在前面的章节关于u-boot的源码，以及u-boot的移植这一块我们介绍完了。接下来，我们开始进入第二个阶段，linux内核移植，以及驱动开发。
在这之前，我们遗漏了u-boot中的一个重要环节没有介绍，就是u-boot如何执行bootm命令，如何实现linux内核启动。
一、linux内核启动入口之do_bootm
我们在Mini440之uboot移植之源码分析命令解析（五） 介绍过如果配置了CONFIG_BOOTCOMMAND宏：
#define CONFIG_BOOTCOMMAND "nand read 0x30000000 kernel; bootm 0x30000000" //bootcmd
那么在执行autoboot_command函数的时候，将会执行该命令。
bootm这个命令用于启动一个操作系统映射，它会从映射文件的头部取得一些信息，这些信息包括：映射文件的基于的cpu架构、其操作系统类型、映射的类型、压缩方式、映射文件在内存中的加载地址、映射文件运行的入口地址、映射文件名等。
nand read 0x30000000命令：这里将NAND kernel分区的代码加载到地址0x30000000；
bootm 0x3000000：启动linux内核；
1.1 autoboot_command(common/autoboot.c)
void autoboot_command(const char *s)
{
debug("### main_loop: bootcmd=\"%s\"\n", s ? s : "<UNDEFINED>");
if (stored_bootdelay != -1 && s && !abortboot(stored_bootdelay)) {
run_command_list(s, -1, 0);
}
}
如果在u-boot启动倒计时结束之前，没有按下任何键，将会执行那么将执行run_command_list，此函数会执行参数s指定的一系列命令，也就是bootcmd中配置中的命令，bootcmd中保存着默认的启动命令。
在默认环境变量default_environment中定义有：
#ifdef CONFIG_BOOTCOMMAND
"bootcmd=" CONFIG_BOOTCOMMAND "\0"
#endif
1.2 do_bootm(cmd/bootm.c)
由于要执行bootm命令，所以我们需要打开与bootm命令相关的文件进行分析，bootm命令定义在cmc/bootm.c文件中：
U_BOOT_CMD(
bootm, CONFIG_SYS_MAXARGS, 1, do_bootm,
"boot application image from memory", bootm_help_text
);
找到对应的do_bootm函数，去除无用的代码：
/*******************************************************************/
/* bootm - boot application image from image in memory */
/*******************************************************************/
int do_bootm(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
{
/* determine if we have a sub command */
argc--; argv++;
if (argc > 0) {
char *endp;
simple_strtoul(argv[0], &endp, 16);
/* endp pointing to NULL means that argv[0] was just a
* valid number, pass it along to the normal bootm processing
*
* If endp is ':' or '#' assume a FIT identifier so pass
* along for normal processing.
*
* Right now we assume the first arg should never be '-'
*/
if ((*endp != 0) && (*endp != ':') && (*endp != '#'))
return do_bootm_subcommand(cmdtp, flag, argc, argv);
}
// 到这里参数中的bootm参数会被去掉
return do_bootm_states(cmdtp, flag, argc, argv, BOOTM_STATE_START |
BOOTM_STATE_FINDOS | BOOTM_STATE_FINDOTHER |
BOOTM_STATE_LOADOS |
BOOTM_STATE_OS_PREP | BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO |
BOOTM_STATE_OS_GO, &images, 1);
}
当执行bootm 0x30000000，函数入参：第一个参数是bootm命令结构体，flag是命令标志位，argv[0]='"bootm"、argv[1]="0x3000000"，argc=2。
这里进入函数之后argc=1，argv[0]=0x30000000.
bootm的核心是do_bootm_states，以全局变量bootm_headers_t images作为do_bootm_states的参数，改变量在cmd/bootm.c文件中声明。
bootm_headers_t images; /* pointers to os/initrd/fdt images */
bootm会根据参数以及参数指向的镜像来填充这个结构体里面的成员。 最终再使用这个结构体里面的信息来填充kernel启动信息并且到跳转到kernel中。
下面详细说明这个函数。
二、do_bootm_states(cmd/bootm.c)
我们先来看一下这个函数的声明：
int do_bootm_states(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[],
int states, bootm_headers_t *images, int boot_progress);
2.1 bootm_headers_t(include/image.h)
bootm_headers_t是一个复杂的数据结构，官网是这样描述的：
/*
* Legacy and FIT format headers used by do_bootm() and do_bootm_<os>()
* routines.
