同大多数的Bootloader一样，uboot的启动过程也分为BL1、BL2两个阶段，分别对应着SPL和Uboot。- SPL（BL1阶段）：负责开发板的基础配置和设备初始化，并且搬运Uboot到内存中，由汇编代码和少量的C语言实现
- Uboot（BL2阶段）：主要负责初始化外部设备，引导Kernel启动，由纯C语言实现。
本文主要介绍Uboot（BL2阶段）的启动流程，关于BL1阶段启动流程的详细分析，可以见我的后续文章。想要深入了解的，可以好好研究下！
我们先总体来看一下Uboot的执行步骤，这里以EMMC作为启动介质，进行分析！
无论是哪种启动介质，基本流程都相似，我们这就往下看！
打开图片，结合文档、图片、代码进行理解！
u-boot.lds：是uboot工程的链接脚本文件，对于工程的编译和链接有非常重要的作用，决定了uboot的组装，并且u-boot.lds链接文件中的ENTRY(_start)指定了uboot程序的入口地址。
如果不知道u-boot.lds放到在哪里，可以通过find -name u-boot.lds查找，根目录要进入到uboot的源码的位置哦！
如果查找结果有很多，结合自己的板子信息，确定自己使用的u-boot.lds。
当然，准确的方法是查看Makefile文件，分析出来u-boot.lds所生成的位置。
在u-boot.lds的文件中，可以看到.text段，存放的就是执行的文本段。截取部分代码段如下：
OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
. = 0x00000000; @起始地址
. = ALIGN(4); @四字节对齐
.text :
{
*(.__image_copy_start) @映像文件复制起始地址
*(.vectors) @异常向量表
arch/arm/cpu/armv7/start.o (.text*) @启动函数
}
......
}
ENTRY(_start)：程序的入口函数，_start在arch/arm/lib/vectors.S中定义.globl _start
SECTIONS定义了段，包括text文本段、data数据段、bss段等。
__image_copy_start在System.map和u-boot.map中均有定义
arch/arm/cpu/armv7/start.o对应文件arch/arm/cpu/armv7/start.S，该文件中定义了main函数的入口。
Tip：上面只进行大概分析，有汇编经验的朋友，可以详细进行分析！
跟随上文的程序执行流程图，我们看board_init_f这个函数。其位于common/board_f.c。
void board_init_f(ulong boot_flags)
{
gd->flags = boot_flags;
gd->have_console = 0;
if (initcall_run_list(init_sequence_f))
hang();
}
static const init_fnc_t init_sequence_f[] = {
setup_mon_len,
...
log_init,
arch_cpu_init, /* basic arch cpu dependent setup */
env_init, /* initialize environment */
...
reloc_fdt,
reloc_bootstage,
reloc_bloblist,
setup_reloc,
...
}
board_init_f()，其最核心的内容就是调用了init_sequence_f初始化序列，进行了一系列初始化的工作。
主要包括：串口、定时器、设备树、DM驱动模型等，另外还包括global_data结构体相关对象的变量。
详细分析，可以看文末的参考文章[1]
我们需要注意的一点就是，在初始化队列末尾，执行了几个reloc_xxx的函数，这几个函数实现了Uboot的重定向功能。
重定向技术，可以说也算是Uboot的一个重点了，也就是将uboot自身镜像拷贝到ddr上的另外一个位置的动作。
一般需要重定向的条件如下：
Uboot的重定向有如下几个步骤：
运行大致流程：
arch/arm/lib/crt0.S文件内，主要实现了：
ENTRY(_main)
bl board_init_f
@@ 在board_init_f里面实现了
@@ （1）对relocate进行空间规划
@@ （2）计算uboot代码空间到relocation的位置的偏移
@@ （3）relocate旧的global_data到新的global_data的空间上
ldr sp, [r9, #GD_START_ADDR_SP] /* sp = gd->start_addr_sp */
bic sp, sp, #7 /* 8-byte alignment for ABI compliance */
ldr r9, [r9, #GD_BD] /* r9 = gd->bd */
sub r9, r9, #GD_SIZE /* new GD is below bd */
@@ 把新的global_data地址放在r9寄存器中
adr lr, here
ldr r0, [r9, #GD_RELOC_OFF] /* r0 = gd->reloc_off */
add lr, lr, r0
@@ 计算返回地址在新的uboot空间中的地址。b调用函数返回之后，就跳到了新的uboot代码空间中。
ldr r0, [r9, #GD_RELOCADDR] /* r0 = gd->relocaddr */
@@ 把uboot的新的地址空间放到r0寄存器中，作为relocate_code的参数
b relocate_code
@@ 跳转到relocate_code中，在这里面实现了
@@ （1）relocate旧的uboot代码空间到新的空间上去
@@ （2）修改relocate之后全局变量的label
