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第3章 Bootloader原理与移植：U-Boot启动流程分析

Bootloader，说白了就是上电后第一个跑的程序。它负责把硬件初始化好，再把内核加载进内存。在ARM Linux系统里，U-Boot几乎是事实标准。我这些年做过的项目，从Cortex-A7到A72，基本都用它。

这一章，我们就把U-Boot的启动流程、源码结构、板级配置讲透。最后用QEMU virt平台做一次完整的移植实战。嗯，跟着走一遍，你就能自己动手移植了。

3.1 U-Boot启动流程全景

先看整体流程。U-Boot启动分两个阶段：SPL（Secondary Program Loader）和U-Boot proper。SPL是精简版，负责初始化DDR、时钟等基础外设，然后加载完整的U-Boot。

核心要点：SPL是U-Boot 2014年以后引入的机制。早期U-Boot只有一个blob，但很多SoC内部SRAM太小（通常只有64KB~256KB），装不下完整U-Boot。SPL就是为解决这个问题诞生的。

下面这张图，是我整理的U-Boot启动全流程。你看一眼，心里就有谱了。

我的经验：调试SPL阶段的问题最头疼。因为SPL运行在SRAM里，没有完整串口驱动，打印信息有限。我习惯在SPL里加GPIO翻转，用逻辑分析仪看波形，比看串口日志靠谱得多。

3.2 U-Boot源码结构

U-Boot源码目录看着大，其实核心就几个。我列个表，你对照着看。

目录/文件	作用	我关注的点
`arch/arm/`	ARM架构相关代码，含CPU初始化、异常向量	启动时第一个跳转入口在这里
`board/`	板级代码，每个板子一个子目录	移植时主要改这里
`include/configs/`	板级配置头文件	裁剪时删宏定义就行
`drivers/`	外设驱动，串口、网卡、存储等	加新硬件时加驱动
`dts/`	设备树源文件	现在U-Boot也用自己的设备树
`common/`	通用代码，如命令行、环境变量	main_loop()在这里
`tools/`	mkimage等工具	打包内核镜像用

启动入口在 arch/arm/lib/vectors.S。上电后CPU从异常向量表跳转到 _start，然后执行 cpu_init_crit、lowlevel_init，最后进入 board_init_f。这段汇编代码，我建议你至少读一遍。虽然看着枯燥，但能帮你理解ARM上电后的硬件状态。

3.3 板级配置与设备树

U-Boot的板级配置，传统方式是用头文件宏定义。比如 include/configs/qemu-arm.h 里定义内存大小、串口地址、环境变量位置等。但新版本U-Boot已经全面转向设备树（DTB）了。

注意：U-Boot的设备树和内核的设备树是两套。虽然语法一样，但U-Boot的设备树只描述U-Boot自己需要的外设。比如U-Boot不需要GPU驱动，设备树里就不写GPU节点。我见过有人直接把内核设备树扔给U-Boot，结果U-Boot解析失败，卡死在初始化阶段。

板级配置的核心文件：

Kconfig：在 board/ 目录下，定义板级配置选项
MAINTAINERS：维护者信息
board.c：板级初始化函数，如 board_init()、dram_init()
设备树：在 arch/arm/dts/ 下，以 .dts 文件存在

举个例子，QEMU virt平台的设备树节点长这样：

/dts-v1/;

/ {
    model = "QEMU virt ARM64";
    compatible = "qemu,virt";

    memory@40000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x0 0x40000000 0x0 0x40000000>;
    };

    uart@9000000 {
        compatible = "ns16550a";
        reg = <0x0 0x9000000 0x0 0x1000>;
        clock-frequency = <3686400>;
    };
};

