot.sym System.map u-boot.cfg binary_size_check

ALL-$(CONFIG_ONENAND_U_BOOT) += u-boot-onenand.bin
ifeq ($(CONFIG_SPL_FSL_PBL),y)
ALL-$(CONFIG_RAMBOOT_PBL) += u-boot-with-spl-pbl.bin
else
ifneq ($(CONFIG_SECURE_BOOT), y)
# For Secure Boot The Image needs to be signed and Header must also
# be included. So The image has to be built explicitly
ALL-$(CONFIG_RAMBOOT_PBL) += u-boot.pbl
endif
endif
ALL-$(CONFIG_SPL) += spl/u-boot-spl.bin
ALL-$(CONFIG_SPL_FRAMEWORK) += u-boot.img
ALL-$(CONFIG_TPL) += tpl/u-boot-tpl.bin
ALL-$(CONFIG_OF_SEPARATE) += u-boot.dtb
ifeq ($(CONFIG_SPL_FRAMEWORK),y)
ALL-$(CONFIG_OF_SEPARATE) += u-boot-dtb.img
endif
ALL-$(CONFIG_OF_HOSTFILE) += u-boot.dtb
ifneq ($(CONFIG_SPL_TARGET),)
ALL-$(CONFIG_SPL) += $(CONFIG_SPL_TARGET:"%"=%)
endif
ALL-$(CONFIG_REMAKE_ELF) += u-boot.elf
ALL-$(CONFIG_EFI_APP) += u-boot-app.efi
ALL-$(CONFIG_EFI_STUB) += u-boot-payload.efi

ifneq ($(BUILD_ROM),)
ALL-$(CONFIG_X86_RESET_VECTOR) += u-boot.rom
endif

# enable combined SPL/u-boot/dtb rules for tegra
ifeq ($(CONFIG_TEGRA)$(CONFIG_SPL),yy)
ALL-y += u-boot-tegra.bin u-boot-nodtb-tegra.bin
ALL-$(CONFIG_OF_SEPARATE) += u-boot-dtb-tegra.bin
endif

# Add optional build target if defined in board/cpu/soc headers
ifneq ($(CONFIG_BUILD_TARGET),)
ALL-y += $(CONFIG_BUILD_TARGET:"%"=%)
endif

看来这个变量赋值还是挺多的，首先，一定依赖的目标有：

u-boot.srec/u-boot.bin/u-boot.sym/System.map/u-boot.cfg/binary_size_check

其它都是根据配置来选择。我们看到，这里出现了我们要寻找的那个目标：u-boot.bin。其它依赖因为跟本文关系不大，我们先不管它。我们来找下u-boot.bin目标，见Makefile第825行开始：

ifeq ($(CONFIG_OF_SEPARATE),y)
u-boot-dtb.bin: u-boot-nodtb.bin dts/dt.dtb FORCE
        $(call if_changed,cat)

u-boot.bin: u-boot-dtb.bin FORCE
        $(call if_changed,copy)
else
u-boot.bin: u-boot-nodtb.bin FORCE
        $(call if_changed,copy)
endif

这里的CONFIG_OF_SEPARATE其实是没有设置的，所以u-boot.bin的规则如下：

u-boot.bin: u-boot-nodtb.bin FORCE
        $(call if_changed,copy)

这里u-boot.bin依赖u-boot-nodtb.bin，且使用if_changed函数来更新u-boot.bin。在《kbuild框架简要分析》里面，我们分析过这个函数，在此我们可以把这个函数展开看看，到底长成啥样：

$(if $(strip $(any-prereq) $(arg-check)), \   
    @set -e; \   
    $(echo-cmd) $(cmd_copy); \ 
    printf '%s\n' 'cmd_u-boot.bin := $(make-cmd)' > $(dot-target).cmd)

这里any-prereq表示所有比目标更新或者还未生成的依赖文件，u-boot.bin还没有，所以这里展开就不为空，那么上面这条命令就会展开为：

@set -e; $(echo-cmd) $(cmd_copy); printf '%s\n' 'cmd_u-boot.bin := $(make-cmd)' > $(dot-target).cmd)

