嵌入式linux开发uboot移植（四）——uboot启动内核的机制
一、嵌入式系统的分区
嵌入式系统部署在Flash设备上时，对于不同SoC和Flash设备，bootloader、kernel、rootfs的分区是不同的。三星S5PV210规定启动设备的分区方案如下：
SD/MMC设备的分区方案：
NandFlash设备的分区方案：
嵌入式系统在启动时，uboot、kernel、rootfs不能随意存放，必须存放在规划好的相应分区，在启动过程中uboot、kernel会到相应分区加载相应内容，确保正常启动，因此嵌入式系统中，uboot和kernel规划的分区和启动设备中uoot、kernel、rootfs的实际存储分区是一致的。在嵌入式系统的启动过程中，开机时uboot运行在SoC内部的SRAM中，uboot会在BL1阶段将整个uboot拷贝到SDRAM中0xC3E00000并远跳转到SDRAM中的BL2运行。Uboot启动kernel时，同样会将kernel从启动设备拷贝到SDRAM中的指定kernel链接位置，最终跳转到kernel运行。
二、uboot支持的内核kernel格式
Linux krenel经过编译后会生成名称为vmlinux或vmlinuz的ELF格式文件，嵌入式系统在部署时烧录的文件格式需要用objcopy工具去制作成烧录镜像格式文件Image。但由于Image太大，因此linux kernel项目对Image进行了压缩，并且在image压缩后的文件的前端附加了一部分解压缩代码，构成压缩镜像格式zImage。同时，uboot自身为了支持linux kernel的启动，在zImage压缩镜像的基础上增加了64字节的头信息，使用uboot自带的mkimage工具生成了uboot自身的压缩镜像格式uImage。在SMDK210的uboot版本中是同时支持zImage和uImage两种压缩镜像格式的。
三、uboot启动内核流程源码分析
uboot启动内核时实际是用\common\cmd_bootm.c中的do_bootm函数来实现的。
do_bootm函数中通过使用条件编译控制CONFIG_ZIMAGE_BOOT宏开关来实现uboot对于zImage压缩镜像的支持与取消支持。
1、do_bootm对zImage的解析
通过读取zImage的头部的第36字节开始的四个字节与LINUX_ZIMAGE_MAGIC（0x016f2818）标志位对比，如果相等则当前的kernel是zImage。如果当前kernel是zImage，则打印出”Boot with zImage”，并对当前uboot启动内核镜像的变量images进行赋值，指定内核版本和内核入口地址。
#define LINUX_ZIMAGE_MAGIC0x016f2818
if (argc < 2) {
addr = load_addr;//如果不指定内核地址，则使用CFG_LOAD_ADDR
} else {
addr = simple_strtoul(argv[1], NULL, 16);//使用指定内核地址
}
if (*(ulong *)(addr + 9*4) == LINUX_ZIMAGE_MAGIC) {//如果当前kernel是zImage
printf("Boot with zImage\n");//打印信息
addr = virt_to_phys(addr);//将虚拟地址转换为物理地址
hdr = (image_header_t *)addr;//将内核地址指定到结构体种?
hdr->ih_os = IH_OS_LINUX;//指定内核版本
hdr->ih_ep = ntohl(addr);//指定内核入口
memmove (&images.legacy_hdr_os_copy, hdr, sizeof(image_header_t));//将内核的信息赋值给当前uboot启动内核的images变量
images.legacy_hdr_os = hdr;
images.legacy_hdr_valid = 1;
goto after_header_check;
}
2、do_bootm对uImage的支持
使用boot_get_kernel函数校验uImage的头信息，将其中的标志位与
IH_MAGIC（0x27051956）对比，如果相等则当前kernel是uImage，打印信息
## Booting kernel from Legacy Image at XXXXXX。将得到的uImage头信息对当前uboot启动内核镜像的变量images进行赋值，指定内核版本和内核入口地址。
case IMAGE_FORMAT_LEGACY:
type = image_get_type (os_hdr);
comp = image_get_comp (os_hdr);
os = image_get_os (os_hdr);
image_end = image_get_image_end (os_hdr);
load_start = image_get_load (os_hdr);
break;
3、do_bootm_linux启动内核
do_bootm_linux函数位于uboot/lib_arm/bootm.c中，函数的主要功能是获取环境变量中的内核传递参数，获取当前uboot启动kernel的images变量中的kernel入口地址，获取uboot中的机器码，准备向kernel传递的参数，最后跳转到kernel执行，uboot执行完毕。uboot在执行完成前打印了”Starting kernel ...”信息。如果uboot实际启动kernel过程中打印出了”Starting kernel ...”信息，则表明uboot在加载、校验kernel是正确的。如果uboot最终启动kenel失败，则大部分原因是uboot向内核传递参数错误导致的。
void do_bootm_linux (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[],
bootm_headers_t *images)
{
ulonginitrd_start, initrd_end;
ulongep = 0;
bd_t*bd = gd->bd;
char*s;
intmachid = bd->bi_arch_number;//uboot的机器码
void(*theKernel)(int zero, int arch, uint params);
intret;
#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
char *commandline = getenv ("bootargs");//获取环境变量中的内核传递参数变量
#endif
if (images->legacy_hdr_valid) {
ep = image_get_ep (&images->legacy_hdr_os_copy);//获取images变量中的内核入口地址
