u-boot源码分析之C语言段
操作系统 2016-11-25
题外话：
最近一直在学习u-boot的源代码，从代码量到代码风格，都让我认识到什么才是真正的程序。以往我所学到的C语言知识和u-boot的源代码相比，实在不值一提。说到底，机器都是0和1控制的。感觉这很像我们中国《易经》里的一句话：“太极生两仪，两仪生四象。”两仪指的就是阴阳、天地，对立而又相互依存的一切，它们生成了天地万物。简单的0和1就构成了我们现在所用的操作系统，各种软件。硬件也是由高低电平控制，0和1就是万物。
刚刚在读一本科幻小说，里面提到一种叫做“脑域”的新兴技术，意思是类比于物联网，将人类的大脑互相联网形成脑联网，俗称“脑域”。研究脑域的专家们住在最好的实验室大楼里研究技术。实验室大楼十分豪华，一切设备都是最先进的，一切生活用品、娱乐用品一应俱全。这些专家们就在这最好的环境下研究脑域技术。但是一个研究水稻的人说：“你们自以为研究脑域是在帮助这个社会，实际上这种技术也不过昙花一现罢了。我知道你们每年的产值高达几十个亿，但这又有什么用呢？你们以为自己在为社会造福，把脖子伸出窗外看看吧，在你们豪华的大楼下就是普通的市井生活，他们的生活环境脏乱差，人们的生活水平没有得到提高。人们的素质水平也没有得到提高。你们的研究就像阳春白雪，似乎很有用，但不能拯救这个社会。真正能帮这个社会的，只有那些最基本的东西，看似最无用的东西。人人都能够得到，人人都能够受益，才会真正让人们进步。”
我思考了一下刚刚那句话，想我是不是正在研究的也是和人们生活完全不相关的东西。在宿舍里，在办公室里，研究着新兴技术，自以为是在造福社会，实际上做的事情却丝毫不会影响人们的生活？
我想为开源世界贡献自己的力量，开发嵌入式系统，更好的控制硬件，制造出人人都能买的起的可穿戴设备，而不是什么黑科技。所以我觉得是有意义的，从这门技术的发展方向来看。我大胆预测一下吧，未来的可穿戴设备可能会发展成类似于一枚戒指的东东，一定是便于携带的，便于使用的形式存在。在尊重版权的情况下开源代码减少软件开发成本，用材料和结构减少硬件成本。让人人都买的起可穿戴设备，就像每个人都买的起手表，这才是真正的让人们受益。让大家都感到方便，感受到新科技的美好。
科技在进步，这是必然趋势。不要害怕这种进步，而是要提高自身的道德素养。道德必须凌驾于科技之上。
1.从我们的start_armboot开始讲起
u-boot整体由汇编段和C语言段外加连接脚本组成。关于汇编段请看我之前的博客《u-boot源码汇编段简要分析》，好，让我们进入start_armboot函数。
这里首先涉及到的是一个叫做gd_t的结构体指针。给它分配了一块内存。位于CFG_GBL_DATA_SIZE。我们把它打开来看：
从作者的注释我们可以知道，这个结构体的作用是针对某些初始化较早的内存空间。在设置存储控制器之前，系统初始化的时候进行一些全局变量的定义。看里面的内容，涉及到了环境地址变量、环境检测变量、帧缓冲区的基地址、展示模式、CPU时钟、总线时钟、RAM大小、复位状态寄存器等等。回到start_armboot函数，我们接着往下看：
在这里涉及到了init_sequence结构体，打开来看：
这个结构体里面包含了cpu初始化、单板初始化、中断初始化、环境初始化、波特率初始化、串行通信、CPUINFO、BOARDINFO、RAM块等等一系列初始化函数。回到start_armboot函数接着往下看：
在这里红框圈起来的是对Flash的初始化，flash_init()是对Nor Flash初始化，nand_init()是对Nand Flash初始化。中间是对LCD或者VFD进行初始化，并分配内存。接下来是一个 env_relocate ()函数，这个函数是对环境变量进行初始化。所谓的环境变量就是我们在用u-boot的时候从哪里读出内核，从哪里启动内核等一系列信息，如下图：
其中bootcmd就表示你把内核读到哪里。这里明显是把内核读到0x30007FC0地址上，然后bootm 0x0007FC0，也就是启动该地址上的内核。这里还有波特率、IP地址、bootargs等u-boot环境变量。
最后我们进入了一个循环：main_loop();这是最重要的一个函数。
2.main_loop()函数
char *s;
s = getenv ("bootcmd");
# ifndef CFG_HUSH_PARSER
{
printf("Booting Linux ...\n");
run_command (s, 0);
}
len = readline (CFG_PROMPT);
rc = run_command (lastcommand, flag); u-boot代码量很大，对于各种硬件初始化函数特别多，所以这里博主把最关键的语句摘出来。方便大家分析。这里的getenv是获取环境变量，u-boot在启动时会首先获取环境变量，所谓的环境变量我们上面通过u-boot打印出的信息就可以知道。这里的环境变量有两种，如果u-boot获取到了FLASH上的环境变量则应用此环境变量启动，否则使用默认的环境变量启动。如果在u-boot启动期间我们没有按下空格键，则在串口打印出“Booting Linux...”，并执行函数run_command启动内核。如果我们按下了空格键，则进入下面的分支语句，进入u-boot界面，readline函数获取我们输入的命令，run_command执行命令。所以run_command这个函数作用很大。
if ((argc = parse_line (finaltoken, argv)) == 0) {
rc = -1; /* no command at all */
continue;
}
/* Look up command in command table */
if ((cmdtp = find_cmd(argv[0])) == NULL) {
printf ("Unknown command '%s' - try 'help'\n", argv[0]);
rc = -1; /* give up after bad command */
continue;
}
/* found - check max args */
if (argc > cmdtp->maxargs) {
printf ("Usage:\n%s\n", cmdtp->usage);
rc = -1;
continue;
