11. board_init_r在U-Boot分析【学习笔记】(11)文章最后进入了 board_init_r 函数在 common/ 路径下可以找到 board_init_r.c 文件。voidboard_init_r(gd_t*new_gd,ulong dest_addr){/* * Set up the new global data pointer. So far only x86 does this * here. * TODO(sjgchromium.org): Consider doing this for all archs, or * dropping the new_gd parameter. */#ifCONFIG_IS_ENABLED(X86_64)arch_setup_gd(new_gd);#endif#ifdefCONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOCinti;#endif#ifdefCONFIG_AVR32mmu_init_r(dest_addr);#endif#if!defined(CONFIG_X86)!defined(CONFIG_ARM)!defined(CONFIG_ARM64)gdnew_gd;#endif#ifdefCONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOCfor(i0;iARRAY_SIZE(init_sequence_r);i)init_sequence_r[i]gd-reloc_off;#endifif(initcall_run_list(init_sequence_r))hang();/* NOTREACHED - run_main_loop() does not return */hang();}r0→ \rightarrow→new_gd拷贝到DDR的GD指针地址汇编执行 mov r0, r9将锁存在 r9 寄存器中、位于外部 DDR 顶端的全新 global_data 结构体绝对物理首地址注入 r0为 C 语言函数的第一个入参。r1→ \rightarrow→dest_addr代码段重定位基地址汇编执行 ldr r1, [r9, #GD_RELOCADDR]通过变址寻址从新 GD 中精准剥离出 U-Boot 自身代码段在 DDR 中的基地址将其压入 r1为 C 语言函数的第二个入参。主要操作1.手动重定位#ifdefCONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOCfor(i0;iARRAY_SIZE(init_sequence_r);i)init_sequence_r[i]gd-reloc_off;#endif代码意图遍历庞大的第二阶段初始化函数指针数组 init_sequence_r将数组内部存储的每一个子初始化函数的绝对物理基地址强行手动加上重定位偏移量 gd-reloc_off。架构幕后现代标准的 ARM 架构拥有极为强大的 .rel.dyn动态链接重定位表技术。在汇编的 relocate_code 循环中系统早已利用硬件级和底层的循环把文字池、全局符号表内的地址指针全部自动修正到了 DDR 高地址。这个宏CONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOC仅仅是为了兼容某些不具备动态链接自动修正能力的古老或特殊芯片架构如早期部分 MIPS/AVR32对其在软件层面实施的手动地址打补丁。对于你的 ARM 平台此段直接跳过。2.依次执行回调函数if(initcall_run_list(init_sequence_r))hang();代码意图正式开始第二阶段初始化的系列初始化操作。通用核心框架函数 initcall_run_list 顺序接收 init_sequence_r 函数指针数组。执行机制它内部包含一个严密的滚轮式循环会像剥洋葱一样从数组的第一项如 initr_trace开始顺次回调执行针对堆内存initr_malloc、驱动模型initr_dm、串口initr_serial及存储介质initr_mmc的 C 语言点亮函数。防御性编程根据 U-Boot 严格的底层开发规范初始化数组中的任何一个子函数成功必须返回 0失败必须返回非 0 错误码。一旦中途任何一个外设点亮卡死如网卡复位失败initcall_run_list 就会捕捉到非 0 恶果返回 true从而直接触发 hang()。在board_init_f 也有类似的操作init_sequence_f这里的 _f 代表 Forward/Front即重定位前的拓荒阶段init_sequence_r这里的 _r 代表 Relocation即重定位后的稳定阶段。