[uboot] uboot启动kernel篇（二）——bootm跳转到kernel的流程

转自/ooonebook/article/details/53495021

一、bootm说明

bootm这个命令用于启动一个操作系统映像。它会从映像文件的头部取得一些信息，这些信息包括：映像文件的基于的cpu架构、其操作系统类型、映像的类型、压缩方式、映像文件在内存中的加载地址、映像文件运行的入口地址、映像文件名等。

紧接着bootm将映像加载到指定的地址，如果需要的话，还会解压映像并传递必要有参数给内核，最后跳到入口地址进入内核。

这里的描述参考（/uid-20799298-id-99666.html）

需要打开的宏

CONFIG_BOOTM_LINUX=yCONFIG_CMD_BOOTM=y

二、bootm使用方式

在《uboot启动kernel篇（一）——Legacy-uImage & FIT-uImage》中我们知道了uImage有两种格式。

Legacy-uImage

对于Legacy-uImage，我们需要另外加载ramdisk和fdt到RAM上面。

执行的命令如下

假设Legacy-uImage的加载地址是0x20008000，ramdisk的加载地址是0x21000000，fdt的加载地址是0x22000000(1) 只加载kernel的情况下bootm 0x20008000(2) 加载kernel和ramdiskbootm 0x20008000 0x21000000(3) 加载kernel和fdtbootm 0x20008000 - 0x22000000(4) 加载kernel、ramdisk、fdtbootm 0x20008000 0x21000000 0x22000000

FIT-uImage

对于FIT-uImage，kernel镜像、ramdisk镜像和fdt都已经打包到FIT-uImage的镜像中了。

执行的命令如下

假设FIT-uImage的加载地址是0x30000000，启动kernel的命令如下：

bootm 0x30000000

三、bootm执行流程

建议先参考《[uboot] （第六章）uboot流程——命令行模式以及命令处理介绍》。

对应U_BOOT_CMD

我们找到bootm命令对应的U_BOOT_CMD如下：

cmd/bootm.cU_BOOT_CMD(bootm, CONFIG_SYS_MAXARGS, 1, do_bootm,"boot application image from memory", bootm_help_text);

do_bootm参数说明

通过《[uboot] （第六章）uboot流程——命令行模式以及命令处理介绍》，当执行bootm命令时，do_bootm会被调用，参数如下：

当执行‘bootm 0x20008000 0x21000000 0x22000000’int do_bootm(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])cmdtp：传递的是bootm的命令表项指针，也就是_u_boot_list_2_cmd_2_bootm的指针argc=4argv[0]="bootm", argv[1]=0x20008000, arv[2]=0x21000000, argv[3]=0x22000000

do_bootm实现

do_bootm实现如下：

/*******************************************************************//* bootm - boot application image from image in memory *//*******************************************************************/int do_bootm(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[]){/* determine if we have a sub command */argc--; argv++;if (argc > 0) {char *endp;simple_strtoul(argv[0], &endp, 16);/* endp pointing to NULL means that argv[0] was just a* valid number, pass it along to the normal bootm processing** If endp is ':' or '#' assume a FIT identifier so pass* along for normal processing.** Right now we assume the first arg should never be '-'*/if ((*endp != 0) && (*endp != ':') && (*endp != '#'))return do_bootm_subcommand(cmdtp, flag, argc, argv);}// 以上会判断是否有子命令，这里我们不管// 到这里，参数中的bootm参数会被去掉，// 也就是当'bootm 0x20008000 0x21000000 0x22000000'时// argc=3, argv[0]=0x20008000 , argv[1]=0x21000000, argv[2]=0x22000000// 当‘bootm 0x30000000’时// argc=1, argv[0]=0x30000000return do_bootm_states(cmdtp, flag, argc, argv, BOOTM_STATE_START |BOOTM_STATE_FINDOS | BOOTM_STATE_FINDOTHER |BOOTM_STATE_LOADOS |BOOTM_STATE_OS_PREP | BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO |BOOTM_STATE_OS_GO, &images, 1);// 最终对调用到do_bootm_states，在do_bootm_states中执行的操作如states标识所示：// BOOTM_STATE_START// BOOTM_STATE_FINDOS// BOOTM_STATE_FINDOTHER// BOOTM_STATE_LOADOS// BOOTM_STATE_OS_PREP// BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO// BOOTM_STATE_OS_GO}