} 在run_command函数中，我们能够看到，首先，parse_line函数是对我们输入的命令进行解析。一般我们在u-boot输入的命令大概是这样的：“命令，参数0，参数1，...”，所以由parse_line函数进行解析：argv[0]="命令字符串"，argv[1]="参数1"，argv[2]="参数2"，...等等。而find_cmd则相当于一个switch，它把我们输入的命令与在u-boot中定义的各种命令相比对，若吻合则执行相应的函数操作。若遍历所有的命令名均没有我们输入的命令，则报错。在u-boot中，我们不是通过简单的switch进行命令的选择和函数的执行，而是将每个命令定义成结构体。我们进入find_cmd进行分析：
/*
* Some commands allow length modifiers (like "cp.b");
* compare command name only until first dot.
*/
len = ((p = strchr(cmd, '.')) == NULL) ? strlen (cmd) : (p - cmd);
for (cmdtp = &__u_boot_cmd_start;
cmdtp != &__u_boot_cmd_end;
cmdtp++) {
if (strncmp (cmd, cmdtp->name, len) == 0) {
if (len == strlen (cmdtp->name))
return cmdtp; /* full match */
cmdtp_temp = cmdtp; /* abbreviated command ? */
n_found++;
}
}
if (n_found == 1) { /* exactly one match */
return cmdtp_temp;
} 这是find_cmd函数的主要代码，这里根据作者的注释我们可以知道，和我们刚刚讲的一样，就是进行命令名的比对。strncmp大家都很熟悉这个字符串比较函数，若比对成功则返回这个命令的结构体指针，否则继续遍历，若最终没有找到则报错。这里的__u_boot_cmd_start和__u_boot_cmd_end是在u-boot.lds连接脚本里定义。
__u_boot_cmd_start = .; .u_boot_cmd : { *(.u_boot_cmd) } __u_boot_cmd_end = .;
对于这里的u_boot_cmd大家可能不知道它是干什么的，在哪里定义的。通过查找，我们可以发现在Command.h中有一段相关的定义，是一个结构体：
#define Struct_Section __attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd")))
现在我们还是不知道它是干嘛的，在此搜索bootm，在Cmd_bootm.c中，我们看到了这样的一个定义：
U_BOOT_CMD(
bootm, CFG_MAXARGS, , do_bootm,
"bootm - boot application image from memory\n",
"[addr [arg ...]]\n - boot application image stored in memory\n"
"\tpassing arguments 'arg ...'; when booting a Linux kernel,\n"
"\t'arg' can be the address of an initrd image\n"
#ifdef CONFIG_OF_FLAT_TREE
"\tWhen booting a Linux kernel which requires a flat device-tree\n"
"\ta third argument is required which is the address of the of the\n"
"\tdevice-tree blob. To boot that kernel without an initrd image,\n"
"\tuse a '-' for the second argument. If you do not pass a third\n"
"\ta bd_info struct will be passed instead\n"
#endif
); 这里其实就定义了u_boot_cmd的这条指令的具体参数。不过此刻我们还是不明白这些参数的具体含义，再次查找u_boot_cmd，在Command.h中我们终于找到了对于bootm这条指令的宏定义：
#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}
现在开始，我们解析bootm这条命令：
name:命令名，这里将##name替换成bootm。
Struct_Section:结构体段，根据上面我们找到的宏定义，替换成__attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd")))。
#name:命令名，替换成"bootm"。
maxargs:最大参数，替换成CFG_MAXARGS。
rep:是否可重复，替换成1（可重复）。
cmd:命令，替换成do_bootm。
这里的usage表示短命令，help表长命令。对应U_BOOT_CMD中的字符串。经过一系列替换，这条语句最后变成了：
#define U_BOOT_CMD(name,maxargs,rep,cmd,usage,help) \
cmd_tbl_t __u_boot_cmd_bootm __attribute__ ((unused,section (".u_boot_cmd"))) = {"bootm", CFG_MAXARGS, 1, do_bootm, usage, help}
其实，经过刚才的分析，现在我们可以自己写u-boot命令了。这里是博主自己写的u-boot命令：
命令名是"CCJ",执行这条命令显示的信息为："Hi! I am CrazyCatJack!"并对输入的命令及参数进行输出。还有长信息和短信息如图所示。
#include <common.h>
#include <watchdog.h>
#include <command.h>
#include <image.h>
#include <malloc.h>