@@ 注意，由于上述已经把lr寄存器重定义到uboot新的代码空间中了，所以返回之后，就已经跳到了新的代码空间了！！！！！！
bl relocate_vectors
@@ relocate中断向量表
在这里我们说明一下board_init_f里面的setup_reloc初始化函数
static int setup_reloc(void)
{
if (gd->flags & GD_FLG_SKIP_RELOC) {
debug("Skipping relocation due to flag\n");
return 0;
}
#ifdef CONFIG_SYS_TEXT_BASE
#ifdef ARM
gd->reloc_off = gd->relocaddr - (unsigned long)__image_copy_start;
#elif defined(CONFIG_M68K)
/*
* On all ColdFire arch cpu, monitor code starts always
* just after the default vector table location, so at 0x400
*/
gd->reloc_off = gd->relocaddr - (CONFIG_SYS_TEXT_BASE + 0x400);
#elif !defined(CONFIG_SANDBOX)
gd->reloc_off = gd->relocaddr - CONFIG_SYS_TEXT_BASE;
#endif
#endif
memcpy(gd->new_gd, (char *)gd, sizeof(gd_t));
debug("Relocation Offset is: %08lx\n", gd->reloc_off);
if (is_debug_open()) {
printf("Relocating to %08lx, new gd at %08lx, sp at %08lx\n",
gd->relocaddr, (ulong)map_to_sysmem(gd->new_gd),
gd->start_addr_sp);
}
return 0;
}
由于，Uboot进行了重定向，所以按照常规的地址仿真的话，我们可能访问到错误的内存空间，通过setup_reloc的Relocating to %08lx打印，我们可以得到重定向后的地址，方便我们仿真。
Uboot的重定向也有相当大的一部分知识点，上面也仅仅是简单介绍了relocate的基本步骤和流程，后续看大家需要，如果大家想了解，我再补上这一部分。
总之，Uboot重定向之后，把Uboot整体搬运到了高端内存区，为Kernel的加载提供空间，避免内存践踏。
我们接着跟着流程图往下看，重定向之后，Uboot运行于新的地址空间，接着我们执行board_init_r，主要作为Uboot运行的最后初始化步骤。
board_init_r这个函数，同样位于common/board_f.c，主要用于初始化各类外设信息
void board_init_r(gd_t *new_gd, ulong dest_addr)
{
if (initcall_run_list(init_sequence_r))
hang();
/* NOTREACHED - run_main_loop() does not return */
hang();
}
static init_fnc_t init_sequence_r[] = {
initr_reloc,
initr_reloc_global_data,
board_init, /* Setup chipselects */
initr_dm,
initr_mmc,
...
run_main_loop
}
与board_init_f相同，同样有一个init_sequence_r初始化列表，包括：initr_dmDM模型初始化，initr_mmcMMC驱动初始化，等等。
最终，uboot就运行到了run_main_loop，进而执行main_loop这个函数。
该函数为Uboot的最终执行函数，无论是加载kernel还是uboot的命令行体系，均由此实现。
void main_loop(void)
{
const char *s;
bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_MAIN_LOOP, "main_loop");
if (IS_ENABLED(CONFIG_VERSION_VARIABLE))
env_set("ver", version_string); /* set version variable */
cli_init();
if (IS_ENABLED(CONFIG_USE_PREBOOT))
run_preboot_environment_command();
if (IS_ENABLED(CONFIG_UPDATE_TFTP))
update_tftp(0UL, NULL, NULL);
s = bootdelay_process();
if (cli_process_fdt(&s))
cli_secure_boot_cmd(s);
autoboot_command(s);
cli_loop();
panic("No CLI available");
}
env_set：设置环境变量，两个参数分别为name和value
cli_init：用于初始化hash shell的一些变量
run_preboot_environment_command：执行预定义的环境变量的命令
bootdelay_process：加载延时处理，一般用于Uboot启动后，有几秒的倒计时，用于进入命令行模式。
cli_loop：命令行模式，主要作用于Uboot的命令行交互。
记得对照文章开始的执行流程图哦！
详细解释标注于代码中......