所以bootm的核心是do_bootm_states，以全局变量bootm_headers_t images作为do_bootm_states的参数。

下面详细说明这个函数。

四、do_bootm_states软件流程

1、数据结构说明

bootm_headers_t

bootm_headers_t用来表示bootm启动kernel的一些信息的结构体，其中包括了os/initrd/fdt images的信息。

bootm会根据参数以及参数指向的镜像来填充这个结构题里面的成员。

最终再使用这个结构体里面的信息来填充kernel启动信息并且到跳转到kernel中。

在uboot中使用了一个全局的bootm_headers_t images。

typedef struct bootm_headers {/** Legacy os image header, if it is a multi component image* then boot_get_ramdisk() and get_fdt() will attempt to get* data from second and third component accordingly.*/image_header_t *legacy_hdr_os; /* image header pointer */ // Legacy-uImage的镜像头image_header_t legacy_hdr_os_copy; /* header copy */ // Legacy-uImage的镜像头备份ulong legacy_hdr_valid; // Legacy-uImage的镜像头是否存在的标记#if IMAGE_ENABLE_FITconst char *fit_uname_cfg; /* configuration node unit name */ // 配置节点名void *fit_hdr_os; /* os FIT image header */ // FIT-uImage中kernel镜像头const char *fit_uname_os; /* os subimage node unit name */ // FIT-uImage中kernel的节点名int fit_noffset_os; /* os subimage node offset */ // FIT-uImage中kernel的节点偏移void *fit_hdr_rd; /* init ramdisk FIT image header */ // FIT-uImage中ramdisk的镜像头const char *fit_uname_rd; /* init ramdisk subimage node unit name */ // FIT-uImage中ramdisk的节点名int fit_noffset_rd; /* init ramdisk subimage node offset */ // FIT-uImage中ramdisk的节点偏移void *fit_hdr_fdt; /* FDT blob FIT image header */ // FIT-uImage中FDT的镜像头const char *fit_uname_fdt; /* FDT blob subimage node unit name */ // FIT-uImage中FDT的节点名int fit_noffset_fdt;/* FDT blob subimage node offset */ // FIT-uImage中FDT的节点偏移#endifimage_info_t os; /* os image info */ // 操作系统信息的结构体ulong ep; /* entry point of OS */ // 操作系统的入口地址ulong rd_start, rd_end;/* ramdisk start/end */ // ramdisk在内存上的起始地址和结束地址char *ft_addr; /* flat dev tree address */ // fdt在内存上的地址ulong ft_len; /* length of flat device tree */ // fdt在内存上的长度ulong initrd_start; //ulong initrd_end; //ulong cmdline_start; //ulong cmdline_end; //bd_t *kbd; //int verify; /* getenv("verify")[0] != 'n' */ // 是否需要验证int state; // 状态标识，用于标识对应的bootm需要做什么操作，具体看下面2.#ifdef CONFIG_LMBstruct lmb lmb; /* for memory mgmt */#endif} bootm_headers_t;

2、状态说明

BOOTM_STATE_START

#define BOOTM_STATE_START (0x00000001)

开始执行bootm的一些准备动作。

BOOTM_STATE_FINDOS

#define BOOTM_STATE_FINDOS (0x00000002)

查找操作系统镜像

BOOTM_STATE_FINDOTHER

#define BOOTM_STATE_FINDOTHER (0x00000004)

查找操作系统镜像外的其他镜像，比如FDT\ramdisk等等

BOOTM_STATE_LOADOS

#define BOOTM_STATE_LOADOS (0x00000008)

加载操作系统

BOOTM_STATE_RAMDISK

#define BOOTM_STATE_RAMDISK (0x00000010)

操作ramdisk

BOOTM_STATE_FDT

#define BOOTM_STATE_FDT (0x00000020)

操作FDT

BOOTM_STATE_OS_CMDLINE

#define BOOTM_STATE_OS_CMDLINE (0x00000040)

操作commandline

BOOTM_STATE_OS_BD_T

#define BOOTM_STATE_OS_BD_T (0x00000080)

BOOTM_STATE_OS_PREP

#define BOOTM_STATE_OS_PREP (0x00000100)

跳转到操作系统的前的准备动作

BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO

#define BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO (0x00000200) /* ‘Almost’ run the OS */

伪跳转，一般都能直接跳转到kernel中去

BOOTM_STATE_OS_GO

#define BOOTM_STATE_OS_GO (0x00000400)

