嗨喽，大家好，我是程序猿老王，程序猿老王就是我。
今天给大家全面的分析一下u-boot启动流程。整理这篇文章花费时间较长，中间很长时间未更新，希望这篇文章对大家有所帮助。
本章主要是详细的分析一下uboot的启动流程，理清uboot是如何启动的。通过对uboot启动流程的梳理，我们就可以掌握一些外设是在哪里被初始化的，这样当我们需要修改这些外设驱动的时候就会心里有数。另外，通过分析uboot的启动流程可以了解Linux内核是如何被启动的。
在看本章之前，个人建议先去个人微信公众号(文末有)看一下前几篇文章。对u-boot的开发环境搭建、u-boot整体移植和u-boot下网络调试有一点了解后，再来看本篇文章，这样可能比较容易看明白。
Linux系统开发环境搭建篇：Linux系统开发环境搭建 u-boot移植篇：u-boot移植：详细讲解移植u-boot.2022.10版本到imx6ull开发板 u-boot网络移植于调试篇：详细讲解u-boot之网络移植与调试 本章主要是详细的分析一下uboot的启动流程，理清uboot是如何启动的。通过对uboot启动流程的梳理，我们就可以掌握一些外设是在哪里被初始化的，这样当我们需要修改这些外设驱动的时候就会心里有数。另外，通过分析uboot的启动流程可以了解Linux内核是如何被启动的。
首先给大家先看一下，u-boot启动从入口函数到启动内核的详细函数调用流程于层级关系图，对u-boot启动的整体有一个快速了解，后面回详细介绍各个函数的作用。
U-Boot 源码文件众多，我们如何知道最开始的启动文件（程序入口）是哪个呢？程序的链接是由链接脚本来决定的，所以通过链接脚本可以找到程序的入口，链接脚本为arch/arm/cpu/u-boot.lds，它描述了如何生成最终的二进制文件，其中就包含程序入口。
u-boot.lds:文件所在位置arch/arm/cpu/u-boot.lds
通过上面的分析可以看出： 由于在链接脚本中规定了文件start.o(对应于start.S)作为整个uboot的起始点，因此启动uboot时会执行首先执行start.S。 一般来说，内存空间可分为代码段、数据段、全局变量段、未初始化变量区、栈区、堆区等.其中，栈区由指针SP决定，堆区实质上是由C代码实现的，其它段则由编译器决定.从上面的分析可以看出，从0x00000000地址开始，编译器首先将代码段放在最开始的位置，然后是数据段，然后是bss段(未初始化变量区)。
u-boot.map 是uboot的映射文件，可以从此文件看到某个文件或者函数链接到了哪个地址，下面打开 u-boot.map，查看各个段的起始地址和结束分别是多少；
从u-boot.map映射文件种，可以知道__image_copy_start为0X，而.text的起始地址也是0X，vectors 段的起始地址也是0X，可以得出各个段的地址关系表，如下；
注：表中的变量除了__image_copy_start以外，其他的变量值每次编译的时候可能会变化。修改uboot 代码、配置等都会影响到这些值。所以，一切以实际值为准！
从链接文件(u-boot.lds) 中知道了程序入口是 _start，_start 在文件 arch/arm/lib/vectors.S 中有定义，具体代码如下；
从u-boot.map映射文件可以得出.vectors段的最开始就是_start，而从_start定义我们可以知道首先是跳转到reset函数，再设置中断向量表。
从程序入口_start定义中得出，_start中首先是跳转到reset函数，reset在文件arch/arm/cpu/armv7/start.S中有定义，具体代码如下；
reset函数只有一句跳转语句，直接跳转到了save_boot_params函数，而save_boot_params函数同样定义在start.S里面，定义如下：
save_boot_params_ret函数主要的操作如下：
- 1.如果定义宏CONFIG_POSITION_INDEPENDENT，则进行修正重定位的问题（pie_fixup、pie_fix_loop、pie_skip_reloc）；
- 2.如果定义宏CONFIG_ARMV7_LPAE，LPAE（Large Physical Address Extensions）是ARMv7系列的一种地址扩展技术，可以让32位的ARM最大能支持到1TB的内存空间，由于嵌入式ARM需求的内存空间一般不大，所以一般不使用LPAE技术；
- 3.设置CPU为SVC32模式，除非已经处于HYP模式，同时禁止中断（FIQ和IRQ）；
- 4.设置中断向量表地址为_start函数的地址，在map文件中可以看到，为0x；
- 5.进行CPU初始化，调用函数cpu_init_cp15和cpu_init_crit分别初始化CP15和CRIT；
- 6.最后跳转到_main函数。
cpu_init_cp15函数，在文件arch/arm/cpu/armv7/start.S中定义，具体代码如下；
cpu_init_cp15函数主要的操作如下：
- 1.失效 L1 I/D Cache；
- 2.禁用MMU和缓存。
cpu_init_crit在文件arch/arm/cpu/armv7/start.S中定义，具体代码如下；
可以看到函数cpu_init_crit内部又只是一句跳转语句，调用了函数lowlevel_init，接下来就是详细的分析一下lowlevel_init和_main这两个函数。
lowlevel_init函数，在文件arch/arm/cpu/armv7/lowlevel_init.S 中有定义，具体代码如下；