核心维度前期拓荒init_sequence_f后期覆盖init_sequence_r物理战场芯片内部受限的SRAM外部大容量的DDR RAM核心使命点亮内存规划新空间探卡、算内存大小、圈地构建完整 C 语言运行业务加载内核、打通网络、处理业务内存池Malloc极其简陋的malloc_f容量只有几 KB只准分配不准释放真正的initr_malloc全功能堆内存支持完整的malloc/free设备驱动模型DM临时的简易驱动模型Pre-Relocation DM只点亮最迫切的外设全功能驱动模型initr_dm扫描全量设备树并绑定所有外设驱动终局归宿执行relocate_code发起物理搬家自毁低地址控制流执行run_main_loop陷入死循环倒计时拉起 Linux 内核init_sequence_r删除其他框架的内容保留 imx6ull 相关的代码后可以得到裁剪后的代码staticinit_fnc_tinit_sequence_r[]{initr_trace,/* 跟踪功能初始化 */initr_reloc,/* 盖章宣告重定位法理合法性设置 flags */initr_caches,/* ARM特有使能并配置 Cortex-A7 的 I-Cache/D-Cache 与 MMU */initr_reloc_global_data,/* 刷新并重新对齐重定位后的 Global Data 全局账本 */initr_barrier,/* 内存屏障确保前面的内存配置彻底生效 */initr_malloc,/* 物理圈定并初始化外部 DDR 中的全功能大容量堆内存池Malloc Pool */initr_console_record,/* 控制台记录功能初始化 */bootstage_relocate,/* 启动阶段时间戳记录统计重定位 */#ifdefCONFIG_DMinitr_dm,/* 驱动模型全量扫描设备树DTB并重新匹配绑定节点 */#endifinitr_bootstage,/* 启动阶段状态初始化 */board_init,/* 板级硬件底座初始化i.MX6ULL 具体的 GPIO 复用、网络 PHY 芯片物理复位 */#ifdefCONFIG_CLOCKSset_cpu_clk_info,/* 建立并设置当前 i.MX6ULL 的 CPU/内核时钟账本信息 */#endifstdio_init_tables,/* 标准输入输出设备表初始化 */initr_serial,/* 串口驱动正式向 DDR 变轨寻址接管物理寄存器 */initr_announce,/* 核心宣告串口吐出 Now running in RAM - U-Boot at... 确立统治权 */INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET/* 看门狗定时喂狗占位符防止外设握手卡死引发硬件复位 */#ifdefined(CONFIG_BOARD_EARLY_INIT_R)board_early_init_r,/* 早期板级 C 语言微调初始化 */#endifINIT_FUNC_WATCHDOG_RESET#ifdefCONFIG_SYS_DELAYED_ICACHEinitr_icache_enable,/* 延迟使能指令缓存 */#endifpower_init_board,/* i.MX6ULL 板载电源管理芯片如 PMIC或电压配置初始化 */INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET#ifdefCONFIG_GENERIC_MMCinitr_mmc,/* 彻底点亮 EMMC / SD卡驱动完成块设备物理握手与时钟配置 */#endifinitr_env,/* 核心分水岭去 EMMC 存储介质中迎回用户保存的“正统”环境变量bootcmd/bootargs */INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET stdio_add_devices,/* 将串口、LCD等虚拟化为标准 I/O 系统设备 */initr_jumptable,/* 跳转表初始化API函数指针注册 */console_init_r,/* 控制台完全体点亮从此 printf 的 Log 真正通过标准 I/O 链路发送 */#ifdefCONFIG_DISPLAY_BOARDINFO_LATEshow_board_info,/* 屏幕或串口打印当前 i.MX6ULL 开发板的硬件/厂商信息 */#endifINIT_FUNC_WATCHDOG_RESET interrupt_init,/* 硬件异常向量表与中断基底初始化 */initr_enable_interrupts,/* ARM特有改写 CPSR 寄存器全盘开启 ARM 核心的硬件中断IRQ捕获探针 */INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET#ifdefCONFIG_CMD_NETinitr_ethaddr,/* 从环境或 EEPROM 中提取、校验 i.MX6ULL 双网口的物理 MAC 地址 */#endif#ifdefCONFIG_BOARD_LATE_INITboard_late_init,/* 板级后期初始化执行 i.MX6ULL 特异性的最后环境微调 */#endif#ifdefCONFIG_CMD_NETINIT_FUNC_WATCHDOG_RESET initr_net,/* 探测并点亮以太网 PHY 芯片如 LAN8720A全盘激活 U-Boot 网络协议栈 */#endifrun_main_loop,/* 初始化序列的结尾结束线性逻辑进入 main_loop 倒计时命令侦听 */};核心内容性能与空间解封initr_caches 与 initr_malloc这两个函数紧密相连是系统在外部 DDR 里运行的基石。