跳转到kernel中去

3、软件流程说明

do_bootm_states根据states来判断要执行的操作。

主要流程简单说明如下：

bootm的准备动作

BOOTM_STATE_START

获取kernel信息

BOOTM_STATE_FINDOS

获取ramdisk和fdt的信息

BOOTM_STATE_FINDOTHER

加载kernel到对应的位置上（有可能已经就在这个位置上了）

BOOTM_STATE_LOADOS

重定向ramdisk和fdt（不一定需要）

BOOTM_STATE_RAMDISK、BOOTM_STATE_FDT

执行跳转前的准备动作

BOOTM_STATE_OS_PREP

设置启动参数，跳转到kernel所在的地址上

BOOTM_STATE_OS_GO

在这些流程中，起传递作用的是bootm_headers_t images这个数据结构，有些流程是解析镜像，往这个结构体里写数据。

而跳转的时候，则需要使用到这个结构体里面的数据。

软件代码如下

common/bootm.cint do_bootm_states(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[],int states, bootm_headers_t *images, int boot_progress){boot_os_fn *boot_fn;ulong iflag = 0;int ret = 0, need_boot_fn;images->state |= states;// 把states放到bootm_headers_t images内部/** Work through the states and see how far we get. We stop on* any error.*/// 判断states是否需要BOOTM_STATE_START动作，也就是bootm的准备动作，需要的话则调用bootm_startif (states & BOOTM_STATE_START)ret = bootm_start(cmdtp, flag, argc, argv);// 判断states是否需要BOOTM_STATE_FINDOS动作，也就是获取kernel信息，需要的话在调用bootm_find_osif (!ret && (states & BOOTM_STATE_FINDOS))ret = bootm_find_os(cmdtp, flag, argc, argv);· // 判断states是否需要BOOTM_STATE_FINDOTHER动作，也就是获取ramdisk和fdt等其他镜像的信息，需要的话则调用bootm_find_otherif (!ret && (states & BOOTM_STATE_FINDOTHER)) {ret = bootm_find_other(cmdtp, flag, argc, argv);argc = 0; /* consume the args */}/* 这里要重点注意，前面的步骤都是在解析uImage镜像并填充bootm_headers_t images *//* 也就是说解析uImage的部分在此之前 *//* 而后续则是使用bootm_headers_t images 里面的内容来进行后续动作*//* Load the OS */// 判断states是否需要BOOTM_STATE_LOADOS动作，也就是加载操作系统的动作，需要的话则调用bootm_load_osif (!ret && (states & BOOTM_STATE_LOADOS)) {ulong load_end;iflag = bootm_disable_interrupts();ret = bootm_load_os(images, &load_end, 0);if (ret == 0)lmb_reserve(&images->lmb, images->os.load,(load_end - images->os.load));else if (ret && ret != BOOTM_ERR_OVERLAP)goto err;else if (ret == BOOTM_ERR_OVERLAP)ret = 0;#if defined(CONFIG_SILENT_CONSOLE) && !defined(CONFIG_SILENT_U_BOOT_ONLY)if (images->os.os == IH_OS_LINUX)fixup_silent_linux();#endif}// 是否需要重定向ramdinsk，do_bootm流程的话是不需要的/* Relocate the ramdisk */#ifdef CONFIG_SYS_BOOT_RAMDISK_HIGHif (!ret && (states & BOOTM_STATE_RAMDISK)) {ulong rd_len = images->rd_end - images->rd_start;ret = boot_ramdisk_high(&images->lmb, images->rd_start,rd_len, &images->initrd_start, &images->initrd_end);if (!ret) {setenv_hex("initrd_start", images->initrd_start);setenv_hex("initrd_end", images->initrd_end);}}#endif// 是否需要重定向fdt，do_bootm流程的话是不需要的#if IMAGE_ENABLE_OF_LIBFDT && defined(CONFIG_LMB)if (!ret && (states & BOOTM_STATE_FDT)) {boot_fdt_add_mem_rsv_regions(&images->lmb, images->ft_addr);ret = boot_relocate_fdt(&images->lmb, &images->ft_addr,&images->ft_len);}#endif/* From now on, we need the OS boot function */if (ret)return ret;// 获取对应操作系统的启动函数，存放到boot_fn中boot_fn = bootm_os_get_boot_func(images->os.os);need_boot_fn = states & (BOOTM_STATE_OS_CMDLINE |BOOTM_STATE_OS_BD_T | BOOTM_STATE_OS_PREP |BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO | BOOTM_STATE_OS_GO);if (boot_fn == NULL && need_boot_fn) {if (iflag)enable_interrupts();printf("ERROR: booting os '%s' (%d) is not supported\n",genimg_get_os_name(images->os.os), images->os.os);bootstage_error(BOOTSTAGE_ID_CHECK_BOOT_OS);return 1;}/* Call various other states that are not generally used */if (!ret && (states & BOOTM_STATE_OS_CMDLINE))ret = boot_fn(BOOTM_STATE_OS_CMDLINE, argc, argv, images);if (!ret && (states & BOOTM_STATE_OS_BD_T))ret = boot_fn(BOOTM_STATE_OS_BD_T, argc, argv, images);// 跳转到操作系统前的准备动作，会直接调用启动函数，但是标识是BOOTM_STATE_OS_PREPif (!ret && (states & BOOTM_STATE_OS_PREP))ret = boot_fn(BOOTM_STATE_OS_PREP, argc, argv, images);/* Check for unsupported subcommand. */if (ret) {puts("subcommand not supported\n");return ret;}// BOOTM_STATE_OS_GO标识，跳转到操作系统中，并且不应该再返回了/* Now run the OS! We hope this doesn't return */if (!ret && (states & BOOTM_STATE_OS_GO))ret = boot_selected_os(argc, argv, BOOTM_STATE_OS_GO,images, boot_fn);/* Deal with any fallout */err:if (iflag)enable_interrupts();if (ret == BOOTM_ERR_UNIMPLEMENTED)bootstage_error(BOOTSTAGE_ID_DECOMP_UNIMPL);else if (ret == BOOTM_ERR_RESET)do_reset(cmdtp, flag, argc, argv);return ret;}

