U-BOOT源码分析及移植(转)非常好

changjiesun

本文从以下几个方面粗浅地分析u-boot并移植到FS2410板上：
1、u-boot工程的总体结构
2、u-boot的流程、主要的数据结构、内存分配。
3、u-boot的重要细节，主要分析流程中各函数的功能。
4、基于FS2410板子的u-boot移植。实现了NOR Flash和NAND Flash启动,网络功能。　
这些认识源于自己移植u-boot过程中查找的资料和对源码的简单阅读。下面主要以smdk2410为分析对象。

一、u-boot工程的总体结构：
1、源代码组织
对于ARM而言，主要的目录如下：
board                  平台依赖         　存放电路板相关的目录文件,每一套板子对 应一个目录。如smdk2410(arm920t)
                                      　                                                                              
cpu                    平台依赖          　存放CPU相关的目录文件，每一款CPU对应一个目录，例如：arm920t、 xscale、                      i386等目录
lib_arm                平台依赖           　存放对ARM体系结构通用的文件，主要用于实现ARM平台通用的函数，如软件浮点。
common              通用          通用的多功能函数实现，如环境，命令，控制台相关的函数实现。
include                通用               头文件和开发板配置文件，所有开发板的配置文件都在configs目录                          
lib_generic         通用             通用库函数的实现
net                    通用                存放网络协议的程序
drivers              通用               通用的设备驱动程序，主要有以太网接口的驱动，nand驱动。
.......
2.makefile简要分析
所有这些目录的编译连接都是由顶层目录的makefile来确定的。
在执行make之前，先要执行make $(board)_config 对工程进行配置，以确定特定于目标板的各个子目录和头文件。
$(board)_config:是makefile 中的一个伪目标，它传入指定的CPU，ARCH，BOARD，SOC参数去执行mkconfig脚本。
这个脚本的主要功能在于连接目标板平台相关的头文件夹，生成config.h文件包含板子的配置头文件。
使得makefile能根据目标板的这些参数去编译正确的平台相关的子目录。
以smdk2410板为例,执行　make smdk2410_config,
主要完成三个功能：
@在include文件夹下建立相应的文件（夹）软连接，
#如果是ARM体系将执行以下操作：
#ln -s     asm-arm        asm   
#ln -s  arch-s3c24x0    asm-arm/arch
#ln -s   proc-armv       asm-arm/proc
@生成Makefile包含文件include/config.mk，内容很简单，定义了四个变量：
ARCH   = arm
CPU    = arm920t
BOARD  = smdk2410
SOC    = s3c24x0
@生成include/config.h头文件，只有一行：
/* Automatically generated - do not edit */
#include "config/smdk2410.h"
顶层makefile先调用各子目录的makefile，生成目标文件或者目标文件库。
然后再连接所有目标文件（库）生成最终的u-boot.bin。
连接的主要目标（库）如下：
OBJS  = cpu/$(CPU)/start.o
LIBS  = lib_generic/libgeneric.a
LIBS += board/$(BOARDDIR)/lib$(BOARD).a
LIBS += cpu/$(CPU)/lib$(CPU).a
ifdef SOC
LIBS += cpu/$(CPU)/$(SOC)/lib$(SOC).a
endif
LIBS += lib_$(ARCH)/lib$(ARCH).a
LIBS += fs/cramfs/libcramfs.a fs/fat/libfat.a fs/fdos/libfdos.a fs/jffs2/libjffs2.a \
fs/reiserfs/libreiserfs.a fs/ext2/libext2fs.a
LIBS += net/libnet.a
LIBS += disk/libdisk.a
LIBS += rtc/librtc.a
LIBS += dtt/libdtt.a
LIBS += drivers/libdrivers.a
LIBS += drivers/nand/libnand.a
LIBS += drivers/nand_legacy/libnand_legacy.a
LIBS += drivers/sk98lin/libsk98lin.a
LIBS += post/libpost.a post/cpu/libcpu.a
LIBS += common/libcommon.a
LIBS += $(BOARDLIBS)
显然跟平台相关的主要是：
cpu/$(CPU)/start.o
board/$(BOARDDIR)/lib$(BOARD).a　
cpu/$(CPU)/lib$(CPU).a
cpu/$(CPU)/$(SOC)/lib$(SOC).a　
lib_$(ARCH)/lib$(ARCH).a
这里面的四个变量定义在include/config.mk（见上述）。
其余的均与平台无关。
所以考虑移植的时候也主要考虑这几个目标文件（库）对应的目录。
关于u-boot 的makefile更详细的分析可以参照
http://blog.mcuol.com/User/lvembededsys/Article/4355_1.htm
。
3、u-boot的通用目录是怎么做到与平台无关的？
include/config/smdk2410.h   
这个头文件中主要定义了两类变量。
　一类是选项，前缀是CONFIG_，用来选择处理器、设备接口、命令、属性等，主要用来 决定是否编译某些文件或者函数。
另一类是参数，前缀是CFG_，用来定义总线频率、串口波特率、Flash地址等参数。这些常数参量主要用来支持通用目录中的代码，定义板子资源参数。
这两类宏定义对u-boot的移植性非常关键，比如drive/CS8900.c，对cs8900而言，很多操作都是通用的，但不是所有的板子上面都有这个芯片，即使有它在内存中映射的基地址也是平台相关的。所以对于smdk2410板，在smdk2410.h中定义了
#define CONFIG_DRIVER_CS8900 1              /* we have a CS8900 on-board */
#define CS8900_BASE　0x19000300              /*IO mode base address*/
CONFIG_DRIVER_CS8900的定义使得cs8900.c可以被编译（当然还得定义CFG_CMD_NET才行），因为cs8900.c中在函数定义的前面就有编译条件判断：#ifdef CONFIG_DRIVER_CS8900　如果这个选项没有定义，整个cs8900.c就不会被编译了。
而常数参量CS8900_BASE则用在cs8900.h头文件中定义各个功能寄存器的地址。u-boot的CS8900工作在IO模式下，只要给定IO寄存器在内存中映射的基地址，其余代码就与平台无关了。
  