initr_caches硬件加速i.MX6ULL 是单核 Cortex-A7 架构。在重定位前代码在受限的 SRAM 里跑Cache 映射极其保守。到了这里系统重新配置 ARM 的 CP15 协处理器正式开启 D-Cache数据缓存和 MMU内存管理单元页表视图。没有这一步DDR 访问就会极其缓慢后面的 EMMC 加载内核会非常慢。initr_malloc软件松绑第一阶段的 malloc_f 容量极其有限只有几 KB且只准分配不准释放。在这里系统在 DDR 的安全区域物理圈出一片几 MB 到几十 MB 的连续空间构建了全功能堆内存池。从此标准的 malloc() 和 free() 机制在 C 语言世界里正式合法化后续复杂的设备树解析、网络协议栈才有空间动态开辟内存。现代框架核心initr_dm驱动模型这是理解现代 U-Boot 架构以及对接 Linux 内核最重要的一步。物理动作它会彻底切断重定位前在 SRAM 留下的微型、临时驱动链表将 gd-dm_root 抹零然后在 DDR 空间中重新调用 dm_init_and_scan(false)。本质意义系统会去全面扫描 DDR 中的 设备树DTB 镜像将设备树里的每一个节点Node与具体的驱动Driver进行正式的绑定。主权确立的官方公告initr_serial 与 initr_announce这是控制流在 DDR 中物理统治权完全确立的标志。物理动作initr_serial 让串口驱动全面进驻重定位后的 DDR 高地址寻址线接管物理寄存器。紧接着initr_announce 在控制台打印一行Log“Now running in RAM - U-Boot at: %08lx\n”。背景在这一行字打出来之前哪怕串口能打印东西也是在利用第一阶段重定位前的残存寄存器状态在“惯性盲打”只有这一行字吐出来才标志着 U-Boot 真正摆脱了 SRAM 的空间完全在 DDR RAM 中建立了自己的合法控制流。迎回正统内核账本initr_mmc 与 initr_env完美闭环i.MX6ULL 跑 Linux 基本上都是从 EMMC 或 SD 卡启动。这两个函数是引导内核的生命线。initr_mmc点亮 i.MX6ULL 的 USDHC超高速数据主机控制器驱动配置好时钟和引脚完成与 EMMC/SD 卡块设备的物理握手。initr_env核心动作env_relocate块设备通道一旦打通这个函数立刻执行。它直接奔向 EMMC 上的特定物理扇区编译时固化的偏移量把用户保存的、用来引导内核的 bootcmd启动命令和 bootargs内核传参配置环境变量全量读回内存覆盖掉出厂写死的默认值。没有这一步U-Boot 根本不知道去哪里找 Linux 内核。控制流的结束run_main_loop这是整个 init_sequence_r 线性初始化流水线的结尾也是整个 U-Boot 生命周期的终点。物理动作它彻底掐断了被动的初始化逻辑让控制流进入 main_loop() 的死循环中。分流在 main_loop 内部开始倒计时Bootdelay。如果倒计时期间用户按了回车则停留在 U-Boot 命令行 Shell 交互界面交出主权供工程师调试。如果倒计时归零且无干预它会把刚从 EMMC 读出的 bootcmd 字符串放入命令解析器直接开启 bootm 流程去加载、校验 Linux 内核镜像并将设备树物理地址打入 r2 寄存器强行把主权移交给 Linux 内核。U-Boot 自此完成使命。在 init_sequence_r 数组里绝大多数函数如 initr_malloc、initr_dm、initr_serial都是 U-Boot 官方写好的、全部芯片通用的公共代码。而board_init不同是板级特定函数Board-Specific Function。谁来写U-Boot 官方不管这个函数的具体内容它是由 芯片厂商如 NXP或自己的硬件团队 亲自手写的。在哪找对于 i.MX6ULL它的物理源码隐藏在 board/freescale/mx6ullevk/mx6ullevk.c或者是你们定制板子的对应 C 文件中。本质角色它是 U-Boot 通用底层框架专门留给具体硬件工程师的“硬件清场底座接口”。在其内部系统会控制底层寄存器完成了以下系统级合围1.确立 ATAGS 传参位置强行指定 gd-bd-bi_boot_params PHYS_SDRAM 0x100;为后续向 Linux 内核交接数据埋下物理伏笔。2.引脚电气属性锁死配置 IOMUXC 矩阵全盘定义 EMMC、串口等核心外设引脚的上下拉电阻与驱动电流让乱飞的物理引脚归位。3.强推外设硬件复位通过控制 GPIO 电平的物理跳变对板载的网络 PHY 芯片如 LAN8720A实施硬核的掉电复位直接决定了后续 initr_net 网络功能能否顺利启动。