bootloader

1. BootLoader

The computer first executes a relatively small program stored in read-only memory (ROM) along with a small amount of needed data, to access the nonvolatile device or devices from which the operating system programs and data can be loaded into RAM.

bootloader – wiki

2. U-Boot

Das U-Boot – the Universal Boot Loader

其官网地址为：http://www.denx.de/wiki/U-Boot/WebHome

官网也很贴心的有指导手册

U-Boot是遵循GPL条款的开放源码项目。其源码目录、编译形式与Linux内核很相似，事实上，不少U-Boot源码就是根据相应的Linux内核源程序进行简化而形成的，尤其是一些设备的驱动程序，这从U-Boot源码的注释中能体现这一点。U-Boot不仅仅支持嵌入式Linux系统的引导，它还支持NetBS
D, VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS, android嵌入式操作系统。它还具有丰富的驱动代码及文件系统支持。（UART、Ethernet、SDRAM、Flash，RTC，ext[2|3|4]、FAT，JFFS2、Squashfs、Cramfs、UBIFS等）

U-Boot GitHub

U-Boot的主要作用是：

初始化硬件
建立内存空间映射

2.1. Bootup Stages

BootLoader的启动过程可以使单阶段(single stage)与多阶段(multi-stage)
一般选择多阶段启动提供更复杂的功能，以及更好的可移植性。

2.1.1. Stage1

常用汇编代码编写此段代码。例如u-boot/arch/arm/xxx/start.S。
Stage1 的主要作用：

设定异常向量(exception vector)
初始化硬件（CPU速度，时钟频率，关中断，Disable I/D Cache，u-boot毕竟很简单）
初始化内存控制器
拷贝Rom或者Flash 等上的程序到Ram中（u-boot运行代码）
初始化堆栈

2.1.2. Stage2

主要是C语言代码，ARM体系一般是在lib_arm/board.c中start_armboot()。Stage2 主要完成：

该阶段使用到的外围硬件初始化（Flash、SD、Ethernet等）
检测RAM 映射
拷贝Kernel 镜像至RAM 中的加载地址
设定启动参数
启动OS

2.2. U-Boot Directory

目录	特性	备注
board	平台依赖	目标板文件。Flash，Ram等驱动
cpu	平台依赖	与处理器相关
lib_arm	平台依赖	处理器体系相关
post	通用	上电自检文件目录
fs	通用	文件系统fat，jffs2,nfs,ubifs,ext[2-4]等
driver	通用	通用设备驱动
net	通用	网络
common	通用	内存检测，Nand等常用命令

2.3. U-Boot Memory Map

U-Boot 的内存主要分布图如下图：

2.4. U-Boot Parameters

名称	默认值	备注
bootargs	noinitrd root=/dev/mtdblock4 init=/linuxrc console=ttySAC0,115200	U-Boot 在启动内核之前的等待时间，单位：秒
bootdelay	1	与处理器相关
ethaddr	00:40:5C:26:0A:5B	网卡的MAC 地址
ipaddr	172.20.223.235	U-Boot 使用的IP 地址
loadaddr	0x40000000	下载二进制文件时的默认地址
bootcmd	nand read C0008000 600000 500000; bootm C0008000	当使用boot 命令启动系统时所执行的脚本

Parameters Store

globa data的RAM地址一般是存放在ARM 的R8 通用寄存器中。定义见include/asm-generial/global_data.h。

注：具体的位置可能因为U-Boot 代码的维护更新在变动，具体请参考实际的GitHub 版本

#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR register volatile gd_t*d asm("r8")

gd = (gd_t *)(_armboot_start - CONFIG_SYS_MALLOC_LEN - sizeof(gd_t));

gd->bd = (bd_t *)((char*)gd - sizeof(btd_t));

typedef struct global_data {
	bd_t *bd;
	unsigned long flags;
	unsigned int baudrate;
	unsigned long cpu_clk;		/* CPU clock in Hz!		*/
	unsigned long bus_clk;
	unsigned long pci_clk;
	unsigned long mem_clk;