很显然，这里调用了cmd_copy命令，我们在Makefile第823行找到了cmd_copy：

quiet_cmd_copy = COPY    $@   
      cmd_copy = cp $< $@

这条命令仅仅就是试用cp命令，拷贝依赖文件为目标文件，也就是说，u-boot.bin和u-boot-nodtb.bin应该是一样的文件。好了，我们再去看下这个依赖文件u-boot-nodtb.bin是怎么生成的，见Makefile第866行：

u-boot-nodtb.bin: u-boot FORCE
        $(call if_changed,objcopy)
        $(call DO_STATIC_RELA,$<,$@,$(CONFIG_SYS_TEXT_BASE))
        $(BOARD_SIZE_CHECK)

这个u-boot-nodtb.bin依赖u-boot，且使用了底下三个命令来更新自己。第一个是使用cmd_objcopy命令，我们在Makefile第780行找到了这个命令：

# Normally we fill empty space with 0xff
quiet_cmd_objcopy = OBJCOPY $@
cmd_objcopy = $(OBJCOPY) --gap-fill=0xff $(OBJCOPYFLAGS) \
        $(OBJCOPYFLAGS_$(@F)) $< $@

看到没有，这里调用了objcopy程序，在我们的交叉编译环境下，这个命令是arm-poky-linux-gnueabi-objcopy。具体这个objcopy命令怎么使用的，大家还是自己搜索下看看，这里不展开了。这里还使用了DO_STATIC_RELA函数，道理都是一样的，能在Makefile里面找到定义，大家不妨自己找一下，看看展开是怎么样的，我们把目光集中在过程上面，接下重点跟踪下u-boot。

千呼万唤始出来

其实我们发现，最重要的角色，往往都是后面出场的，需要一些小兵来打个头阵。这个u-boot，可以说是相当重要了，因为它直接决定我们的u-boot是怎么构建出来的，我们来看下Makefile第1170行：

u-boot: $(u-boot-init) $(u-boot-main) u-boot.lds FORCE
        $(call if_changed,u-boot__)
ifeq ($(CONFIG_KALLSYMS),y)
        $(call cmd,smap)
        $(call cmd,u-boot__) common/system_map.o
endif

这个u-boot依赖有4个，FORCE是个伪目标，用来保证这个规则的命令总是会被执行，实际上，真正有价值的依赖是前面三个，我们划重点划起来：

（1）$(u-boot-init)
（2）$(u-boot-main)
（3）u-boot.lds

这里我们面临一个两难的选择，是先分析这三个依赖呢，还是先分析规则的命令？因为任何一个展开去，都是一大堆东西，我怕几匹马都拉不回来，那很容易走丢的。万般纠结之后，我决定还是先分析命令，因为这个命令直接关系到"u-boot"的生成方法，我得先了解一下。了解命令之前，我们暂且记住这三个依赖，这笔账我们后面再算，会回来的。

话说if_changed函数我们已经不陌生了，这个函数会根据依赖是否非空，构造一个用参数替换的命令出来，我们展开下，看得清楚些：

@set -e; $(echo-cmd) $(cmd_u-boot__); printf '%s\n' 'cmd_u-boot := $(make-cmd)' > $(dot-target).cmd)

这里会展开执行$(cmd_u-boot__)命令，我找下这个命令的定义，Makefile第1158行，如下：

# Rule to link u-boot
# May be overridden by arch/$(ARCH)/config.mk
quiet_cmd_u-boot__ ?= LD      $@   
      cmd_u-boot__ ?= $(LD) $(LDFLAGS) $(LDFLAGS_u-boot) -o $@ \ 
      -T u-boot.lds $(u-boot-init)                             \    
      --start-group $(u-boot-main) --end-group                 \    
      $(PLATFORM_LIBS) -Map u-boot.map

这个cmd_u-boot__是不是挺容易看懂的？就是调用ld链接器，生成u-boot，使用u-boot.lds作为链接脚本，链接的目标对象应该是分布在$(u-boot-init)和$(u-boot-main)里面，也会链接进去$(PLATFORM_LIBS)作为库，最后还会生成u-boot.map。这个ld链接之后，应该会生成一个可执行的ELF程序，就是我们分析的"u-boot"。好了，u-boot的命令我先分析到这里。接下来我们回到之前岔开的地方，去分析那三个依赖。

