uboot学习之五-----uboot如何启动Linux内核

uboot和内核到底是什么？
uboot实质就是一个复杂的裸机程序；uboot可以被配置也可以做移植；

操作系统内核本身就是一个裸机程序，和我们学的uboot和其他裸机程序没有本质的区别；区别就是我们操作系统运行起来后可以分为应用层和内核层，分层后，两层的权限不同，内存访问和设备操作的管理上更加精细(内核可以随便方位各种硬件，而应用程序只能被限制的访问硬件和内存地址)

直观来看：uboot的镜像是u-boot.bin,Linux系统的镜像是zImage，这两个东西其实都是两个裸机程序镜像。从系统启动的角度来讲的。内核和uboot就是裸机程序；

部署在SD卡中特定分区内
(1)一个完整的软件+硬件的嵌入式系统，静止时（未上电）bootloader、kernel、rootfs等必须的软件都以镜像的形式存储在启动介质中（x210中是inand/SD卡）；运行时都是在DDR内存中运行的，与存储介质无关。上面两个状态都是稳定状态的，第三个状态是动态过程，即从静止态到运行态的过程，也就是启动过程。也就是这整个过程。
(2)动态启动过程就是从SD卡逐步搬移到DDR内存，并且运行启动代码进行相关硬件初始化和软件架构的建立，最终达到运行时稳定状态。
(3)静止时u-boot.bin zImage rootfs都在SD卡中，他们不可能随意存在SD卡的任意位置，因此我们需要对SD卡进行一个分区，然后将各种镜像各自存在各自的分区中，这样在启动过程中，uboot、内核等就知道到哪里去找谁。（uboot和内核的分区表必须一致，同时和SD卡的实际使用的分区要一致）

运行时必须先加载到DDR中链接地址处
uboot在第一阶段中进行重定位时将第二阶段（整个uboot镜像）加载到DDR中的0xc3e00000地址处，这个地址就是uboot的连接地址。
（2）内核也有类似的要求，uboot启动内核时将内核从SD卡读取到DDR中(其实就是重定位过程)，不能随意放，必须放在内核的链接地址处，否则启动不起来，譬如我们用的内核连接地址是0x300080000

内核启动需要必要的启动参数
(1)内核是不能开机自动完全从零开始启动的，内核启动需要别人帮忙。uboot要帮助内核实现重定位（从SD卡到DDR ）uboot还要给内核提供启动参数。

启动内核第一步:加载内核到DDR中
uboot要启动内核，分为2个步骤：第一步是将内核镜像从启动介质中加载到DDR中，第二步是去DDR中启动内核镜像。（内核代码根本就没考虑重定位，因为内核知道有bootloader帮忙把自己加载到DDR中链接地址处，内核就直接从链接地址处运行的）

静态内核镜像在哪里？
(1)SD卡、inand、nand、norflash等：raw区
常规启动时各种镜像都在SD卡中，因此uboot只需要从启动介质SD卡的内核分区去读取内核镜像到DDR的链接地址处，读取要使用uboot命令来读取（例如inand版本是movi命令，x210的nand版本就是nand命令）
(2)这种启动方式来加载ddr，使用命令：movi read kernel 30008000. 其中kernel指的是uboot中的kernel分区（就是uboot规定SD卡中的一个区域范围，这个区域范围被设计来存放kernel镜像，就是所谓的kernel分区，有时候也叫原始分区，操作系统启动后可以用文件系统来管理分区。）
(3)tftp、nfs等网络下载方式从远端服务器获取镜像
uboot还支持远程启动，也就是内核镜像不烧录到开发板的SD卡中，而是放在主机的服务器中，然后需要启动时uboot通过网络从服务器中下载镜像到开发板的DDR中。

分析总结：最终结果是内核镜像到DDR中的特定地址即可。以上两种方式各有优劣，产品在出厂时会设置从SD卡启动，客户不会还有去搭建tftp服务器才能使用，tftp下载远程启动，适合开发。


镜像要放在DDR的什么地址？
内核一定要放在链接地址处，链接地址去内核源代码的连接脚本或者makefile中去查找。x210中是0x300080000。

zImage和uImage的区别联系
bootm命令对应do_boot函数
(1)命令名前加do_，do_bootm在cmd_bootm.c中
(2)do_bootm刚开始定义了一个变量，然后用宏来条件编译执行了secureboot的一些代码主要是安全认证。然后到了CONFIG_ZIMAGE_BOOT，用这个宏来控制进行条件编译的一段代码，这段代码是用来支持zImage格式的内核启动的。