lowlevel_init函数主要的操作如下：
- 1.设置SP指针为CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR
- 2.对sp指针做8字节对齐处理
- 3.SP减去#GD_SIZE = 248，GD_SIZE同样在generic-asm-offsets.h 中定了
- 4.对 sp 指针做8字节对齐处理
- 5.将SP保存到R9，ip和lr入栈，程序跳转到s_init（对于I.MX6ULL来说，s_init 就是个空函数）
- 6.函数一路返回，直到_main，s_init函数-->函数lowlevel_ini-->cpu_init_crit-->save_boot_params_ret-->_main。
_main函数在文件 arch/arm/lib/crt0.S中有定义 _main函数执行可以大致分为如下4个部分：
- 设置初始化C运行环境并调用board_init_f函数
- 设置新的sp指针和gd指针，设置中间环境位，调用代码重定位
- 重定位向量表
- 设置最后的运行环境并调用board_init_r函数
代码部分，具体如下；
- 1.设置sp指针为 CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR；
- 2.对sp指针做8字节对齐处理；
- 3.读取sp到寄存器r0里面；
- 4.调用函数board_init_f_alloc_reserve；
- 5.调用函数board_init_f_init_reserve；
- 6.调用函数board_init_f。 1.board_init_f_alloc_reserve函数 board_init_f_alloc_reserve函数，在common/init/board_init.c文件中定义，如下；
board_init_f_alloc_reserve函数的作用是根据传入参数是栈顶地址，计算出预留空间的底部，并将其返回。 主要是留出早期的 malloc 内存区域和gd内存区域。如果宏CONFIG_MALLOC_F_ADDR没有被定义，则为malloc预留部分内存空间，大小为CONFIG_SYS_MALLOC_F_LEN；其次为GD变量（global_data结构体类型）预留空间，并且对齐到16个字节的倍数。 2.board_init_f_init_reserve函数 board_init_f_init_reserve函数，在common/init/board_init.c文件中定义，如下；
board_init_f_init_reserve函数的作用是初始化gd，其实就是清零处理；设置了gd->malloc_base为gd基地址+gd 大小，并做16字节对齐处理。
代码部分，具体如下；
- 1.设置新的栈顶指针为sp = gd->start_addr_sp；
- 2.设置新的gd指针为r9 <- gd->new_gd；
- 3.设置新r0指针为r0 = gd->reloc_off；
- 4.设置r0寄存器的值为gd->relocaddr，跳转到代码重定位relocate_code。
代码部分，具体如下；
代码重定位后返回到here标号处，调用relocate_vectors函数，对中断向量表做重定位。
代码部分，具体如下；
board_init_r函数主要工作：
- 1.调用函数c_runtime_cpu_setup，失效I-cache；
- 2.清除BSS段；
- 3.设置函数board_init_r的两个参数；
- 4.调用函数board_init_r。
board_init_f函数，在common/board_f.c文件定义，具体代码如下；
board_init_f函数主要有两个工作：
- 1.初始化gd的各个成员变量
- 2.调用函数initcall_run_list，初始化序列init_sequence_f里面的一系列函数，来初始化一系列外设，比如串口、定时器，或者打印一些消息等。 init_sequence_f数组，在common/board_f.c文件中定义，如下，初始化函数表省略其中部分代码；
其中比较重要的一些初始化函数如下：
- 1.setup_mon_len函数：设置gd的mon_len成员变量，也就是整个代码的长度；
- 2.initf_malloc函数：设置gd中和malloc有关的成员变量；
- 3.board_early_init_f函数：用来初始化串口的IO配置，在board/freescale/mx6ull_toto/mx6ull_toto.c文件中定义；
- 4.timer_init函数：初始化内核定时器，为uboot提供时钟节拍，在arch/arm/imx-common/timer.c文件中定义；
- 5.get_clocks函数：获取了SD卡外设的时钟（sdhc_clk），在arch/arm/imx-common/speed.c文件中定义；
- 6.init_baud_rate函数：初始化波特率，在common/board_f.c文件中定义；
- 7.serial_init函数：初始化串口通信设置，在drivers/serial/serial.c文件中定义；
- 8.console_init_f函数：初始化控制台，在common/console.c文件中定义：
- 9.display_options函数：打印uboot版本信息和编译信息，在lib/display_options.c文件中定义；
- 10.print_cpuinfo函数：用来显示CPU信息和主频，在arch/arm/imx-common/cpu.c文件中定义；