#ifdef CONFIG_BOARD_TYPES
	unsigned long board_type;
#endif
	unsigned long env_addr;		/* Address  of Environment struct */

	unsigned long ram_base;		/* Base address of RAM used by U-Boot */
	unsigned long ram_top;		/* Top address of RAM used by U-Boot */
	unsigned long relocaddr;	/* Start address of U-Boot in RAM */
	phys_size_t ram_size;		/* RAM size */
	unsigned long irq_sp;		/* irq stack pointer */
	unsigned long start_addr_sp;	/* start_addr_stackpointer */
	unsigned long reloc_off;
	struct global_data *new_gd;	/* relocated global data */

	char env_buf[32];		/* buffer for env_get() before reloc. */

#if CONFIG_VAL(SYS_MALLOC_F_LEN)
	unsigned long malloc_base;	/* base address of early malloc() */
	unsigned long malloc_limit;	/* limit address */
	unsigned long malloc_ptr;	/* current address */
#endif

    ... ...
#ifdef CONFIG_BOOTSTAGE
	struct bootstage_data *bootstage;	/* Bootstage information */
	struct bootstage_data *new_bootstage;	/* Relocated bootstage info */
#endif
} gd_t;

bd_t 保存于板子相关的配置参数。具体可见include/asm-generial/u-boot.h。

typedef struct bd_info {
	unsigned long	bi_memstart;	/* start of DRAM memory */
	phys_size_t	bi_memsize;	/* size	 of DRAM memory in bytes */
	unsigned long	bi_flashstart;	/* start of FLASH memory */
	unsigned long	bi_flashsize;	/* size	 of FLASH memory */
	unsigned long	bi_flashoffset; /* reserved area for startup monitor */
	unsigned long	bi_sramstart;	/* start of SRAM memory */
	unsigned long	bi_sramsize;	/* size	 of SRAM memory */
#ifdef CONFIG_ARM
	unsigned long	bi_arm_freq; /* arm frequency */
	unsigned long	bi_dsp_freq; /* dsp core frequency */
	unsigned long	bi_ddr_freq; /* ddr frequency */
#endif

	unsigned long	bi_bootflags;	/* boot / reboot flag (Unused) */
	unsigned long	bi_ip_addr;	/* IP Address */
	unsigned char	bi_enetaddr[6];	/* OLD: see README.enetaddr */
	unsigned short	bi_ethspeed;	/* Ethernet speed in Mbps */
	unsigned long	bi_intfreq;	/* Internal Freq, in MHz */
	unsigned long	bi_busfreq;	/* Bus Freq, in MHz */

	ulong	        bi_arch_number;	/* unique id for this board */
	ulong	        bi_boot_params;	/* where this board expects params */

    ... ...
#ifdef CONFIG_NR_DRAM_BANKS
	struct {			/* RAM configuration */
		phys_addr_t start;
		phys_size_t size;
	} bi_dram[CONFIG_NR_DRAM_BANKS];
#endif /* CONFIG_NR_DRAM_BANKS */
} bd_t;

在启动之后一般使用RAM 临时存放启动参数，在使用saveenv 命令后将会将之写到类似于Flash 存储介质上。

Parameters Structure
ARM 采用了自己体系定义的参数结构。它的定义可以参见arch/arm/include/asm/setup.h。

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;
};

#define tag_next(t)	((struct tag *)((u32 *)(t) + (t)->hdr.size))
#define tag_size(type) ((sizeof(struct tag_header) + sizeof(struct type)) >> 2)

/* The list ends with an ATAG_NONE node. */
#define ATAG_NONE	0x00000000

struct tag_header {
	u32 size;
	u32 tag;
};

/* The list must start with an ATAG_CORE node */
#define ATAG_CORE	0x54410001

struct tag_core {
	u32 flags;		/* bit 0 = read-only */
	u32 pagesize;
	u32 rootdev;
};

#define ATAG_MEM	0x54410002
#define ATAG_VIDEOTEXT	0x54410003
... ...