主要用到如下依次几个函数来实现：

bootm_start

bootm_find_os

bootm_find_other

bootm_load_os

bootm_os_get_boot_func

boot_fn(BOOTM_STATE_OS_PREP, argc, argv, images);

boot_selected_os

boot_selected_os(argc, argv, BOOTM_STATE_OS_GO,images, boot_fn);

4、bootm_start & bootm_find_os & bootm_find_other

主要负责解析环境变量、参数、uImage，来填充bootm_headers_t images这个数据结构。

最终目的是实现bootm_headers_t images中的这几个成员：

typedef struct bootm_headers {image_info_t os; /* os image info */ulong ep; /* entry point of OS */ulong rd_start, rd_end;/* ramdisk start/end */char *ft_addr; /* flat dev tree address */ulong ft_len; /* length of flat device tree */ulong initrd_start;ulong initrd_end;ulong cmdline_start;ulong cmdline_end;bd_t *kbd;int verify; /* getenv("verify")[0] != 'n' */#ifdef CONFIG_LMBstruct lmb lmb; /* for memory mgmt */#endif}

bootm_start

实现verify和lmb

bootm_find_os

实现os和ep。

也就是说，不管是Legacy-uImage还是FIT-uImage，最终解析出来要得到的都是这两个成员。

放在《uboot启动kernel篇（三）——解析uImage的kernel镜像》中具体说明。

bootm_find_other

实现rd_start, rd_end，ft_addr和initrd_end。

也就是说，不管是Legacy-uImage还是FIT-uImage，最终解析出来要得到的都是这两个成员。

放在《uboot启动kernel篇（四）——解析uImage的fdt》和《uboot启动kernel篇（五）——解析uImage的ramdisk》中具体说明。

5、bootm_load_os

简单说明一下，在bootm_load_os中，会对kernel镜像进行load到对应的位置上，并且如果kernel镜像是被mkimage压缩过的，那么会先经过解压之后再进行load。（这里要注意，这里的压缩和Image压缩成zImage并不是同一个，而是uboot在Image或者zImage的基础上进行的压缩！！！）

static int bootm_load_os(bootm_headers_t *images, unsigned long *load_end,int boot_progress){image_info_t os = images->os;ulong load = os.load; // kernel要加载的地址ulong blob_start = os.start;ulong blob_end = os.end;ulong image_start = os.image_start; // kernel实际存在的位置ulong image_len = os.image_len; // kernel的长度bool no_overlap;void *load_buf, *image_buf;int err;load_buf = map_sysmem(load, 0);image_buf = map_sysmem(os.image_start, image_len);// 调用bootm_decomp_image，对image_buf的镜像进行解压缩，并load到load_buf上err = bootm_decomp_image(p, load, os.image_start, os.type,load_buf, image_buf, image_len,CONFIG_SYS_BOOTM_LEN, load_end);