12. run_main_loop在 init_sequence_r 的最后会进入 run_main_loopstaticintrun_main_loop(void){#ifdefCONFIG_SANDBOXsandbox_main_loop_init();#endif/* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again */for(;;)main_loop();return0;}CONFIG_SANDBOX是U-Boot 官方为了方便开发者在没有硬件板卡的情况下直接在 Linux 电脑X86 宿主机上模拟运行、测试 U-Boot 核心逻辑的一种虚拟环境。对于 i.MX6ULL我们跑的是真实的物理芯片这个宏在 BSP 编译时根本不会开启。代码意图控制流在这里彻底告别了过去的“线性执行”执行完一个函数接着执行下一个而是通过一个绝对不可逆的 for( ;; ) 死循环把 CPU 的控制权死死扣留在 main_loop() 内部。为什么用死循环注释说得很明白“main_loop() 可能会因为某些异常重试自动启动Autoboot而返回如果它返回了那就再次运行它。” 这是一个高级的防御性容错设计。在极端恶劣的工业现场如果自动引导内核中途因为突发电气干扰失败掉出来了死循环能保证 U-Boot 不会崩溃跑飞而是重新跌回 main_loop 重新侦听命令或尝试二次引导给系统留下一线生机。关系总结init_sequence_r 是线性流水线它是一个包含二十多个函数指针的数组系统像滚轮一样从头到尾、不回头地顺次依次执行各个外设的初始化。内部做了什么 重新使能 Cortex-A7 的高速 Cache 与 MMU 页表物理圈定外部 DDR 空间构建全功能大容量的 Malloc 堆全量扫描设备树DTB镜像构建现代驱动模型DM打通 USDHC 块设备通道并执行 env_relocate() 迎回环境变量硬核掉电复位板载以太网 PHY 芯片。核心目的 承接汇编时代的拓荒成果在空间海量的外部 DDR 内存中从零开始搭建起一套完整、合法且高效率的 C 语言全功能业务运行底座。run_main_loop 当 init_sequence_r 数组的最后一个指针被调用时指向的正是 run_main_loop()。它内部直接切断了线性的逻辑。main_loop() 是死循环run_main_loop 内部用一记冷酷的 for( ;; ) 死循环把控制流死死扣留在 main_loop() 内部。至此CPU 不再被动地接受初始化指令而是主动陷入了无限的命令轮询和事件监听中。内部做了什么 启动 bootstage 节点时间戳打卡统计调用 cli_init() 初始化 U-Boot 独有的命令解析器如 Husk Shell引爆 Bootdelay 倒计时并通过串口寄存器疯狂轮询捕获键盘的输入事件。核心目的 履行引导程序的最终目的 —— 实现软硬件主权的终局变轨。若倒计时期间检测到用户敲击回车则常驻 Shell 交互界面供工程师调试若无人干预则直接将抢回来的 bootcmd 丢进命令解析引擎强行呼叫 bootm 流程去解构 Linux 内核将机器最高控制权移交出去随后宣告自我解体。13. main_loop/* We come here after U-Boot is initialised and ready to process commands */voidmain_loop(void){constchar*s;bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_MAIN_LOOP,main_loop);#ifdefCONFIG_VERSION_VARIABLEsetenv(ver,version_string);/* set version variable */#endif/* CONFIG_VERSION_VARIABLE */cli_init();run_preboot_environment_command();#ifdefined(CONFIG_UPDATE_TFTP)update_tftp(0UL,NULL,NULL);#endif/* CONFIG_UPDATE_TFTP */sbootdelay_process();if(cli_process_fdt(s))cli_secure_boot_cmd(s);autoboot_command(s);cli_loop();panic(No CLI available);}核心函数分析cli_init()内部做了什么初始化 U-Boot 的命令行接口CLICommand Line Interface比如现代 U-Boot 最常使用的、类似于 Linux Bash 语法的 Hush Shell 引擎。它会初始化内建命令列表的查找表准备好命令历史缓冲区。目的只有这一步执行完系统后续才具备了解析字符串并将其翻译为底层驱动控制命令如 md, mw, tftp的能力。run_preboot_environment_command()内部做了什么它会去检查环境变量中是否存在一个叫 preboot 的特殊环境变量。如果存在就会在正式启动倒计时之前率先把 preboot 里面的命令字符串砸给解析器执行一遍。工业级应用比如在某些特定硬件上要求系统在任何启动动作甚至倒计时之前必须先点亮某颗特殊的安全芯片或进行某种关键物理电平检测工程师就会把这组动作写进 preboot 中。