把马甲一层层扒开，看个清楚

这三个依赖，最后一个是u-boot.lds，是个链接脚本，这很明确，没有展开的必要了。那么，我们的工作变成要展开前两个变量，就是$(u-boot-init)和$(u-boot-main)。在主Makefile第678行，如下：

u-boot-init := $(head-y)
u-boot-main := $(libs-y)

这里的变量定义已经非常清楚了，这个libs-y倒是很清楚，有很多地方定义了，但是这个head-y我们并没有在主Makefile里面找到。实际上，这个难找的家伙还是被我找到了，具体的方法这里不展开，这里就讲结果吧，我们看到主Makefile第524行：

include arch/$(ARCH)/Makefile

这里的ARCH我们已经配置为arm，那么这里就是：

include arch/arm/Makefile

我们打开这个Makefile，看第70行，如下：

head-y := arch/arm/cpu/$(CPU)/start.o

这个就是head-y的定义了。收藏。

那么libs-y呢，这个定义的地方就多了，除了主Makefile里面，各个子目录的Makefile里面，都可能定义libs-y。我通过打印，得到这个u-boot-main变量的值，如下：

arch/arm/cpu/built-in.o 
arch/arm/cpu/armv7/built-in.o 
arch/arm/imx-common/built-in.o 
arch/arm/lib/built-in.o 
board/myir/mys_imx6ull/built-in.o 
cmd/built-in.o 
common/built-in.o 
disk/built-in.o 
drivers/built-in.o 
drivers/dma/built-in.o 
drivers/gpio/built-in.o 
drivers/i2c/built-in.o 
drivers/mmc/built-in.o 
drivers/mtd/built-in.o 
drivers/mtd/nand/built-in.o 
drivers/mtd/onenand/built-in.o 
drivers/mtd/spi/built-in.o 
drivers/net/built-in.o 
drivers/net/phy/built-in.o 
drivers/pci/built-in.o 
drivers/power/built-in.o 
drivers/power/battery/built-in.o 
drivers/power/fuel_gauge/built-in.o 
drivers/power/mfd/built-in.o 
drivers/power/pmic/built-in.o 
drivers/power/regulator/built-in.o 
drivers/serial/built-in.o 
drivers/spi/built-in.o 
drivers/usb/dwc3/built-in.o 
drivers/usb/emul/built-in.o 
drivers/usb/eth/built-in.o 
drivers/usb/gadget/built-in.o 
drivers/usb/gadget/udc/built-in.o 
drivers/usb/host/built-in.o 
drivers/usb/musb-new/built-in.o 
drivers/usb/musb/built-in.o 
drivers/usb/phy/built-in.o 
drivers/usb/ulpi/built-in.o 
fs/built-in.o 
lib/built-in.o 
net/built-in.o 
test/built-in.o 
test/dm/built-in.o

这一堆的目标文件，而且格式还高度统一，都是built-in.o，只是分布在不同的目录而已。

好了，这两个变量我们都展开了，接下来我们总结下，就是说这个u-boot吧，是由head-y、libs-y和一些内部库通过ld链接而成的。这个head-y是一个叫做start.o的目标文件，libs-y是一堆叫做built-in.o的目标文件。为啥这两个要这么分开处理，原因是这个链接是讲究顺序的，关于启动的代码，比较关键，需要链接放到执行程序的最前面。

依赖依赖，还是依赖

其实你们发现没有，这个kbuild构建的makefile，就是一层层不停地依赖下去，每个依赖完成特定的功能，以此达到逻辑的相对分离，再一次佩服这帮人的软件工程能力。这里我想多说一点，我们国内为什么在底层软件，特别是OS层面这么弱？其实跟我们的软件工程能力有关系，我们对软件工程太不重视了，软件工程就好比建筑立面的建筑框架，一个好的框架搭建方式，是可以完美撑起一座高楼大厦的，框架搭不好，这个楼是盖不起来的。国内对于算法的重视程度，要远远高于软件工程，这个其实是很不科学的。

