Linux基础 -- SoC从uboot到linux kernel的全过程

总体流程概览（ARM 平台，Device Tree 支持）

[上电 / 复位]
     ↓
[Boot ROM (SoC 内部)]
     ↓
[1st Stage Bootloader (如 SPL)]
     ↓
[2nd Stage Bootloader: U-Boot]
     ↓
[Load Linux Kernel、DTB、Initramfs]
     ↓
[设置内核启动参数/设备树/内存布局]
     ↓
[跳转到内核入口 __start()，Kernel 开始执行]

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一、上电后的 BootROM 阶段（由 SoC 厂商固化）

• 通常由 ARM SoC 厂商提供，不可修改；
• 功能：初始化 Boot 设备（SPI-NAND、eMMC、SD、USB等）；
• 加载 SPL（二级引导前的小型启动代码）到 SRAM，跳转执行。

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二、SPL（Secondary Program Loader）阶段

功能：

• 初始化 DRAM；
• 加载完整的 U-Boot 镜像到内存；
• 跳转到 U-Boot。

注意：若 SoC 有 SRAM 限制严重，必须使用 SPL 机制；否则直接进入 U-Boot。

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三、U-Boot 主程序阶段（bootloader）

这是 加载并启动 Linux 的关键阶段。

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1. 加载内核镜像、设备树、initramfs（可选）

• 一般从 eMMC/NAND/SD 卡/FAT/ext4 文件系统中读取：

ext4load mmc 0:1 0x80000 Image         # 加载内核
ext4load mmc 0:1 0x40000 dtb           # 加载设备树
ext4load mmc 0:1 0x2000000 initrd.img  # 可选加载 initramfs

U-Boot 通常使用如下内存地址布局（不同平台略有不同）：

模块	地址（示例）
kernel	0x80000 或 0x80080000
dtb	0x40000 或 0x83000000
initrd	0x2000000

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2. 设置 bootargs / ATAG / FDT 参数

• 设置传给内核的启动参数（cmdline）：

setenv bootargs "console=ttyAMA0 root=/dev/mmcblk0p2 rootwait"

• ARMv7: 使用 ATAG 参数结构体（较老）
• ARMv8: 使用设备树（FDT）

U-Boot 通过环境变量 bootargs 构造 cmdline。

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3. 调用 bootm / booti 命令启动内核

• bootm：用于启动传统的 uImage（带 U-Boot header）
• booti：用于启动裸内核 Image（AArch64）
• bootz：启动 zImage（压缩内核）

示例命令：

booti 0x80000 - 0x40000
#         │     │     └── 设备树地址
#         │     └── initrd（若无填 -）
#         └── kernel image 加载地址

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四、U-Boot 跳转到 Linux 内核入口

在调用 booti/bootm 时，U-Boot 做了以下事情：

设置 CPU 运行状态

• ARMv7：设置为 SVC 模式（关闭中断）；
• ARMv8：设置 EL2 → EL1，以 EL1 执行内核；
• 关闭 MMU、Cache，或根据配置保留 L2；

设置寄存器

• ARMv7：

  • R0 = 0（机器 ID）
  • R1 = 机器 ID（老方式）
  • R2 = ATAG 地址或 DTB 地址

• ARMv8：

  • x0 = FDT blob 地址（必须）
  • x1~x3 = 0

最后使用汇编跳转：

# ARMv7:
mov     r0, #0
ldr     r1, =machine_id
ldr     r2, =atags_addr  ; 或 dtb
mov     pc, r0           ; 跳转到内核入口

# ARMv8:
mov     x0, dtb_addr
br      x1               ; x1 指向 kernel __start

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五、Linux 内核执行入口 (__start)

内核镜像的起始点通常是：

// ARMv8-A arch/arm64/kernel/head.S
ENTRY(__start)
    // 关闭 MMU/Cache（如果 U-Boot 没做）
    // 设置页表、栈、EL级别
    // 跳转到 start_kernel()

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总结：U-Boot 启动 Linux 的关键点

阶段	关键任务
SPL	初始化 RAM，加载 U-Boot
U-Boot	初始化设备、加载 kernel/dtb/initrd
设置参数	设定 bootargs，填充 FDT
跳转	设置寄存器、进入内核入口
内核启动	进入 start_kernel()，开始内核世界

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推荐配置文件（U-Boot）

在移植或开发过程中，关注：

• include/configs/xxx.h：配置内存映射、启动参数；
• board/xxx/xxx.c：板级初始化；
• cmd/booti.c / cmd/bootm.c：启动命令实现；
• arch/arm/lib/bootm.c：真正的跳转代码。