日志
U-Boot启动过程完全分析(7)
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1.1.3 U-Boot启动Linux过程
U-Boot使用标记列表（tagged list）的方式向Linux传递参数。标记的数据结构式是tag，在U-Boot源代码目录include/asm-arm/setup.h中定义如下：
struct tag_header {
u32 size; /* 表示tag数据结构的联合u实质存放的数据的大小*/
u32 tag; /* 表示标记的类型 */
};
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;
/*
* Acorn specific
*/
struct tag_acorn acorn;
/*
* DC21285 specific
*/
struct tag_memclk memclk;
} u;
};
U-Boot使用命令bootm来启动已经加载到内存中的内核。而bootm命令实际上调用的是do_bootm函数。对于Linux内核，do_bootm函数会调用do_bootm_linux函数来设置标记列表和启动内核。do_bootm_linux函数在lib_arm/bootm.c 中定义如下：
59 int do_bootm_linux(int flag, int argc, char *argv[], bootm_headers_t *images)
60 {
61 bd_t *bd = gd->bd;
62 char *s;
63 int machid = bd->bi_arch_number;
64 void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);
65
66 #ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
67 char *commandline = getenv ("bootargs"); /* U-Boot环境变量bootargs */
68 #endif
… …
73 theKernel = (void (*)(int, int, uint))images->ep; /* 获取内核入口地址 */
… …
86 #if defined (CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS) || \
87 defined (CONFIG_CMDLINE_TAG) || \
88 defined (CONFIG_INITRD_TAG) || \
89 defined (CONFIG_SERIAL_TAG) || \
90 defined (CONFIG_REVISION_TAG) || \
91 defined (CONFIG_LCD) || \
92 defined (CONFIG_VFD)
93 setup_start_tag (bd); /* 设置ATAG_CORE标志 */
… …
100 #ifdef CONFIG_SETUP_MEMORY_TAGS
101 setup_memory_tags (bd); /* 设置内存标记 */
102 #endif
103 #ifdef CONFIG_CMDLINE_TAG
104 setup_commandline_tag (bd, commandline); /* 设置命令行标记 */
105 #endif
… …
113 setup_end_tag (bd); /* 设置ATAG_NONE标志 */
114 #endif
115
116 /* we assume that the kernel is in place */
117 printf ("\nStarting kernel ...\n\n");
… …
126 cleanup_before_linux (); /* 启动内核前对CPU作最后的设置 */
127
128 theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params); /* 调用内核 */
129 /* does not return */
130
131 return 1;
132 }
其中的setup_start_tag，setup_memory_tags，setup_end_tag函数在lib_arm/bootm.c中定义如下：
（1）setup_start_tag函数
static void setup_start_tag (bd_t *bd)
{
params = (struct tag *) bd->bi_boot_params; /* 内核的参数的开始地址 */
params->hdr.tag = ATAG_CORE;
params->hdr.size = tag_size (tag_core);
params->u.core.flags = 0;
params->u.core.pagesize = 0;
params->u.core.rootdev = 0;
params = tag_next (params);
}
标记列表必须以ATAG_CORE开始，setup_start_tag函数在内核的参数的开始地址设置了一个ATAG_CORE标记。
（2）setup_memory_tags函数
static void setup_memory_tags (bd_t *bd)
{
int i;
/*设置一个内存标记 */
for (i = 0; i < CONFIG_NR_DRAM_BANKS; i++) {
params->hdr.tag = ATAG_MEM;
params->hdr.size = tag_size (tag_mem32);
params->u.mem.start = bd->bi_dram.start;
params->u.mem.size = bd->bi_dram.size;
params = tag_next (params);
}
}
setup_memory_tags函数设置了一个ATAG_MEM标记，该标记包含内存起始地址，内存大小这两个参数。
（3）setup_end_tag函数
static void setup_end_tag (bd_t *bd)
{
params->hdr.tag = ATAG_NONE;
params->hdr.size = 0;
}
标记列表必须以标记ATAG_NONE结束，setup_end_tag函数设置了一个ATAG_NONE标记，表示标记列表的结束。
U-Boot设置好标记列表后就要调用内核了。但调用内核前，CPU必须满足下面的条件：
（1） CPU寄存器的设置
Ø r0=0
Ø r1=机器码
Ø r2=内核参数标记列表在RAM中的起始地址
（2） CPU工作模式
Ø 禁止IRQ与FIQ中断
Ø CPU为SVC模式
（3） 使数据Cache与指令Cache失效
do_bootm_linux中调用的cleanup_before_linux函数完成了禁止中断和使Cache失效的功能。cleanup_before_linux函数在cpu/arm920t/cpu.中定义：
int cleanup_before_linux (void)
{
/*
* this is called just before we call linux
* it prepares the processor for linux
*
* we turn off caches etc ...