s bootdelay_process();内部做了什么它会从已经迁移到 DDR 的环境变量账本中提取两个最关键的数字bootdelay倒计时秒数比如 3 秒和 bootcmd默认启动命令串。物理本质它会在控制台打印出那句标志性的Hit any key to stop autoboot: 3。在这几秒内系统开始轮询串口的 RX 接收寄存器。用户按下了回车函数会立刻拦截并返回NULL即指针 s NULL。倒计时安全归零无人干预函数则会返回bootcmd的字符串指针。autoboot_command(s);内部做了什么它接过了上一步拿到的指针 s。如果 s 是 NULL说明用户在倒计时按键了这个函数内部什么都不做。如果 s 包含 bootcmd说明倒计时归零无人干预它就会立刻把这一长串启动命令例如run findfdt; mmc dev 1; bootz 0x80800000 - 0x83000000写入解析器。命运交接在正常量产出厂的设备中这里会一路点亮 EMMC、加载内核镜像和设备树最终利用 bootm彻底将主权移交给 Linux 内核U-Boot 在这里完成使命。cli_loop();内部做了什么如果上一步的 autoboot_command(s) 因为用户干预没有执行或者因为EMMC 里的内核镜像损坏导致自动启动失败返回控制流就会进入到最后一站 —— cli_loop()。物理本质它会在串口终端彻底吐出我们极其熟悉的 命令行提示符。从此系统进入无限的交互监听状态静待你在终端输入任何调试指令。安全闭环代码最后一行写着 panic(“No CLI available”);。这意味着如果连最后的命令行交互引擎都崩溃了系统将直接陷入内核恐慌彻底死锁。无人干预时autoboot_command 把 bootcmd 这一长串字符串如 run findfdt; mmc dev 1; bootz 0x80800000 - 0x83000000存入解析器 run_command_list() 时会发生以下场景第一阶段字符串的“解构与斩线”命令拆解输入进来的 bootcmd 是一个长长的复合字符串中间用分号 ; 隔开。拆分命令解析器如 Hush Shell拿到字符串后首先把分号 ; 视为断句标志将其拆分为一条条独立的单体命令例如先执行 mmc dev 1再执行 bootz …。查表匹配对于拆出来的每一条命令解析器会去 U-Boot 内部一块内存区域——内建命令表Linker List中去翻账本通过字符串匹配找到对应的底层 C 语言函数指针。匹配到 mmc→ \rightarrow→对应执行 cmd/mmc.c 里的 do_mmc() 函数。匹配到 bootz→ \rightarrow→对应执行 cmd/bootz.c 里的 do_bootz() 函数。第二阶段高级外设的数据加载命令匹配成功后U-Boot 开始疯狂压榨硬件把启动所需的信息全部从非易失性存储介质EMMC/SD卡搬移到大容量的外部 DDR 内存中。切换通道mmc dev 1调用 USDHC 驱动将数据总线切换到 EMMC 芯片上。信息迁移紧接着会执行 mmc read … 或类似捞内核的命令驱动开始对 EMMC 进行块级别的物理读取跨越寻址线把两个关键镜像强行写入 DDR 的指定物理地址Linux 内核镜像zImage→ \rightarrow→写入 DDR 的 0x80800000 地址。设备树镜像DTB→ \rightarrow→写入 DDR 的 0x83000000 地址。第三阶段物理变轨当解析器解析到最后一条命令 bootz 0x80800000 - 0x83000000 并调用 do_bootz() 时整个 U-Boot 开始实施自我解体与主权移交镜像验明身份do_bootz 率先去读取 0x80800000 处的内核头部魔数Magic Number确认这不是一段垃圾代码而是一颗正统的 Linux 芯片。彻底清场cleanup_before_linux在临终前U-Boot 必须让整个芯片回到最纯净的原始状态。它会强行关闭硬件中断、关闭 D-Cache数据缓存。因为如果带着 U-Boot 时代残留的缓存和中断跑进 LinuxLinux 内核会直接崩溃。软硬件生命线交接汇编跳转系统在底层通过函数指针强行执行一段 ARM 汇编指令通常是一句 bx 或 mov pc 跳转指令。在跳进 Linux 内核入口的一瞬间U-Boot 完成了硬件寄存器的数据存放把值 0 砸进 r0 寄存器。把机器 IDMachine ID砸进 r1 寄存器。【重点】 把设备树DTB在 DDR 中的物理首地址0x83000000强行死死写入 ARM 架构的 r2 寄存器总结跳转汇编指令一旦执行CPU 的程序计数器PC 指针瞬间指向了 Linux 内核的第一行机器码。Linux 内核的汇编启动代码立刻去 r2 寄存器 里读出 0x83000000 坐标从此开启了 Linux 视角的设备树动态解析与全盘接管。而由 init_sequence_r 搭建起来的、main_loop 保护的的整个 U-Boot 在这一刻直接在物理内存中被就地宣告非法并彻底抹零、全盘解体。U-Boot 至此完成了它所有的历史宿命。