*/
typedef struct bootm_headers {
/*
* Legacy os image header, if it is a multi component image
* then boot_get_ramdisk() and get_fdt() will attempt to get
* data from second and third component accordingly.
*/
image_header_t *legacy_hdr_os; /* image header pointer */
image_header_t legacy_hdr_os_copy; /* header copy */
ulong legacy_hdr_valid;
#if IMAGE_ENABLE_FIT
const char *fit_uname_cfg; /* configuration node unit name */
void *fit_hdr_os; /* os FIT image header */
const char *fit_uname_os; /* os subimage node unit name */
int fit_noffset_os; /* os subimage node offset */
void *fit_hdr_rd; /* init ramdisk FIT image header */
const char *fit_uname_rd; /* init ramdisk subimage node unit name */
int fit_noffset_rd; /* init ramdisk subimage node offset */
void *fit_hdr_fdt; /* FDT blob FIT image header */
const char *fit_uname_fdt; /* FDT blob subimage node unit name */
int fit_noffset_fdt;/* FDT blob subimage node offset */
void *fit_hdr_setup; /* x86 setup FIT image header */
const char *fit_uname_setup; /* x86 setup subimage node name */
int fit_noffset_setup;/* x86 setup subimage node offset */
#endif
#ifndef USE_HOSTCC
image_info_t os; /* os image info */
ulong ep; /* entry point of OS */
ulong rd_start, rd_end;/* ramdisk start/end */
char *ft_addr; /* flat dev tree address */
ulong ft_len; /* length of flat device tree */
ulong initrd_start;
ulong initrd_end;
ulong cmdline_start;
ulong cmdline_end;
bd_t *kbd;
#endif
int verify; /* getenv("verify")[0] != 'n' */
#define BOOTM_STATE_START (0x00000001)
#define BOOTM_STATE_FINDOS (0x00000002)
#define BOOTM_STATE_FINDOTHER (0x00000004)
#define BOOTM_STATE_LOADOS (0x00000008)
#define BOOTM_STATE_RAMDISK (0x00000010)
#define BOOTM_STATE_FDT (0x00000020)
#define BOOTM_STATE_OS_CMDLINE (0x00000040)
#define BOOTM_STATE_OS_BD_T (0x00000080)
#define BOOTM_STATE_OS_PREP (0x00000100)
#define BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO (0x00000200) /* 'Almost' run the OS */
#define BOOTM_STATE_OS_GO (0x00000400)
int state;
#ifdef CONFIG_LMB
struct lmb lmb; /* for memory mgmt */
#endif
} bootm_headers_t;
bootm_headers_t用于Legacy或设备树(FDT)方式镜像的启动，其中包括了os/initrd/fdt images的信息。我们这里大概介绍一下和这个结构体的成员变量：
- legacy_hdr_os：Legacy-uImage的镜像头；
- legacy_hdr_os_copy：Legacy-uImage的镜像头备份；
- fit_uname_cfg：配置节点名；
- fit_hdr_os：FIT-uImage中kernel镜像头；
- fit_uname_os：FIT-uImag中kernel的节点名；
- fit_noffset_os：FIT-uImage中kernel的节点偏移；
- fit_hdr_rd：FIT-uImage中ramdisk的镜像头；
- fit_uname_rd：FIT-uImage中ramdisk的节点名；
- fit_noffset_rd：FIT-uImage中ramdisk的节点偏移；
- fit_hdr_fdt：FIT-uImage中FDT的镜像头；
- fit_uname_fdt：FIT-uImage中FDT的节点名；
- fit_noffset_fdt：FIT-uImage中FDT的节点偏移；
- os：操作系统信息的结构体，比如内核镜像在内存的起始地址、以及大小；
- ep：操作系统的入口地址；
- rd_start：ramdisk在内存上的起始地址；
- rd_end：ramdisk在内存上的结束地址
- ft_addr：fdt在内存上的地址；
- ft_len：fdt在内存上的长度；
- verify：是否需要验证；
- state：状态标识，用于标识对应的bootm需要做什么操作；
其中 legacy_hdr_os是image_header_t类型。这个结构尤为重要，下面来介绍。
2.2 (include/image.h)
/*
* Legacy format image header,
* all data in network byte order (aka natural aka bigendian).