vmlinuz和zImage和uImage
(1)uboot编译后生成了一个ELF格式的可执行程序u-boot，这个类似于windows下的EXE格式，在操作系统下可以执行，但是不能用来烧录下载，我们用来烧录下载的是u-boot.bin，它是由u-boot使用arm-linux-objcopy（主要目的是去掉一些无用的）得到。u-boot.bin就叫镜像，镜像就是用来烧录的，烧录到inand中执行，或者是放在SD卡中执行，或者dnw下载执行，
(2)Linux kernel经过编译后也会生成一个ELF格式的可执行程序，叫vmlinuz或者vmlinux，这个就是原始的未经任何处理加工的原版内核ELF文件，嵌入式部署烧录的一般不是这个vmlinuz，而是使用objcpy工具去制作成烧录镜像格式（就是u-boot.bin这种，但是内核没有.bin后缀）制作的这个烧录镜像是Image，制作镜像主要目的是缩减大小，节俭磁盘。
(3)原则上Image就可以直接被烧录到Flash，但实际上并不是这么简单，实际上Linux的作者们觉得Image太大了，对其进行了压缩，并且在压缩后的前一段部分，附加了一部分解压缩代码，构成了一个压缩可是的镜像就是zImage（因为当年Image大小刚刚比一张软盘大，(软盘有2中，1.2M和1.4M，Image比1.4M大一点)，为了节省一张软盘的钱，于是乎，设计了这种压缩Image成zImage的技术）
(4)uboot为了启动Linux内核，还发明了一种内核格式叫uImage。uImage是由zImage加工得到的，uboot中有一个工具，可以将zImage加工生产uImage。注意：uImage不管Linux内核的事，Linux内核只管生成zImage即可，然后uboot中的mkimage工具再去有zImage加工生成uImage来给uboot启动。这个加工的过程是在zImage前面加上64字节的uImage的头信息即可。
（5）原则上uboot启动时应该给他uImage格式的内核镜像，但是实际上uboot也可以支持zImage，是否支持就看x210_sd.h中是否定义了LINUX_ZIMAG_MAGIC这个宏。所以有些uboot支持zImage启动，有些则不支持。但是所有的uboot肯定都支持uImage启动。

编译内核得到uImage去启动
（1）第一步:如果直接在kernel底下去make uImage会提示mkimage没找到，解决方案是在 /uboot/tool下去复制到 /usr/local/bin.下面去，复制它到系统目录下，再去执行make uImage就可以了

zImage启动细节
#ifdef CONFIG_ZIMAGE_BOOT
#define LINUX_ZIMAGE_MAGIC    0x016f2818
    /* find out kernel image address */
    if (argc < 2) {
        addr = load_addr;
        debug ("*  kernel: default image load address = 0x%08lx ",
                load_addr);
    } else {
        addr = simple_strtoul(argv[1], NULL, 16);
        debug ("*  kernel: cmdline image address = 0x%08lx ", img_addr);
    }


    if (*(ulong *)(addr + 9*4) == LINUX_ZIMAGE_MAGIC) {
        printf("Boot with zImage ");
        addr = virt_to_phys(addr);
        hdr = (image_header_t *)addr;
        hdr->ih_os = IH_OS_LINUX;
        hdr->ih_ep = ntohl(addr);

        memmove (&images.legacy_hdr_os_copy, hdr, sizeof(image_header_t));

        /* save pointer to image header */
        images.legacy_hdr_os = hdr;

        images.legacy_hdr_valid = 1;

        goto after_header_check;
    }
#endif
do_bootm函数一直到397行之前都是进行zImage镜像的头部信息校验。校验时就要根据不同种类的image类型进行不同的校验。所以do_bootm函数的核心就是去分辨传进来的image到底是什么类型，然后按照这种类型的头信息格式去校验。校验通过则进入下一步准备启动内核；若果校验失败则认为镜像有问题，所以不能启动。

#define LINUX_ZIMAGE_MAGIC    0x016f2818
(1)这是一个魔数，0x016f2818表示这个镜像是zImage，也就是说zImage格式的镜像中，在头部的一个固定位置存放了这个数，作为格式标记，如果我们拿到了一个image，去他的那个位置去取4个字节，判断它是否等于这个魔数LINUX_ZIMAGE_MAGIC。则可以知道这个镜像是不是zImage
(2)命令bootm 0x30008000，所以do_bootm的argc=2，argv[0]=bootm argv[1]=0x30008000 但是实际bootm命令还可以不带参数执行，如果不带参数直接bootm则会从，CFG_LOAD_ADDR地址去执行（定义在x210_sd.h中）
(3)zImage从头部开始的第37到40个字节，存的是zImage的标志的魔数，从这个位置取出对比LINUX_ZIMAGE_MAGIC，我们可以用二进制查看工具来查看zImage的镜像，发现真的是存放的这个魔数。

image_header_t
(1)这个数据结构是我们uboot启动内核使用的一个标准启动数据结构，zImage头信息也是一个image_header_t，但是在实际启动之前需要进行一些改造，
if (*(ulong *)(addr + 9*4) == LINUX_ZIMAGE_MAGIC) {
        printf("Boot with zImage ");
        addr = virt_to_phys(addr);
        hdr = (image_header_t *)addr;
        hdr->ih_os = IH_OS_LINUX;
        hdr->ih_ep = ntohl(addr);

        memmove (&images.legacy_hdr_os_copy, hdr, sizeof(image_header_t));