} else {
puts ("Could not find kernel entry point!\n");
goto error;
}
theKernel = (void (*)(int, int, uint))ep;
s = getenv ("machid");//环境变量中的机器码
if (s) {//如果环境变量中定义了机器码变量，使用环境变量中的机器码
machid = simple_strtoul (s, NULL, 16);
printf ("Using machid 0x%x from environment\n", machid);
}
ret = boot_get_ramdisk (argc, argv, images, IH_ARCH_ARM,
&initrd_start, &initrd_end);
if (ret)
goto error;
show_boot_progress (15);
//uboot准备给kernel传递参数
#if defined (CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || \
defined (CONFIG_CMDLINE_TAG) || \
defined (CONFIG_INITRD_TAG) || \
defined (CONFIG_SERIAL_TAG) || \
defined (CONFIG_REVISION_TAG) || \
defined (CONFIG_LCD) || \
defined (CONFIG_VFD) || \
defined (CONFIG_MTDPARTITION)
setup_start_tag (bd);
#ifdef CONFIG_SERIAL_TAG
setup_serial_tag (ms);
#endif
#ifdef CONFIG_REVISION_TAG
setup_revision_tag (ms);
#endif
#ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS
setup_memory_tags (bd);
#endif
#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
setup_commandline_tag (bd, commandline);
#endif
#ifdef CONFIG_INITRD_TAG
if (initrd_start && initrd_end)
setup_initrd_tag (bd, initrd_start, initrd_end);
#endif
#if defined (CONFIG_VFD) || defined (CONFIG_LCD)
setup_videolfb_tag ((gd_t *) gd);
#endif
#ifdef CONFIG_MTDPARTITION
setup_mtdpartition_tag();
#endif
setup_end_tag (bd);
#endif
printf ("\nStarting kernel ...\n\n");//打印信息Starting kernel ...
#ifdef CONFIG_USB_DEVICE
{
extern void udc_disconnect (void);
udc_disconnect ();
}
#endif
cleanup_before_linux ();
theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params);//跳转到kernel执行
return;
error:
do_reset (cmdtp, flag, argc, argv);
return;
}
四、uboot的传参机制
1、uboot传参机制
uboot使用tag方式传参，tag是一种数据结构，与linux kernel中的tag是相同的数据结构。tag结构体包含tag_header和tag_xxxx成员，tag_header结构体包含tag的大小和类型编码，kernel接收到tag参数后根据头信息中类型编码确定tag的类型。
struct tag {
struct tag_header hdr;
union {
struct tag_core core;
struct tag_mem32 mem;
struct tag_videotext videotext;
struct tag_ramdisk ramdisk;
struct tag_initrd initrd;
struct tag_serialnr serialnr;
struct tag_revision revision;
struct tag_videolfb videolfb;
struct tag_cmdline cmdline;
struct tag_acorn acorn;
struct tag_memclk memclk;
struct tag_mtdpart mtdpart_info;
} u;
};
struct tag_header {
u32 size;
u32 tag;
};
uboot传参源码：
#if defined (CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || \
defined (CONFIG_CMDLINE_TAG) || \
defined (CONFIG_INITRD_TAG) || CONFIG_MTDPARTITION
setup_start_tag (bd);
#ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS
setup_memory_tags (bd);
#endif
#ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
setup_commandline_tag (bd, commandline);
#endif
#ifdef CONFIG_INITRD_TAG
if (initrd_start && initrd_end)
setup_initrd_tag (bd, initrd_start, initrd_end);
#endif
#ifdef CONFIG_MTDPARTITION
setup_mtdpartition_tag();
#endif
setup_end_tag (bd);
#endif
起始tag是ATAG_CORE类型，结束tag是ATAG_NONE类型，其他类型的tag是有效信息，环境变量bootargs传递给CONFIG_CMDLINE_TAG类型tag。环境变量mtdpart存放的启动设备分区表信息传递给ATAG_MTDPART类型tag。