*/
typedef struct image_header {
__be32 ih_magic; /* Image Header Magic Number */
__be32 ih_hcrc; /* Image Header CRC Checksum */
__be32 ih_time; /* Image Creation Timestamp */
__be32 ih_size; /* Image Data Size */
__be32 ih_load; /* Data Load Address */
__be32 ih_ep; /* Entry Point Address */
__be32 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;
比较重要的成员有：
- ih_magic：镜像的魔数，用来给uboot判断是什么格式的镜像(zImage、uImage等)；
- ih_ep：镜像的入口；
- inj_os：镜像的系统；
2.3 状态说明
do_bootm_states的state参数是一大堆的标志宏，这些标志宏就是u-boot启动时需要的阶段，每个阶段都有一个宏来表示。
#define BOOTM_STATE_START (0x00000001) #define BOOTM_STATE_FINDOS (0x00000002) #define BOOTM_STATE_FINDOTHER (0x00000004) #define BOOTM_STATE_LOADOS (0x00000008) #define BOOTM_STATE_RAMDISK (0x00000010) #define BOOTM_STATE_FDT (0x00000020) #define BOOTM_STATE_OS_CMDLINE (0x00000040) #define BOOTM_STATE_OS_BD_T (0x00000080) #define BOOTM_STATE_OS_PREP (0x00000100) #define BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO (0x00000200) /* 'Almost' run the OS */ #define BOOTM_STATE_OS_GO (0x00000400)
- BOOTM_STATE_START ：开始执行bootm的一些准备动作；
- BOOTM_STATE_FINDOS ：查找操作系统镜像；
- BOOTM_STATE_FINDOTHER ：查找操作系统镜像外的其它镜像，比如FDT、ramdisk等；
- BOOTM_STATE_LOADOS ：加载操作系统；
- BOOTM_STATE_RAMDISK ：操作ramdisk；
- BOOTM_STATE_FDT ：操作FDT；
- BOOTM_STATE_OS_CMDLINE ：操作commandline；
- BOOTM_STATE_OS_BD_T ：跳转到操作系统的前的准备动作；
- BOOTM_STATE_OS_PREP ：执行跳转前的准备动作 ；
- BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO ：伪跳转，一般都能直接跳转到kernel中去
- BOOTM_STATE_OS_GO ：设置启动参数，跳转到kernel所在的地址上 ；
do_bootm_states根据states来判断要执行的操作。在这些流程中，起传递作用的是bootm_headers_t images这个数据结构，有些流程是解析镜像，往这个结构体里写数据。 而跳转的时候，则需要使用到这个结构体里面的数据。
2.4 do_bootm_states函数执行流程
/**
* Execute selected states of the bootm command.
*
* Note the arguments to this state must be the first argument, Any 'bootm'
* or sub-command arguments must have already been taken.
*
* Note that if states contains more than one flag it MUST contain
* BOOTM_STATE_START, since this handles and consumes the command line args.
*
* Also note that aside from boot_os_fn functions and bootm_load_os no other
* functions we store the return value of in 'ret' may use a negative return
* value, without special handling.
*
* @param cmdtp Pointer to bootm command table entry
* @param flag Command flags (CMD_FLAG_...)
