📚 课程目录第3章 Bootloader阶段（U-Boot）

3. Bootloader阶段（U-Boot）：U-Boot在ARM64上的启动流程、设备树（DTB）的传递机制、跳转到内核前的环境准备

U-Boot（Das U-Boot）是嵌入式ARM64平台最通用的二级引导程序，负责从存储介质加载内核映像与设备树，完成硬件初始化后跳转到内核入口。本章聚焦U-Boot在ARM64上的启动流程、设备树（DTB）的传递机制以及跳转到内核前的环境准备。

3.1 U-Boot在ARM64上的启动流程

U-Boot采用两阶段启动模型：SPL（Secondary Program Loader） 与 U-Boot proper。SPL由片内ROM加载，负责初始化DDR、时钟与存储控制器，然后从存储设备加载U-Boot proper到DDR并跳转。U-Boot proper完成完整的外设初始化、环境变量加载与内核引导。

  关键路径： ARM64复位入口 → SPL（arch/arm/cpu/armv8/start.S）→ DDR初始化 → 加载U-Boot proper → 重定位到高地址 → 进入board_init_r() → 执行bootcmd → 加载kernel+DTB → 跳转。

3.2 设备树（DTB）的传递机制

ARM64平台强制使用设备树（Device Tree）描述硬件拓扑。U-Boot负责将DTB从存储介质加载到内存，并将DTB物理地址通过特定寄存器传递给内核。传递路径如下：

加载DTB： U-Boot从FAT/EXT4分区或MTD分区读取 .dtb 文件到内存（通常加载地址由 fdt_addr 环境变量指定）。
DTB处理： U-Boot可对DTB进行运行时修改（如填充 chosen 节点中的 bootargs、initrd-start、initrd-end）。
寄存器传递： ARM64启动协议规定，跳转到内核时 x0 寄存器必须存放DTB的有效物理地址（或0表示不使用DTB）。

ARM64启动协议约定： 内核入口时 x0 = DTB物理地址，x1 = 0，x2 = 0，x3 = 0。U-Boot通过 booti 命令自动设置这些寄存器。

环境变量	默认值示例	说明
`fdt_addr`	`0x48000000`	DTB加载的目标物理地址
`fdt_high`	`0xffffffffffffffff`	限制DTB重定位地址，`0xffffffffffffffff` 表示不重定位
`bootargs`	`console=ttyAMA0,115200 root=/dev/mmcblk0p2`	内核命令行参数，U-Boot会写入DTB的 `chosen` 节点

3.3 跳转到内核前的环境准备

U-Boot在调用内核入口点之前，必须完成以下环境准备，否则内核无法正常启动：

准备项	要求	U-Boot实现方式
MMU与Cache	MMU关闭，I-Cache/D-Cache关闭或清理	调用 `cleanup_before_linux()` 刷新Cache并关闭MMU
中断状态	所有中断屏蔽（DAIF掩码置位）	执行 `msr daifset, #0xf`
寄存器约定	x0 = DTB地址，x1-x3 = 0	`booti` 命令自动设置
栈指针	SP指向有效可写内存（非DDR末尾）	U-Boot已初始化栈，跳转前不修改
异常向量表	内核使用自己的向量表，U-Boot无需保留	不传递向量表地址
设备树完整性	DTB必须8字节对齐，总长度正确	U-Boot加载时校验魔数（0xd00dfeed）

常见陷阱： 如果U-Boot跳转前未关闭D-Cache，内核早期启动时因Cache不一致导致数据异常。ARM64要求跳转前D-Cache必须处于关闭状态，I-Cache可以开启但建议清理。

U-Boot跳转内核的典型汇编序列（位于 arch/arm/lib/bootm.c 或 arch/arm/cpu/armv8/start.S）：

/* 伪代码：ARM64跳转内核前的环境准备 */
cleanup_before_linux:
    /* 关闭D-Cache */
    mrs     x0, sctlr_el2
    bic     x0, x0, #(1 << 2)    /* 清除C位 */
    msr     sctlr_el2, x0
    isb
    /* 清理D-Cache（逐行clean & invalidate） */
    bl      flush_dcache_all
    /* 关闭MMU */
    mrs     x0, sctlr_el2
    bic     x0, x0, #(1 << 0)    /* 清除M位 */
    msr     sctlr_el2, x0
    isb
    /* 屏蔽所有中断 */
    msr     daifset, #0xf
    /* 设置x0 = DTB地址，x1-x3 = 0 */
    mov     x0, x19              /* x19 保存DTB地址 */
    mov     x1, #0
    mov     x2, #0
    mov     x3, #0
    /* 跳转到内核入口（保存在x20） */
    br      x20

3.4 U-Boot启动流程中的关键数据结构

U-Boot使用 bootm_headers_t 结构体管理内核映像与DTB的加载信息。该结构体在 include/image.h 中定义，关键字段如下：

字段	类型	说明
`ep`	`ulong`	内核入口点物理地址
`ft_addr`	`char *`	DTB在内存中的地址（虚拟地址，U-Boot启用MMU时使用）
`ft_len`	`ulong`	DTB的总长度（字节）
`os`	`image_info_t`	操作系统映像信息（类型、压缩方式、加载地址）
`initrd_start`	`ulong`	initrd起始地址（可选）
`initrd_end`	`ulong`	initrd结束地址（可选）

  ARM64特有差异： 与ARM32不同，ARM64的U-Boot不使用ATAGs传递参数，完全依赖设备树。所有硬件描述、内存布局、内核命令行都必须通过DTB传递。U-Boot在跳转前会调用 fdt_chosen() 将 bootargs 写入DTB的 /chosen 节点。

3.5 典型启动命令行示例

实际产品中，U-Boot环境变量通常配置为自动加载内核与DTB：

setenv loadaddr 0x40080000
setenv fdt_addr 0x48000000
setenv bootargs 'console=ttyAMA0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw'
setenv bootcmd 'ext4load mmc 0:1 ${loadaddr} Image; ext4load mmc 0:1 ${fdt_addr} board.dtb; booti ${loadaddr} - ${fdt_addr}'
saveenv
boot

上述命令执行流程：

ext4load 从eMMC分区0:1加载内核映像 Image 到 0x40080000。
ext4load 加载设备树 board.dtb 到 0x48000000。
booti 命令解析内核格式（ARM64 Linux内核映像），设置x0寄存器为DTB地址，关闭MMU与Cache，跳转到内核入口。

3.6 本章小结

U-Boot在ARM64上采用SPL + proper两阶段启动，SPL负责最小化初始化，proper完成完整引导。
设备树（DTB）是ARM64平台唯一的硬件描述传递方式，U-Boot通过 x0 寄存器传递DTB物理地址。
跳转内核前必须关闭MMU与D-Cache、屏蔽中断、清理Cache，并确保DTB 8字节对齐。
booti 命令是ARM64专用引导命令，自动处理内核映像解析与DTB传递。