uboot通过调用theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params)函数启动内核，theKernel函数的三个参数通过寄存器来传参，第1个参数0存放在R0中，第2个参数机器码存放在R1中，第3个参数bd->bi_boot_params（传参tag的首地址）存放在R2中。
2、bootargs参数解读
bootargs是uboot中最重要的变量，uboot的环境变量的设置最终都是通过bootargs传递给kernel的。
bootargs参数各部分解读如下：
A、root
用来指定rootfs的位置， 常见的情况有:
root=/dev/ram rw
root=/dev/ram0 rw
root=/dev/mtdx rw
root=/dev/mtdblockx rw
root=/dev/nfs，在文件系统为基于nfs的文件系统的时候使用。指定root=/dev/nfs后，需要指定nfsroot=serverip:nfs_dir。
B、rootfstype
和root配合使用，一般如果根文件系统是ext2，选项可有可无，如果是jffs2,squashfs等文件系统的话，就需要rootfstype指明文件系统的类型，不然无法挂载根分区。
C、console
console=tty<n> 使用虚拟串口终端设备 <n>
console=ttyS<n>[,options] 使用特定的串口<n>，options可以是这样的形式bbbbpnx，这里bbbb是指串口的波特率，p是奇偶校验位，n是指的bits。
console=ttySAC<n>[,options] 同上面。
D、mem
mem=xxM 指定内存的大小，非必须选项
E、ramdisk_size
ramdisk=xxxxx 不推荐
ramdisk_size=xxxxx 推荐
ramdisk 驱动，创建的ramdisk的size，默认情况下是4M
F、 initrd, noinitrd
如果没有使用ramdisk启动系统，则需要使用noinitrd参数。如果使用了ramdisk启动系统，就需要指定initrd=r_addr,size, r_addr表示initrd在内存中的位置，size表示initrd的大小。
G、init
init指定内核启动后，进入系统中运行的第一个脚本，一般init=/linuxrc, 或者init=/etc/preinit，preinit的内容一般是创建console,null设备节点，运行init程序，挂载一些文件系统等等操作。
H、mtdparts
mtdparts=fc000000.nor_flash:1920k(linux),128k(fdt),20M(ramdisk),4M(jffs2),38272k(user),256k(env),384k(uboot)
mtdparts参数需要内核中的mtd驱动支持，即内核配置时需要选上Device Drivers ---> Memory Technology Device (MTD) support ---> Command line partition table parsing
mtdparts的格式如下：
mtdparts=<mtddef>[;<mtddef]
<mtddef> := <mtd-id>:<partdef>[,<partdef>]
<partdef> := <size>[@offset][<name>][ro]
<mtd-id> := unique id used in mapping driver/device
<size> := standard linux memsize OR "-" to denote all remaining space
<name> := (NAME)
mtdparts使用的设置格式：
mtdparts=mtd-id:<size1>@<offset1>(<name1>),<size2>@<offset2>(<name2>)
mtd-id 必须跟当前平台的flash的mtd-id一致，否则整个mtdparts会失效
size设置的时候可以为实际的size(xxM,xxk,xx)，也可以用'-'表示剩余的所有空间。
假设flash 的mtd-id是sc1200，那么你可以使用下面的方式来设置：
mtdparts=sc1200:- → 只有一个分区
mtdparts=sc1200:256k(ARMboot)ro,-(root) → 有两个分区
I、ip
指定系统启动后网卡的ip地址，如果使用了基于nfs的文件系统，必须要指定ip参数。设置ip有两种方法：
ip = ip addr
ip=ip addr:server ip addr:gateway:netmask::which netcard:off
which netcard 是指开发板上的网卡，而不是主机上的网卡。
几种常见的bootargs的使用设置如下：
假设文件系统是ramdisk，且直接就在内存中，bootargs的设置如下：
setenv bootargs ‘initrd=0x32000000,0xa00000 root=/dev/ram0 console=ttySAC0 mem=64M init=/linuxrc’
假设文件系统是ramdisk，且在flash中，bootargs的设置如下：
setenv bootargs ‘mem=32M console=ttyS0,115200 root=/dev/ram rw init=/linuxrc’
需要在bootm命令中指定ramdisk在flash中的地址，如bootm kernel_addr ramdisk_addr (fdt_addr)
假设文件系统是jffs2类型的，且在flash中，bootargs的设置应该如下
setenv bootargs ‘mem=32M console=ttyS0,115200 noinitrd root=/dev/mtdblock2 rw rootfstype=jffs2 init=/linuxrc’
假设文件系统是基于nfs的，bootargs的设置应该如下
setenv bootargs ‘noinitrd mem=64M console=ttySAC0 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.0.3:/nfs ip=192.168.0.5:192.168.0.3:192.168.0.3:255.255.255.0::eth0:off’
或者
setenv bootargs ‘noinitrd mem=64M console=ttySAC0 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.0.3:/nfs ip=192.168.0.5’
bootargs参数的设置极其灵活，需要根据平台灵活设置。