看到没？就三个节点：根节点、内存节点、串口节点。U-Boot启动时，会解析这个设备树，获取内存大小和串口地址。不需要的节点一概不写。

3.4 U-Boot移植实战：以QEMU virt平台为例

好，理论讲完了。我们动手做一次移植。目标平台是QEMU virt，ARM64架构。这个平台没有真实硬件，但用来学移植流程再合适不过。

3.4.1 环境准备

你需要：

交叉编译工具链：aarch64-linux-gnu-
U-Boot源码：从 https://source.denx.de/u-boot/u-boot.git 克隆
QEMU：安装qemu-system-aarch64

我个人习惯用Linaro的工具链，稳定。安装命令：

sudo apt install gcc-aarch64-linux-gnu qemu-system-arm

3.4.2 配置U-Boot

U-Boot已经内置了QEMU virt平台的配置。直接使用：

make qemu_arm64_defconfig
make CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- -j$(nproc)

编译完成后，生成 u-boot.bin。就这么简单？嗯，因为U-Boot主线已经支持这个平台了。但我要带你看看配置是怎么生效的。

执行 make menuconfig，你会看到：

ARM architecture → Select target architecture → ARM64
Board type → QEMU virt
Device Tree Control → 已经选中 qemu-arm64.dts

这些配置项，最终会生成 .config 文件，控制哪些代码被编译进去。

3.4.3 启动测试

编译完成后，用QEMU启动：

qemu-system-aarch64 -machine virt -cpu cortex-a57 \
    -nographic -m 1G \
    -bios u-boot.bin

你会看到U-Boot的启动日志，最后进入命令行。输入 printenv 看看环境变量，输入 bdinfo 查看板级信息。

避坑指南：我曾经在QEMU上调试时，发现U-Boot启动后串口没输出。查了半天，发现是QEMU的串口地址和U-Boot设备树里写的不一致。QEMU virt平台的串口地址是0x9000000，但有些文档写的是0x1000000。嗯，一定要以QEMU源码里的 hw/arm/virt.c 为准。

3.4.4 自定义板级配置

如果你想从零开始移植，步骤是这样的：

在 board/ 下创建你的板子目录，比如 board/myboard/
编写 Kconfig 和 MAINTAINERS
编写 board.c，实现 board_init()、dram_init() 等函数
在 arch/arm/dts/ 下创建设备树文件
在 include/configs/ 下创建头文件（如果不用设备树）
在顶层 arch/arm/Kconfig 中添加你的板子选项

以QEMU virt为例，它的板级代码在 board/emulation/qemu-arm/ 下。核心函数就几个：

int board_init(void)
{
    /* 初始化串口、定时器等 */
    return 0;
}

int dram_init(void)
{
    /* 从设备树读取内存大小 */
    gd->ram_size = fdtdec_get_config_int(gd->fdt_blob,
                        "memory", "reg", 0);
    return 0;
}

你看，代码量很少。U-Boot的框架已经把大部分工作做了，你只需要告诉它内存多大、串口在哪。

3.5 启动流程关键函数调用链

最后，我整理一下U-Boot proper阶段的函数调用链。这个链搞清楚了，调试时就知道该在哪加打印。

函数	位置	作用
`_start`	arch/arm/lib/vectors.S	异常向量表入口
`reset`	arch/arm/cpu/armv8/start.S	复位处理，设置栈指针
`board_init_f`	common/board_f.c	第一阶段初始化，初始化串口、定时器、DDR
`relocate_code`	arch/arm/lib/relocate.S	将U-Boot自身从Flash拷贝到DDR
`board_init_r`	common/board_r.c	第二阶段初始化，初始化完整外设、环境变量
`main_loop`	common/main.c	进入命令行循环，等待用户输入

调试技巧：如果U-Boot在 board_init_f 阶段就卡死了，多半是DDR初始化失败。如果卡在 relocate_code 之后，可能是重定位地址不对。我习惯在 board_init_f 开头加一个串口输出，确认代码执行到了哪一步。

好了，这一章的内容就这些。U-Boot的启动流程、源码结构、板级配置、设备树，还有QEMU上的移植实战，都过了一遍。你跟着做一遍，应该能自己移植到其他平台上了。