*/
disable_interrupts (); /* 禁止FIQ/IRQ中断 */
/* turn off I/D-cache */
icache_disable(); /* 使指令Cache失效 */
dcache_disable(); /* 使数据Cache失效 */
/* flush I/D-cache */
cache_flush(); /* 刷新Cache */
return 0;
}
由于U-Boot启动以来就一直工作在SVC模式，因此CPU的工作模式就无需设置了。
do_bootm_linux中：
64 void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);
… …
73 theKernel = (void (*)(int, int, uint))images->ep;
… …
128 theKernel (0, machid, bd->bi_boot_params);
第73行代码将内核的入口地址“images->ep”强制类型转换为函数指针。根据ATPCS规则，函数的参数个数不超过4个时，使用r0~r3这4个寄存器来传递参数。因此第128行的函数调用则会将0放入r0，机器码machid放入r1，内核参数地址bd->bi_boot_params放入r2，从而完成了寄存器的设置，最后转到内核的入口地址。
到这里，U-Boot的工作就结束了，系统跳转到Linux内核代码执行。
1.1.4 U-Boot添加命令的方法及U-Boot命令执行过程
下面以添加menu命令（启动菜单）为例讲解U-Boot添加命令的方法。
（1） 建立common/cmd_menu.c
习惯上通用命令源代码放在common目录下，与开发板专有命令源代码则放在board/<board_dir>目录下，并且习惯以“cmd_<命令名>.c”为文件名。
（2） 定义“menu”命令
在cmd_menu.c中使用如下的代码定义“menu”命令：
_BOOT_CMD(
menu, 3, 0, do_menu,
"menu - display a menu, to select the items to do something\n",
" - display a menu, to select the items to do something"
);
其中U_BOOT_CMD命令格式如下：
U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help)
各个参数的意义如下：
name：命令名，非字符串，但在U_BOOT_CMD中用“#”符号转化为字符串
maxargs：命令的最大参数个数
rep：是否自动重复（按Enter键是否会重复执行）
cmd：该命令对应的响应函数
usage：简短的使用说明（字符串）
help：较详细的使用说明（字符串）
在内存中保存命令的help字段会占用一定的内存，通过配置U-Boot可以选择是否保存help字段。若在include/configs/mini2440.h中定义了CONFIG_SYS_LONGHELP宏，则在U-Boot中使用help命令查看某个命令的帮助信息时将显示usage和help字段的内容，否则就只显示usage字段的内容。
U_BOOT_CMD宏在include/command.h中定义：
#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) \
cmd_tbl_t __u_boot_cmd_##name Struct_Section = {#name, maxargs, rep, cmd, usage, help}
“##”与“#”都是预编译操作符，“##”有字符串连接的功能，“#”表示后面紧接着的是一个字符串。
其中的cmd_tbl_t在include/command.h中定义如下：
struct cmd_tbl_s {
char *name; /* 命令名 */
int maxargs; /* 最大参数个数 */
int repeatable; /* 是否自动重复 */
int (*cmd)(struct cmd_tbl_s *, int, int, char *[]); /* 响应函数 */
char *usage; /* 简短的帮助信息 */
#ifdef CONFIG_SYS_LONGHELP
char *help; /* 较详细的帮助信息 */
#endif
#ifdef CONFIG_AUTO_COMPLETE
/* 自动补全参数 */
int (*complete)(int argc, char *argv[], char last_char, int maxv, char *cmdv[]);
#endif
};
typedef struct cmd_tbl_s cmd_tbl_t;
一个cmd_tbl_t结构体变量包含了调用一条命令的所需要的信息。
其中Struct_Section在include/command.h中定义如下：
#define Struct_Section __attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd")))
凡是带有__attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd"))属性声明的变量都将被存放在".u_boot_cmd"段中，并且即使该变量没有在代码中显式的使用编译器也不产生警告信息。
在U-Boot连接脚本u-boot.lds中定义了".u_boot_cmd"段：
. = .;
__u_boot_cmd_start = .; /*将 __u_boot_cmd_start指定为当前地址 */
.u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) }
__u_boot_cmd_end = .; /* 将__u_boot_cmd_end指定为当前地址 */
这表明带有“.u_boot_cmd”声明的函数或变量将存储在“u_boot_cmd”段。这样只要将U-Boot所有命令对应的cmd_tbl_t变量加上“.u_boot_cmd”声明，编译器就会自动将其放在“u_boot_cmd”段，查找cmd_tbl_t变量时只要在__u_boot_cmd_start与__u_boot_cmd_end之间查找就可以了。
因此“menu”命令的定义经过宏展开后如下：
cmd_tbl_t __u_boot_cmd_menu __attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd"))) = {menu, 3, 0, do_menu, "menu - display a menu, to select the items to do something\n", " - display a menu, to select the items to do something"}
实质上就是用U_BOOT_CMD宏定义的信息构造了一个cmd_tbl_t类型的结构体。编译器将该结构体放在“u_boot_cmd”段，执行命令时就可以在“u_boot_cmd”段查找到对应的cmd_tbl_t类型结构体。
（3） 实现命令的函数
在cmd_menu.c中添加“menu”命令的响应函数的实现。具体的实现代码略：
int do_menu (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])
{
/* 实现代码略 */
}
（4） 将common/cmd_menu.c编译进u-boot.bin
在common/Makefile中加入如下代码：
COBJS-$(CONFIG_BOOT_MENU) += cmd_menu.o
在include/configs/mini2440.h加入如代码：
#define CONFIG_BOOT_MENU 1
重新编译下载U-Boot就可以使用menu命令了
（5）menu命令执行的过程
在U-Boot中输入“menu”命令执行时，U-Boot接收输入的字符串“menu”，传递给run_command函数。run_command函数调用common/command.c中实现的find_cmd函数在__u_boot_cmd_start与__u_boot_cmd_end间查找命令，并返回menu命令的cmd_tbl_t结构。然后run_command函数使用返回的cmd_tbl_t结构中的函数指针调用menu命令的响应函数do_menu，从而完成了命令的执行。
作者：heaad