- 11.show_board_info函数：打印开发板信息，在common/board_info.c文件中定义；
- 12.init_func_i2c函数：用于初始化I2C；
- 13.announce_dram_init函数：此函数很简单，就是输出字符串“DRAM:”；
- 14.dram_init函数：并非真正的初始化DDR，只是设置gd->ram_size的值。
relocate_code函数，在arch/arm/lib/relocate.S文件定义，具体代码如下；
relocate_code此函数主要完成镜像拷贝和重定位，镜像地址从__image_copy_start开始，到__image_copy_end结束，拷贝的目标地址由参数传进来，也就是r0寄存器的值。重定位的原理此处不展开，需要了解的自行去学习。
relocate_vectors函数，在arch/arm/lib/relocate.S文件定义，具体代码如下；
relocate_vectors函数用于重定位向量表，只有一步操作比较重要，就是将uboot重定位完之后的地址，装载到CP15的VBAR寄存器中设置向量表偏移，该寄存器自行去学习。
board_init_r函数，在common/board_r.c文件定义，具体代码如下；
board_init_f函数中，会初始化一些外设和gd的成员变量，但并没有初始化所有的外设，还需要一些后续工作，这些工作就是由board_init_r函数完成的，调用initcall_run_list函数执行初始化序列init_sequence_r，init_sequence_r是一个函数表，也定义在该文件中，部分代码如下；
其中比较重要的一些初始化函数如下：
- 1.initr_caches函数：初始化cache，使能cache；
- 2.board_init函数：FEC初始化，在board/freescale/mx6ull_toto/mx6ull_toto.c文件中定义；
- 3.initr_mmc函数：初始化emmc，在common/board_r.c文件中定义；
- 4.iinitr_env函数：初始化环境变量；
- 5.console_init_r函数：初始化控制台，在common/console.c文件中定义；
- 6.interrupt_init函数和initr_enable_interrupts函数：初始化中断并使能中断；在arch/arm/lib/interrupts.c文件中定义；
- 7.initr_ethaddr函数：初始化网络地址，获取MAC地址，读取环境变量ethaddr的值；
- 8.initr_net函数：初始化网络设备，函 数 调 用 顺 序 为 ：initr_net->eth_initialize->board_eth_init()，在common/board_r.c文件中定义；
- 9.run_main_loop函数：主循环，处理命令。
run_main_loop函数，在common/board_r.c文件定义，具体代码如下；
uboot启动以后会进入3秒倒计时，如果在3秒倒计时结束之前按下按下回车键，那么就会进入uboot的命令模式，如果倒计时结束以后都没有按下回车键，那么就会自动启动Linux内核，这个功能就是由run_main_loop函数来完成的。 main_loop函数，在common/main.c文件中定义，具体代码如下；
main_loop函数主要工作：
- 1.调用bootstage_mark_name函数，打印出启动进度
- 2.如果宏CONFIG_VERSION_VARIABLE定义了就会执行函数setenv，设置换将变量ver的值为version_string，也就是设置版本号环境变量；
- 3.调用cli_init函数，初始化hushshell相关的变量
- 4.调用bootdelay_process函数，此函数会读取环境变量bootdelay和bootcmd的内容，然后将bootdelay的值赋值给全局变量stored_bootdelay，返回值为环境变量bootcmd的值。
- 5.autoboot_command函数，此函数就是检查倒计时是否结束？倒计时结束之前有没有被打断？在文件common/autoboot.c文件中定义，具体代码如下；
abortboot函数，在文件common/autoboot.c文件中定义，具体代码如下；
在倒计时结束之前有按键按下则执行函数 abortboot_single_key，abortboot_single_key函数在common/autoboot.c文件中定义，具体代码如下；
abortboot_single_key函数主要工作：
- 1.倒计时的具体实现；
- 2.判断键盘是否有按下，也就是是否打断了倒计时，如果键盘按下的话就执行相应的分支。比如设置abort为 1，设置 bootdelay为0等，最后跳出倒计时循环；
- 3.返回abort的值，如果倒计时自然结束，没有被打断abort就为0，否则的话abort的值就为 1；
- 4.在autoboot_command函数中，如果倒计时自然结束那么就执行函数run_command_list，此函数会执行参数s指定的一系列命令，也就是环境变量bootcmd的命令，bootcmd里面保存着默认的启动命令，因此linux内核启动！
上面给大家详细的讲解了各个函数的作用，以及调用关系。现在给大家总结一下，以流程框图的形式，展示u-boot启动流程；
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