嵌入式linux开发uboot启动内核的机制(二)

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p_w_picpath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mkp_w_picpath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p_w_picpaths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 = (p_w_picpath_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 (&p_w_picpaths.legacy_hdr_os_copy, hdr, sizeof(p_w_picpath_header_t));//将内核的信息赋值给当前uboot启动内核的p_w_picpaths变量

p_w_picpaths.legacy_hdr_os = hdr;

p_w_picpaths.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p_w_picpaths进行赋值，指定内核版本和内核入口地址。

case IMAGE_FORMAT_LEGACY:

type = p_w_picpath_get_type (os_hdr);

comp = p_w_picpath_get_comp (os_hdr);

os = p_w_picpath_get_os (os_hdr);

p_w_picpath_end = p_w_picpath_get_p_w_picpath_end (os_hdr);

load_start = p_w_picpath_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p_w_picpaths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 *p_w_picpaths)

{

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 (p_w_picpaths->legacy_hdr_valid) {

ep = p_w_picpath_get_ep (&p_w_picpaths->legacy_hdr_os_copy);//获取p_w_picpaths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, p_w_picpaths, 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。