        /* save pointer to image header */
        images.legacy_hdr_os = hdr;

        images.legacy_hdr_valid = 1;

这里就是在进行改造。
(2)image全局变量是在bootm函数中使用，目的是用来指向 os/initrd/fdt images，也就是用来完成启动的，zImage校验过程先确定是不是zImage，然后再修改zImage头信息，到合适，也就是上面的改造，最后再用这个头信息去初始化image，然后完成了校验。
zImage启动方式是后来添加的，而且用了goto的方式跳转了一部分代码，本身对uboot的结构上添加的。

uImage启动
(1)在uboot启动的do_boot中有一个legacy的方法，指的就是uImage这样的方式，为什么是legacy（遗留的），是因为uImage本身是uboot发明的一种启动的方式，后来这种方式是不好的，被废弃，于是被一种新的方式给替代了，新的方式就是设备树的方式，在这里被叫做fit，这个就是设备树的方式。
(2)uImage启动校验函数是在boot_get_kernel这个函数里，主要任务就是校验我们的uImage的头信息，并且得到真正的kernel的起始位置去启动。

总结：uboot本身也只支持uImage方式启动的，后来有了设备树之后，就把uImage方式命名为legacy方式，fdt方式就命名为fit方式，于是乎多了#if  #endif添加代码。后来移植的人又为了省事添加了zImage的方式，又为了省事，添加了#if  #endif .

第二阶段校验头信息结束，进行第三阶段，启动Linux内核，调用do_bootm_linux这个函数


do_bootm_linux
(1)找到do_bootm_linux，这个函数在lib_arm/bootm.c中，sourceinsight找不到，要搜索查找，

(2)镜像的entrypoint
ep就是程序入口，一个镜像的起始部分不是在镜像的开头（镜像的开头有很多字节的头信息），真正开始执行的代码在中间的某个部分，相对于头有一定偏移量的，这个偏移量放在头信息中的。
 一般执行一个镜像都是：第一步先读取头信息，然后在头信息的特定地址找MAGIC_NUM,由此来确定种类，第二步对镜像进行校验，第三步再次读取头信息，由头信息的特定地址知道这个镜像的各种信息，包括长度，种类，入口地址等等，第四步就是去entrypoint处开始执行镜像，

theKernel = (void (*)(int, int, uint))ep;将真正的入口地址赋值给thekernel，就是操作系统的第一句代码


机器码的再次确定
uboot在启动内核时，机器码要传给内核。uboot传给内核的机器码是怎么确定的？第一顺序备选的是环境变量machid，第二顺序备选是gd->bd->bi_arch_number(x210_sd.h配置的)


传参并启动
给内核传参（do_bootm_linux这里的110-144行）

Starting kernel ...这里打印是uboot的最后打印信息，如果这句后，串口没输出信息了，说明内核没有成功被执行，原因是传参错误（80%），内核在DDR中的加载地址。。。

一tag方式传参
(1)struct tag，tag是一个数据结构，在uboot和linux kernel中都有定义tag数据机构，而且定义是一样的。
(2)tag_header和tag_xxx。tag_header中有这个tag的size和类型编码，kernel拿到一个tag后先分析tag_header得到tag的类型和大小，然后将tag中剩余部分当作一个tag_xxx来处理。
(3)tag_start与tag_end。kernel接收到的传参是若干个tag构成的，这些tag由tag_start起始，到tag_end结束。
(4)tag传参的方式是由linux kernel发明的，kernel定义了这种向我传参的方式，uboot只是实现了这种传参方式从而可以支持给kernel传参。

x210_sd.h中配置传参宏
(1)CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS，tag_mem，传参内容是内存配置信息。
(2)CONFIG_CMDLINE_TAG，tag_cmdline，传参内容是启动命令行参数，也就是uboot环境变量的bootargs.
(3)CONFIG_INITRD_TAG
(4)CONFIG_MTDPARTITION，传参内容是iNand/SD卡的分区表。
(5)起始tag是ATAG_CORE、结束tag是ATAG_NONE，其他的ATAG_XXX都是有效信息tag。
思考：内核如何拿到这些tag？
uboot最终是调用theKernel函数来执行linux内核的，uboot调用这个函数（其实就是linux内核）时传递了3个参数。这3个参数就是uboot直接传递给linux内核的3个参数，通过寄存器来实现传参的。（第1个参数就放在r0中，第二个参数放在r1中，第3个参数放在r2中）第1个参数固定为0，第2个参数是机器码，第3个参数传递的就是大片传参tag的首地址。

2.7.7.3、移植时注意事项
(1)uboot移植时一般只需要配置相应的宏即可
(2)kernel启动不成功，注意传参是否成功。传参不成功首先看uboot中bootargs设置是否正确，其次看uboot是否开启了相应宏以支持传参。

https://www.cnblogs.com/yr-linux/p/5495734.html