u-boot的命令也是通过目标板的配置头文件来配置的，比如要添加ping命令，就必须添加CFG_CMD_NET和CFG_CMD_PING才行。不然common/cmd_net.c就不会被编译了。
从这里我可以这么认为，u-boot工程可配置性和移植性可以分为两层：
一是由makefile来实现，配置工程要包含的文件和文件夹上，用什么编译器。
二是由目标板的配置头文件来实现源码级的可配置性，通用性。主要使用的是#ifdef #else #endif 之类来实现的。

4、smkd2410其余重要的文件：
include/s3c24x0.h 　      定义了s3x24x0芯片的各个特殊功能寄存器（SFR）的地址。
cpu/arm920t/start.s         在flash中执行的引导代码,也就是bootloader中的stage1,负责初始化硬件环境，把u-boot从flash加载到RAM中去，然后跳到lib_arm/board.c中的start_armboot中去执行。
lib_arm/board.c　　        u-boot的初始化流程，尤其是u-boot用到的全局数据结构gd,bd的初始化，以及设备和控制台的初始化。
board/smdk2410/flash.c       在board目录下代码的都是严重依赖目标板，对于不同的CPU，SOC，ARCH，u-boot都有相对通用的代码，但是板子构成却是多样的，主要是内存地址，flash型号，外围芯片如网络。对fs2410来说，主要考虑从smdk2410板来移植，差别主要在nor flash上面。
二、u-boot的流程、主要的数据结构、内存分配
1、u-boot的启动流程：
　　从文件层面上看主要流程是在两个文件中：cpu/arm920t/start.s，lib_arm/board.c，　
　　1)start.s　
   在flash中执行的引导代码,也就是bootloader中的stage1,负责初始化硬件环境，把u-boot从flash加载到RAM中去，然后跳到lib_arm/board.c中的start_armboot中去执行。
1.1.6版本的start.s流程：
硬件环境初始化：
   　　进入svc模式;关闭watch dog;屏蔽所有IRQ掩码;设置时钟频率FCLK、HCLK、PCLK;清I/D cache;禁止MMU和CACHE;配置memory control;
重定位：
   　　如果当前代码不在连接指定的地址上（对smdk2410是0x3f000000）则需要把u-boot从当前位置拷贝到RAM指定位置中；
建立堆栈，堆栈是进入C函数前必须初始化的。
清.bss区。
跳到start_armboot函数中执行。（lib_arm/board.c）
2)lib_arm/board.c:
  　start_armboot是U-Boot执行的第一个C语言函数，完成系统初始化工作，进入主循环，处理用户输入的命令。这里只简要列出了主要执行的函数流程：
   void start_armboot (void)
   {
       //全局数据变量指针gd占用r8。
          DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
         