* @param argc Number of subcommand arguments (0 = no arguments)
* @param argv Arguments
* @param states Mask containing states to run (BOOTM_STATE_...)
* @param images Image header information
* @param boot_progress 1 to show boot progress, 0 to not do this
* @return 0 if ok, something else on error. Some errors will cause this
* function to perform a reboot! If states contains BOOTM_STATE_OS_GO
* then the intent is to boot an OS, so this function will not return
* unless the image type is standalone.
*/
int do_bootm_states(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[],
int states, bootm_headers_t *images, int boot_progress)
{
boot_os_fn *boot_fn;
ulong iflag = 0;
int ret = 0, need_boot_fn;
images->state |= states;
/*
* Work through the states and see how far we get. We stop on
* any error.
*/
if (states & BOOTM_STATE_START)
ret = bootm_start(cmdtp, flag, argc, argv);
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_FINDOS))
ret = bootm_find_os(cmdtp, flag, argc, argv);
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_FINDOTHER)) {
ret = bootm_find_other(cmdtp, flag, argc, argv);
argc = 0; /* consume the args */
}
/* Load the OS */
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_LOADOS)) {
ulong load_end;
iflag = bootm_disable_interrupts();
ret = bootm_load_os(images, &load_end, 0);
if (ret == 0)
lmb_reserve(&images->lmb, images->os.load,
(load_end - images->os.load));
else if (ret && ret != BOOTM_ERR_OVERLAP)
goto err;
else if (ret == BOOTM_ERR_OVERLAP)
ret = 0;
#if defined(CONFIG_SILENT_CONSOLE) && !defined(CONFIG_SILENT_U_BOOT_ONLY)
if (images->os.os == IH_OS_LINUX)
fixup_silent_linux();
#endif
}
/* Relocate the ramdisk */
#ifdef CONFIG_SYS_BOOT_RAMDISK_HIGH
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_RAMDISK)) {
ulong rd_len = images->rd_end - images->rd_start;
ret = boot_ramdisk_high(&images->lmb, images->rd_start,
rd_len, &images->initrd_start, &images->initrd_end);
if (!ret) {
setenv_hex("initrd_start", images->initrd_start);
setenv_hex("initrd_end", images->initrd_end);
}
}
#endif
#if IMAGE_ENABLE_OF_LIBFDT && defined(CONFIG_LMB)
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_FDT)) {
boot_fdt_add_mem_rsv_regions(&images->lmb, images->ft_addr);
ret = boot_relocate_fdt(&images->lmb, &images->ft_addr,
&images->ft_len);
}
#endif
/* From now on, we need the OS boot function */
if (ret)
return ret;
boot_fn = bootm_os_get_boot_func(images->os.os);
need_boot_fn = states & (BOOTM_STATE_OS_CMDLINE |
BOOTM_STATE_OS_BD_T | BOOTM_STATE_OS_PREP |
BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO | BOOTM_STATE_OS_GO);
if (boot_fn == NULL && need_boot_fn) {
if (iflag)
enable_interrupts();
printf("ERROR: booting os '%s' (%d) is not supported\n",
genimg_get_os_name(images->os.os), images->os.os);
bootstage_error(BOOTSTAGE_ID_CHECK_BOOT_OS);
return 1;
}
/* Call various other states that are not generally used */
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_OS_CMDLINE))
ret = boot_fn(BOOTM_STATE_OS_CMDLINE, argc, argv, images);