好吧，不多说了，说多了也没啥用，我们看我们的。其实我们发现，这个u-boot-init和u-boot-main有共同的依赖，主Makefile第1190行：

$(sort $(u-boot-init) $(u-boot-main)): $(u-boot-dirs) ;

u-boot-dirs变量定义在Makefile第672行，如下：

u-boot-dirs     := $(patsubst %/,%,$(filter %/, $(libs-y))) tools examples

这里通过make函数取得libs-y里面的所有目录，再加上tools，examples。我也对这个变量进行的打印，实际输出为：

arch/arm/cpu
arch/arm/cpu/armv7
arch/arm/imx-common
arch/arm/lib
board/myir/mys_imx6ull
cmd
common
disk
drivers
drivers/dma
drivers/gpio
drivers/i2c
drivers/mmc
drivers/mtd
drivers/mtd/nand
drivers/mtd/onenand
drivers/mtd/spi
drivers/net
drivers/net/phy
drivers/pci
drivers/power
drivers/power/battery
drivers/power/fuel_gauge
drivers/power/mfd
drivers/power/pmic
drivers/power/regulator
drivers/serial
drivers/spi
drivers/usb/dwc3
drivers/usb/emul
drivers/usb/eth
drivers/usb/gadget
drivers/usb/gadget/udc
drivers/usb/host
drivers/usb/musb-new
drivers/usb/musb
drivers/usb/phy
drivers/usb/ulpi
fs
lib
net
test
test/dm
tools
examples

然后，这个u-boot-dirs又作为目标，形成一个新的规则。Makefile第1199行，有这个依赖的规则：

PHONY += $(u-boot-dirs)
$(u-boot-dirs): prepare scripts
        $(Q)$(MAKE) $(build)=$@

这个又依赖prepare和scripts。这里有个命令，通过build变量来引入Makefile.build。这里我们要注意的是，这个u-boot-dirs展开是上面打印的那么多个目录，通过这里的命令及Makefile.build会各自包含进各自目录下面的Makefile。这样就达到了编译各个目录内部代码的一个方法。后面我们详细分析built-in.o时具体分析。

在执行这个命令之前，需要去执行prepare，这个prepare做了很多准备工作，我们代码放这里，就不展开分析了：

# Things we need to do before we recursively start building the kernel
# or the modules are listed in "prepare".
# A multi level approach is used. prepareN is processed before prepareN-1.
# archprepare is used in arch Makefiles and when processed asm symlink,
# version.h and scripts_basic is processed / created.

# Listed in dependency order
PHONY += prepare archprepare prepare0 prepare1 prepare2 prepare3

# prepare3 is used to check if we are building in a separate output directory,
# and if so do:
# 1) Check that make has not been executed in the kernel src $(srctree)
prepare3: include/config/uboot.release
ifneq ($(KBUILD_SRC),)
        @$(kecho) '  Using $(srctree) as source for U-Boot'
        $(Q)if [ -f $(srctree)/.config -o -d $(srctree)/include/config ]; then \
                echo >&2 "  $(srctree) is not clean, please run 'make mrproper'"; \
                echo >&2 "  in the '$(srctree)' directory.";\
                /bin/false; \
        fi;
endif

# prepare2 creates a makefile if using a separate output directory
prepare2: prepare3 outputmakefile

prepare1: prepare2 $(version_h) $(timestamp_h) \
                   include/config/auto.conf
ifeq ($(CONFIG_HAVE_GENERIC_BOARD),)
ifeq ($(CONFIG_SYS_GENERIC_BOARD),y)
        @echo >&2 "  Your architecture does not support generic board."
        @echo >&2 "  Please undefine CONFIG_SYS_GENERIC_BOARD in your board config file."
        @/bin/false
endif
endif
ifeq ($(wildcard $(LDSCRIPT)),)
        @echo >&2 "  Could not find linker script."
        @/bin/false
endif

archprepare: prepare1 scripts_basic

prepare0: archprepare FORCE
        $(Q)$(MAKE) $(build)=.

# All the preparing..
prepare: prepare0

码农公寓

先看终极目标

找到我们的u-boot.bin

千呼万唤始出来

把马甲一层层扒开，看个清楚

依赖依赖，还是依赖

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