          /* 给全局数据变量gd安排空间*/
          gd = (gd_t*)(_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));
          memset ((void*)gd, 0, sizeof (gd_t));
         
          /* 给板子数据变量gd->bd安排空间*/
          gd->bd = (bd_t*)((char*)gd - sizeof(bd_t));
          memset (gd->bd, 0, sizeof (bd_t));
          monitor_flash_len = _bss_start - _armboot_start;//取u-boot的长度。
         
          /* 顺序执行init_sequence数组中的初始化函数 */
          for (init_fnc_ptr = init_sequence; *init_fnc_ptr; ++init_fnc_ptr) {
                 if ((*init_fnc_ptr)() != 0) {
                         hang ();
                 }
          }
         
          /*配置可用的Flash */
          size = flash_init ();
       　……
          /* 初始化堆空间 */
          mem_malloc_init (_armboot_start - CFG_MALLOC_LEN);
          /* 重新定位环境变量， */
          env_relocate ();
          /* 从环境变量中获取IP地址 */
          gd->bd->bi_ip_addr = getenv_IPaddr ("ipaddr");
          /* 以太网接口MAC 地址 */
          ……
          devices_init ();      /* 设备初始化 */
          jumptable_init ();  //跳转表初始化
          console_init_r ();    /* 完整地初始化控制台设备 */
          enable_interrupts (); /* 使能中断处理 */
          /* 通过环境变量初始化 */
          if ((s = getenv ("loadaddr")) != NULL) {
                  load_addr = simple_strtoul (s, NULL, 16);
          }
          /* main_loop()循环不断执行 */
          for (;;) {
                  main_loop ();      /* 主循环函数处理执行用户命令 -- common/main.c */
          }
   }
初始化函数序列init_sequence[]
  init_sequence[]数组保存着基本的初始化函数指针。这些函数名称和实现的程序文件在下列注释中。
   