const char *bootdelay_process(void)
{
char *s;
int bootdelay;
bootcount_inc();
s = env_get("bootdelay"); //先判断是否有bootdelay环境变量，如果没有，就使用menuconfig中配置的CONFIG_BOOTDELAY时间
bootdelay = s ? (int)simple_strtol(s, NULL, 10) : CONFIG_BOOTDELAY;
if (IS_ENABLED(CONFIG_OF_CONTROL)) //是否使用设备树进行配置
bootdelay = fdtdec_get_config_int(gd->fdt_blob, "bootdelay",
bootdelay);
debug("### main_loop entered: bootdelay=%d\n\n", bootdelay);
if (IS_ENABLED(CONFIG_AUTOBOOT_MENU_SHOW))
bootdelay = menu_show(bootdelay);
bootretry_init_cmd_timeout();
#ifdef CONFIG_POST
if (gd->flags & GD_FLG_POSTFAIL) {
s = env_get("failbootcmd");
} else
#endif /* CONFIG_POST */
if (bootcount_error())
s = env_get("altbootcmd");
else
s = env_get("bootcmd"); //获取bootcmd环境变量，用于后续的命令执行
if (IS_ENABLED(CONFIG_OF_CONTROL))
process_fdt_options(gd->fdt_blob);
stored_bootdelay = bootdelay;
return s;
}
详细解释标注于代码中......
void autoboot_command(const char *s)
{
debug("### main_loop: bootcmd=\"%s\"\n", s ? s : "");
if (stored_bootdelay != -1 && s && !abortboot(stored_bootdelay)) {
bool lock;
int prev;
lock = IS_ENABLED(CONFIG_AUTOBOOT_KEYED) &&
!IS_ENABLED(CONFIG_AUTOBOOT_KEYED_CTRLC);
if (lock)
prev = disable_ctrlc(1); /* disable Ctrl-C checking */
run_command_list(s, -1, 0);
if (lock)
disable_ctrlc(prev); /* restore Ctrl-C checking */
}
if (IS_ENABLED(CONFIG_USE_AUTOBOOT_MENUKEY) &&
menukey == AUTOBOOT_MENUKEY) {
s = env_get("menucmd");
if (s)
run_command_list(s, -1, 0);
}
}
我们看一下判断条件stored_bootdelay != -1 && s && !abortboot(stored_bootdelay
stored_bootdelay：为环境变量的值，或者menuconfig设置的值
s：为环境变量bootcmd的值，为后续运行的指令
abortboot(stored_bootdelay)：主要用于判断是否有按键按下。如果按下，则不执行bootcmd命令，进入cli_loop 命令行模式；如果不按下，则执行bootcmd命令，跳转到加载Linux启动。
void cli_loop(void)
{
bootstage_mark(BOOTSTAGE_ID_ENTER_CLI_LOOP);
#ifdef CONFIG_HUSH_PARSER
parse_file_outer();
/* This point is never reached */
for (;;); //死循环
#elif defined(CONFIG_CMDLINE)
cli_simple_loop();
#else
printf("## U-Boot command line is disabled. Please enable CONFIG_CMDLINE\n");
#endif /*CONFIG_HUSH_PARSER*/
}
如上代码，程序只执行parse_file_outer来处理用户的输入、输出信息。
好啦，基本到这里，我们已经对Uboot的启动流程了然于胸了吧！
当然，更深层次的不建议去深入了解，有时间可以慢慢去研究。
大家有疑问，可以评论区交流......
参考文章：
[1] boadr_init_f介绍：https://blog.csdn.net/qq_34591581/article/details/104101598
[2] 启动流程参考：https://blog.csdn.net/ooonebook/article/details/53070065
[3] main_loop相关：https://blog.csdn.net/monkea123/article/details/103148946