结果上述步骤之后，kernel镜像就被load到对应位置上了。

6、bootm_os_get_boot_func

bootm_os_get_boot_func用于获取到对应操作系统的启动函数，被存储到boot_fn 中。

如下：

int do_bootm_states(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[],int states, bootm_headers_t *images, int boot_progress){...boot_fn = bootm_os_get_boot_func(images->os.os);...}boot_os_fn *bootm_os_get_boot_func(int os){return boot_os[os];// 根据操作系统类型获得到对应的操作函数}static boot_os_fn *boot_os[] = {...#ifdef CONFIG_BOOTM_LINUX[IH_OS_LINUX] = do_bootm_linux,#endif}

可以看出最终启动linux的核心函数是do_bootm_linux。

另外几个函数最终也是调用到boot_fn，对应linux也就是do_bootm_linux，所以这里不在说明了。

下面继续说明一下do_bootm_linux的流程

五、do_bootm_linux

arch/arm/lib/bootm.cint do_bootm_linux(int flag, int argc, char * const argv[],bootm_headers_t *images){/* No need for those on ARM */if (flag & BOOTM_STATE_OS_BD_T || flag & BOOTM_STATE_OS_CMDLINE)return -1;// 当flag为BOOTM_STATE_OS_PREP，则说明只需要做准备动作boot_prep_linuxif (flag & BOOTM_STATE_OS_PREP) {boot_prep_linux(images);return 0;}// 当flag为BOOTM_STATE_OS_GO ，则说明只需要做跳转动作if (flag & (BOOTM_STATE_OS_GO | BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO)) {boot_jump_linux(images, flag);return 0;}boot_prep_linux(images); // 以全局变量bootm_headers_t images为参数传递给boot_prep_linuxboot_jump_linux(images, flag);// 以全局变量bootm_headers_t images为参数传递给boot_jump_linuxreturn 0;}

boot_prep_linux用于实现跳转到linux前的准备动作。

而boot_jump_linux用于跳转到linux中。

都是以全局变量bootm_headers_t images为参数，这样就可以直接获取到前面步骤中得到的kernel镜像、ramdisk以及fdt的信息了。

boot_prep_linux

首先要说明一下LMB的概念。LMB是指logical memory blocks，主要是用于表示内存的保留区域，主要有fdt的区域，ramdisk的区域等等。

boot_prep_linux主要的目的是修正LMB，并把LMB填入到fdt中。

实现如下：

static void boot_prep_linux(bootm_headers_t *images){char *commandline = getenv("bootargs");if (IMAGE_ENABLE_OF_LIBFDT && images->ft_len) {#ifdef CONFIG_OF_LIBFDTdebug("using: FDT\n");if (image_setup_linux(images)) {printf("FDT creation failed! hanging...");hang();}#endif}

这里没有深入学习image_setup_linux，等后续有需要的话再进行深入。

boot_jump_linux

以arm为例：

arch/arm/lib/bootm.cstatic void boot_jump_linux(bootm_headers_t *images, int flag){unsigned long machid = gd->bd->bi_arch_number; // 从bd中获取machine-id，machine-id在uboot启动流程的文章中有说明过了char *s;void (*kernel_entry)(int zero, int arch, uint params); // kernel入口函数，也就是kernel的入口地址，对应kernel的_start地址。unsigned long r2;int fake = (flag & BOOTM_STATE_OS_FAKE_GO); // 伪跳转，并不真正地跳转到kernel中kernel_entry = (void (*)(int, int, uint))images->ep;// 将kernel_entry设置为images中的ep（kernel的入口地址），后面直接执行kernel_entry也就跳转到了kernel中了// 这里要注意这种跳转的方法debug("## Transferring control to Linux (at address %08lx)" \"...\n", (ulong) kernel_entry);bootstage_mark(BOOTSTAGE_ID_RUN_OS);announce_and_cleanup(fake);// 把images->ft_addr（fdt的地址）放在r2寄存器中if (IMAGE_ENABLE_OF_LIBFDT && images->ft_len)r2 = (unsigned long)images->ft_addr;elser2 = gd->bd->bi_boot_params;if (!fake) {kernel_entry(0, machid, r2);// 这里通过调用kernel_entry，就跳转到了images->ep中了，也就是跳转到kernel中了，具体则是kernel的_start符号的地址。// 参数0则传入到r0寄存器中，参数machid传入到r1寄存器中，把images->ft_addr（fdt的地址）放在r2寄存器中// 满足了kernel启动的硬件要求}}

到这里，经过kernel_entry之后就跳转到kernel环境中了。有兴趣可以看一下kernel的启动流程。