  init_fnc_t *init_sequence[] = {
         cpu_init,             /* 基本的处理器相关配置 -- cpu/arm920t/cpu.c */
         board_init,           /* 基本的板级相关配置 -- board/smdk2410/smdk2410.c */
         interrupt_init,       /* 初始化例外处理 -- cpu/arm920t/s3c24x0/interrupt.c */
         env_init,             /* 初始化环境变量 -- common/env_flash.c */
         init_baudrate,        /* 初始化波特率设置 -- lib_arm/board.c */
         serial_init,          /* 串口通讯设置 -- cpu/arm920t/s3c24x0/serial.c */
         console_init_f,       /* 控制台初始化阶段1 -- common/console.c */
         display_banner,       /* 打印u-boot信息 -- lib_arm/board.c */
         dram_init,            /* 配置可用的RAM -- board/smdk2410/smdk2410.c */
         display_dram_config,  /* 显示RAM的配置大小 -- lib_arm/board.c */
         NULL,
  };
整个u-boot的执行就进入等待用户输入命令，解析并执行命令的死循环中。
2、u-boot主要的数据结构
u-boot的主要功能是用于引导OS的，但是本身也提供许多强大的功能，可以通过输入命令行来完成许多操作。所以它本身也是一个很完备的系统。u-boot的大部分操作都是围绕它自身的数据结构，这些数据结构是通用的，但是不同的板子初始化这些数据就不一样了。所以u-boot的通用代码是依赖于这些重要的数据结构的。这里说的数据结构其实就是一些全局变量。
　1）gd　全局数据变量指针，它保存了u-boot运行需要的全局数据，类型定义：
　typedef struct global_data {
           bd_t  *bd;      //board data pointor板子数据指针
           unsigned long flags; 　//指示标志，如设备已经初始化标志等。
           unsigned long baudrate; //串口波特率
           unsigned long have_console; /* 串口初始化标志*/
           unsigned long reloc_off;   /* 重定位偏移，就是实际定向的位置与编译连接时指定的位置之差，一般为0 */
           unsigned long env_addr; /* 环境参数地址*/
           unsigned long env_valid; /* 环境参数CRC检验有效标志 */
           unsigned long fb_base; /* base address of frame buffer */
          　#ifdef CONFIG_VFD
           unsigned char vfd_type; /* display type */
          　#endif
           void  **jt;  /* 跳转表，1.1.6中用来函数调用地址登记 */
          } gd_t;
  2)bd 板子数据指针。板子很多重要的参数。 类型定义如下：   
   typedef struct bd_info {
             int   bi_baudrate;     /* 串口波特率 */
             unsigned long bi_ip_addr;   /* IP 地址 */
             unsigned char bi_enetaddr[6]; /* MAC地址*/
             struct environment_s        *bi_env;
             ulong         bi_arch_number; /* unique id for this board */
             ulong         bi_boot_params; /* 启动参数 */
             struct    /* RAM 配置 */
             {
            ulong start;
            ulong size;
             }bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS];
         } bd_t;
  3)环境变量指针 env_t *env_ptr = (env_t *)(&environment[0]);(common/env_flash.c)
  　env_ptr指向环境参数区，系统启动时默认的环境参数environment[]，定义在common/environment.c中。　
  　参数解释：
    bootdelay 定义执行自动启动的等候秒数
    baudrate 定义串口控制台的波特率
    netmask 定义以太网接口的掩码
    ethaddr 定义以太网接口的MAC地址
    bootfile 定义缺省的下载文件
    bootargs 定义传递给Linux内核的命令行参数
    bootcmd 定义自动启动时执行的几条命令
    serverip 定义tftp服务器端的IP地址
    ipaddr 定义本地的IP地址
    stdin 定义标准输入设备，一般是串口
    stdout 定义标准输出设备，一般是串口
    stderr 定义标准出错信息输出设备，一般是串口
  4）设备相关：
   标准IO设备数组?evice_t *stdio_devices[] = { NULL, NULL, NULL };
   设备列表　　　　list_t    devlist = 0;
   device_t的定义：include\devices.h中：
    typedef struct {
     int flags;    　　　　　 /* Device flags: input/output/system */
     int ext;      　　　　　/* Supported extensions   */
     char name[16];   　　　　　/* Device name    */   
    /* GENERAL functions */   
     int (*start) (void);  　　　/* To start the device   */
     int (*stop) (void);  　　　　/* To stop the device   */   
    /* 输出函数 */   
     void (*putc) (const char c); /* To put a char   */
     void (*puts) (const char *s); /* To put a string (accelerator) */   
    /* 输入函数 */   
     int (*tstc) (void);  　　　　/* To test if a char is ready... */
     int (*getc) (void);  　　　　/* To get that char   */   
    /* Other functions */   
     void *priv;   　　　　　　　/* Private extensions   */
    } device_t;
  　u-boot把可以用为控制台输入输出的设备添加到设备列表devlist,并把当前用作标准IO的设备指针加入stdio_devices数组中。
  　在调用标准IO函数如printf()时将调用stdio_devices数组对应设备的IO函数如putc()。
     5)命令相关的数据结构，后面介绍。
     6)与具体设备有关的数据结构，
     　如flash_info_t flash_info[CFG_MAX_FLASH_BANKS];记录nor flash的信息。
     　nand_info_t nand_info[CFG_MAX_NAND_DEVICE];　nand flash块设备信息
3、u-boot重定位后的内存分布：
　　　对于smdk2410,RAM范围从0x30000000~0x34000000. u-boot占用高端内存区。从高地址到低地址内存分配如下：

　显示缓冲区                (.bss_end~34000000)
     u-boot(bss,data,text)  (33f00000~.bss_end)
     heap(for malloc)
     gd(global data)
     bd(board data)
     stack                        
     ....
     nor flash                      (0~2M)


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