#include <zlib.h>
#include <bzlib.h>
#include <environment.h>
#include <asm/byteorder.h>
int do_CCJ (cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char *argv[])
{
int i;
printf (" Hi!I am CrazyCatJack! %d\n",argc);
for(i=0;i<argc;i++)
{
printf("%s\n",argv[i]);
}
return 0;
}
U_BOOT_CMD(
CCJ, CFG_MAXARGS, 1, do_CCJ,
"CCJ -CCJ short information.\n",
"CCJ,long information...........................................................\n"
); 这里是博主写的源代码，大家感兴趣的可以自己分析，自己写一个u-boot命令试试。
3.读出内核启动内核
经过上述一系列准备，现在终于可以读出内核，并启动它了。真是相当的不容易。真的感觉佩服u-boot的作者。还记得我们读出内核和启动内核的命令吗？
bootcmd=nand read.jffs2 0x30007FC0 kernel; bootm 0x30007FC0
类比于PC上的硬盘，我们硬盘上都有各种各样的分区，而我们的FLASH则是将这种分区写到了代码里，换言之，FLASH里的分区是不能动态更改的。通过u-boot打印的信息，我们了解到kernel的分区，我的kernel位于0x00060000，而且有2M的大小。
#define MTDPARTS_DEFAULT "mtdparts=nandflash0:256k@0(bootloader)," \
"128k(params)," \
"2m(kernel)," \
"-(root)" 这是在具体我们板子型号的头文件中对FLASH的分区。256K装bootloader,128K装各种环境变量参数，2M的kernel，最后是root。在Cmd_nand.c中的do_nand函数将会对nand进行一系列细致的初始化。现在我们已经分析完第一条指令，读出内核，下一步是启动内核。我们的内核实际上是由一个头部+内核组成。这里的头部主要包含了内核的加载地址和入口地址：
typedef struct image_header {
uint32_t ih_magic; /* Image Header Magic Number */
uint32_t ih_hcrc; /* Image Header CRC Checksum */
uint32_t ih_time; /* Image Creation Timestamp */
uint32_t ih_size; /* Image Data Size */
uint32_t ih_load; /* Data Load Address */
uint32_t ih_ep; /* Entry Point Address */
uint32_t ih_dcrc; /* Image Data CRC Checksum */
uint8_t ih_os; /* Operating System */
uint8_t ih_arch; /* CPU architecture */
uint8_t ih_type; /* Image Type */
uint8_t ih_comp; /* Compression Type */
uint8_t ih_name[IH_NMLEN]; /* Image Name */
} image_header_t; 这就是我们内核的头部，其中最重要的就是加载地址ih_load：Image文件存放地址。还有入口地址ih_ep：内核真正开始执行的地址。
在我们启动内核的时候，如果内核被放到了入口地址上，则无需移动内核文件，否则需执行搬运函数memmove (&header, (char *)addr, sizeof(image_header_t));将内核转移到入口地址上。
接下来是执行do_bootm_linux函数，它主要的作用就是初始化TAG并启动内核。所谓的TAG就是u-boot需要将一些参数传递给内核，但由于二者文件格式不同，所以不能够直接进行通信。最直接的方法就是创建一个二者都能够读取的文件格式，约定好读取规则。在TAG中u-boot向即将启动的内核传递了初始化相关的信息。
#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)
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
setup_end_tag (bd);
#endif
/* we assume that the kernel is in place */
printf ("\nStarting kernel ...\n\n");
#ifdef CONFIG_USB_DEVICE
{
extern void udc_disconnect (void);
//udc_disconnect (); // cancled by www.100ask.net
}
#endif
cleanup_before_linux ();
theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params); 其中的TAG就是u-boot传递的各项参数，最后执行theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params);内核启动完成！u-boot到此结束！接下来就是内核相关的操作了。
u-boot源码分析到此结束。^_^
版权声明：本博客为CrazyCatJack原创，未经允许禁止转载。
博主尊重u-boot的作者DENX Software Engineering的版权，感谢他们制作出u-boot，并开源给全世界的人们学习、使用。
本博客旨在分享学习成果，帮助大家理解u-boot源代码，让u-boot被更多的人理解并使用。若能受到启发，创造出更好的事物博主就没白写了^_^
CCJ
2016-11-25 17:53:21