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_OS_BD_T))
ret = boot_fn(BOOTM_STATE_OS_BD_T, argc, argv, images);
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_OS_PREP))
ret = boot_fn(BOOTM_STATE_OS_PREP, argc, argv, images);
#ifdef CONFIG_TRACE
/* Pretend to run the OS, then run a user command */
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO)) {
char *cmd_list = getenv("fakegocmd");
ret = boot_selected_os(argc, argv, BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO,
images, boot_fn);
if (!ret && cmd_list)
ret = run_command_list(cmd_list, -1, flag);
}
#endif
/* Check for unsupported subcommand. */
if (ret) {
puts("subcommand not supported\n");
return ret;
}
/* Now run the OS! We hope this doesn't return */
if (!ret && (states & BOOTM_STATE_OS_GO))
ret = boot_selected_os(argc, argv, BOOTM_STATE_OS_GO,
images, boot_fn);
/* Deal with any fallout */
err:
if (iflag)
enable_interrupts();
if (ret == BOOTM_ERR_UNIMPLEMENTED)
bootstage_error(BOOTSTAGE_ID_DECOMP_UNIMPL);
else if (ret == BOOTM_ERR_RESET)
do_reset(cmdtp, flag, argc, argv);
return ret;
}
代码具体执行流程：
- 初始化images->state|=states；
- states跟宏BOOTM_STATE_START进行与操作，通过执行bootm_start；
- states跟宏BOOTM_STATE_FINDOS进行与操作，通过执行bootm_find_os；
- states跟宏BOOTM_STATE_FINDOTHER进行与操作，通过执行bootm_find_other；
- states跟宏BOOTM_STATE_LOADOS进行与操作，通过关闭中断，执行bootm_load_os；
- states跟宏BOOTM_STATE_OS_PREP进行与操作，通过执行boot_fn；
- states跟宏BOOTM_STATE_OS_GO进行与操作，通过执行boot_selected_os；
boot_selected_os，这函数里面就执行do_bootm_linux跳转到我们的内核去运行了，如无意外，到了这里一般情况下就不返回了。
我们根据状态参数，绘制出这个函数的执行流程：
2.5 bootm_start(common/bootm.c)
static int bootm_start(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc,
char * const argv[])
{
memset((void *)&images, 0, sizeof(images));
images.verify = getenv_yesno("verify");
boot_start_lmb(&images);
bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_BOOTM_START, "bootm_start");
images.state = BOOTM_STATE_START;
return 0;
}
代码具体执行流程：
- 清空images结构体；
- 获取环境遍历verify，并赋值给images.verify；
- 执行boot_start_lmb()初始化images.lmb；
- 执行bootstage_mark_name，记录启动阶段的名字；
- 设置images.state = BOOTM_STATE_START；
2.6 bootm_find_os(common/bootm.c)
static int bootm_find_os(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc,
char * const argv[])
{
const void *os_hdr;
bool ep_found = false;
int ret;
/* get kernel image header, start address and length */
os_hdr = boot_get_kernel(cmdtp, flag, argc, argv,
&images, &images.os.image_start, &images.os.image_len);
if (images.os.image_len == 0) {
puts("ERROR: can't get kernel image!\n");
return 1;
}
/* get image parameters */
switch (genimg_get_format(os_hdr)) {
#if defined(CONFIG_IMAGE_FORMAT_LEGACY)
case IMAGE_FORMAT_LEGACY:
images.os.type = image_get_type(os_hdr);
images.os.comp = image_get_comp(os_hdr);
images.os.os = image_get_os(os_hdr);
images.os.end = image_get_image_end(os_hdr);
images.os.load = image_get_load(os_hdr);
images.os.arch = image_get_arch(os_hdr);
break;
#endif
#if IMAGE_ENABLE_FIT
case IMAGE_FORMAT_FIT:
if (fit_image_get_type(images.fit_hdr_os,
images.fit_noffset_os,
&images.os.type)) {
puts("Can't get image type!\n");
bootstage_error(BOOTSTAGE_ID_FIT_TYPE);
return 1;
}
if (fit_image_get_comp(images.fit_hdr_os,
images.fit_noffset_os,
&images.os.comp)) {
puts("Can't get image compression!\n");
bootstage_error(BOOTSTAGE_ID_FIT_COMPRESSION);
return 1;
}
if (fit_image_get_os(images.fit_hdr_os, images.fit_noffset_os,
&images.os.os)) {
puts("Can't get image OS!\n");
bootstage_error(BOOTSTAGE_ID_FIT_OS);
return 1;
}
if (fit_image_get_arch(images.fit_hdr_os,
images.fit_noffset_os,
&images.os.arch)) {
puts("Can't get image ARCH!\n");
return 1;
}
images.os.end = fit_get_end(images.fit_hdr_os);
if (fit_image_get_load(images.fit_hdr_os, images.fit_noffset_os,
&images.os.load)) {
puts("Can't get image load address!\n");
bootstage_error(BOOTSTAGE_ID_FIT_LOADADDR);
return 1;
}
break;
#endif
#ifdef CONFIG_ANDROID_BOOT_IMAGE
case IMAGE_FORMAT_ANDROID:
images.os.type = IH_TYPE_KERNEL;
images.os.comp = IH_COMP_NONE;
images.os.os = IH_OS_LINUX;
images.os.end = android_image_get_end(os_hdr);
images.os.load = android_image_get_kload(os_hdr);
images.ep = images.os.load;
ep_found = true;
break;
#endif
default:
puts("ERROR: unknown image format type!\n");
return 1;
}
/* If we have a valid setup.bin, we will use that for entry (x86) */
if (images.os.arch == IH_ARCH_I386 ||
images.os.arch == IH_ARCH_X86_64) {
ulong len;
ret = boot_get_setup(&images, IH_ARCH_I386, &images.ep, &len);
if (ret < 0 && ret != -ENOENT) {
puts("Could not find a valid setup.bin for x86\n");
return 1;
}
/* Kernel entry point is the setup.bin */
} else if (images.legacy_hdr_valid) {
images.ep = image_get_ep(&images.legacy_hdr_os_copy);
#if IMAGE_ENABLE_FIT
} else if (images.fit_uname_os) {
int ret;
ret = fit_image_get_entry(images.fit_hdr_os,
images.fit_noffset_os, &images.ep);
if (ret) {
puts("Can't get entry point property!\n");
return 1;
}
#endif
} else if (!ep_found) {
puts("Could not find kernel entry point!\n");
return 1;
}
if (images.os.type == IH_TYPE_KERNEL_NOLOAD) {
images.os.load = images.os.image_start;
images.ep += images.os.load;
}
images.os.start = map_to_sysmem(os_hdr);
return 0;
}
代码具体执行流程：
- boot_get_kernel函数获取内核镜像在内存地址和大小：
- genimg_get_kernel_addr_fit获取内核真是地址，也就是我们传入的0x30000000参数；
- genimg_get_image解析0x30000000这个地址，如果这个地址位于dataflash storage，将会将内核镜像加载到RAM中；
-
genimg_get_format获取内核镜像头信息，它是在 zImage 之前加上一个长度为0x40的头信息(tag)（也就是说uImage 是一个二进制文件），在头信息内说明了该镜像文件的类型、加载 位置、生成时间、大小等信息；镜像文件的类型有多种：传统格式，FIT格式和安卓格式等；
- 然后初始化images.os.image_start和images.os.image_len，如果是FIT格式，还会初始化images中部分与fit相关的字段；
-
根据返回的头部信息指针，我们去获取到内核想信息并复制给images.os的各个成员，包括内核类型type，内核压缩方式comp，内核是什么操作系统os，内核要装载到内存的哪个位置load，内核是什么体系架构arch，为以后的工作做准备，这里要说明一下，现在内核所在的内存地址是uboot所指定，而内核启动的内存地址不一定在这里，是在laod成员所执行的地址，后面需要把整个镜像拷贝到这里；
- 最后将images.os.load赋值给images.ep，其实就是内核的启动地址了；
2.7 bootm_find_other
2.8 bootm_load_os
2.9 boot_fn
2.10 boot_selected_os
参考文章
[2][uboot] uboot启动kernel篇（二）——bootm跳转到kernel的流程
[4]S5PV210-uboot解析(五)-do_bootm函数分析
[5]Linux内核镜像格式