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title: U-Boot启动流程详解
tags: [U-Boot, 启动流程, 嵌入式, Makefile, ARM]
created: 2026-09-17
updated: 2026-09-17
pdf_ref:
  - "36_第三十一章 U-Boot顶层Makefile详解.pdf"
  - "37_第三十二章 U-Boot启动流程详解.pdf"
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# U-Boot启动流程详解

> **关联知识**: [[01-ARM架构与裸机编程/02-ARM汇编与启动流程]] | [[06-系统移植与启动/01-U-Boot基础与命令]]

## 一、U-Boot源码结构

### 1.1 目录总览

```mermaid
mindmap
  root((U-Boot源码))
    arch/ 体系结构
    board/ 板级支持
    cmd/ 命令实现
    common/ 通用代码
    drivers/ 设备驱动
    configs/ 配置文件
    include/ 头文件
    Makefile 顶层构建
```

### 1.2 核心目录详解

| 目录       | 用途             | 关键子目录                       |
| ---------- | ---------------- | -------------------------------- |
| `arch/`    | 体系结构相关代码 | `arm/`, `arm64/`, `riscv/`       |
| `board/`   | 板级定制代码     | `freescale/`, `ti/`, `rockchip/` |
| `cmd/`     | U-Boot命令实现   | `bootm.c`, `md.c`, `tftp.c`      |
| `common/`  | 通用启动代码     | `main.c`, `bootm.c`, `cli.c`     |
| `drivers/` | 设备驱动程序     | `serial/`, `mmc/`, `net/`        |
| `fs/`      | 文件系统支持     | `ext4/`, `fat/`, `ubifs/`        |
| `include/` | 头文件           | `configs/`, `asm/`               |
| `net/`     | 网络协议栈       | `tftp.c`, `nfs.c`, `bootp.c`     |
| `lib/`     | 库函数           | `string.c`, `printf.c`           |
| `tools/`   | 构建工具         | `mkimage`, `binman`              |

### 1.3 架构目录详解 (arch/arm)

```text
arch/arm/
+-- cpu/
|   +-- armv7/
|   |   +-- start.S        # reset、save_boot_params、cpu_init_cp15、cpu_init_crit
|   |   +-- lowlevel_init.S# 低级初始化（设置 SP、调用 s_init）
|   +-- u-boot.lds         # 链接脚本模板（编译后生成根目录 u-boot.lds）
+-- imx-common/            # NXP i.MX系列通用代码
+-- mach-mx6/              # i.MX6系列SoC支持
+-- lib/
|   +-- vectors.S          # _start 与中断向量表
|   +-- crt0.S             # _main 与 C 运行时初始化
|   +-- relocate.S         # relocate_code / relocate_vectors
+-- include/asm/arch-mx6/  # i.MX6寄存器定义
```

### 1.4 板级目录结构

```text
board/freescale/
+-- mx6ullevk/                    # NXP官方开发板
|   +-- mx6ullevk.c
|   +-- imximage-ddr512.cfg.cfgtmp
|   +-- plugin.S
+-- mx6ull_alientek_emmc/         # 正点原子EMMC版
|   +-- mx6ull_alientek_emmc.c
|   +-- imximage-ddr512.cfg.cfgtmp
|   +-- panel.c
+-- mx6ull_alientek_nand/         # 正点原子NAND版
+-- common/
    +-- etherboot.c
```

### 1.5 关键文件说明

| 文件                                         | 说明          | 重要程度 |
| -------------------------------------------- | ------------- | -------- |
| `arch/arm/cpu/armv7/start.S`                 | 启动入口代码  | 最高     |
| `arch/arm/lib/crt0.S`                        | C运行时初始化 | 最高     |
| `arch/arm/lib/vectors.S`                     | 中断向量表    | 高       |
| `arch/arm/cpu/u-boot.lds`                    | 链接脚本模板  | 高       |
| `board/freescale/mx6ull_alientek_emmc/`      | 板级支持包    | 高       |
| `include/configs/mx6ull_alientek_emmc.h`     | 板级配置      | 最高     |
| `configs/mx6ull_14x14_ddr512_emmc_defconfig` | 默认配置      | 最高     |

### 1.6 编译生成的关键文件

| 文件               | 来源            | 用途               |
| ------------------ | --------------- | ------------------ |
| `u-boot`           | ELF格式镜像     | 调试用             |
| `u-boot.bin`       | objcopy生成     | 二进制可执行镜像   |
| `u-boot-nodtb.bin` | 无设备树版本    | u-boot.bin的源文件 |
| `u-boot.imx`       | mkimage添加头部 | NXP专用，含IVT/DCD |
| `u-boot.lds`       | 链接脚本        | 定义内存布局       |
| `u-boot.map`       | 映射文件        | 查看函数链接地址   |
| `.config`          | 配置文件        | 编译选项           |

### 1.7 .u-boot.xxx_cmd 文件分析

```bash
# .u-boot.bin.cmd - 生成u-boot.bin
cmd_u-boot.bin := cp u-boot-nodtb.bin u-boot.bin

# .u-boot-nodtb.bin.cmd - ELF转二进制
cmd_u-boot-nodtb.bin := arm-linux-gnueabihf-objcopy \
    --gap-fill=0xff -j .text -j .secure_text -j .rodata -j .hash \
    -j .data -j .got -j .got.plt -j .u_boot_list -j .rel.dyn \
    -O binary u-boot u-boot-nodtb.bin

# .u-boot.imx.cmd - 生成NXP专用镜像
cmd_u-boot.imx := ./tools/mkimage \
    -n board/freescale/mx6ull_alientek_emmc/imximage.cfg.cfgtmp \
    -T imximage -e 0x87800000 -d u-boot.bin u-boot.imx
```

---

## 二、顶层Makefile详解

### 2.1 Makefile 核心变量

```makefile
# 版本信息（顶层 Makefile 第 5~9 行）
VERSION = 2016
PATCHLEVEL = 03
SUBLEVEL =
EXTRAVERSION =
NAME =
# VERSION/PATCHLEVEL/SUBLEVEL 共同构成 2016.03；EXTRAVERSION、NAME 一般不使用

# 交叉编译工具链（第 245~246 行：主机架构==目标架构时 CROSS_COMPILE 为空）
ifeq ($(HOSTARCH),$(ARCH))
CROSS_COMPILE ?=
endif
# 实际编译时通过 make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- 传入，
# 也可直接在顶层 Makefile 中写死 ARCH=arm / CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
```

以下`CONFIG_SYS_*`来自板级配置头文件（经`make xxx_defconfig`写入`.config`），而非顶层 Makefile：

```text
CONFIG_SYS_ARCH="arm"
CONFIG_SYS_CPU="armv7"
CONFIG_SYS_SOC="mx6"
CONFIG_SYS_VENDOR="freescale"
CONFIG_SYS_BOARD="mx6ull_alientek_emmc"
CONFIG_SYS_CONFIG_NAME="mx6ull_alientek_emmc"
CONFIG_SYS_TEXT_BASE=0x87800000
```

### 2.2 主要Makefile目标

| 命令                 | 说明            |
| -------------------- | --------------- |
| `make xxx_defconfig` | 配置U-Boot      |
| `make menuconfig`    | 图形化配置      |
| `make all`           | 编译所有目标    |
| `make u-boot.bin`    | 生成二进制镜像  |
| `make u-boot.imx`    | 生成NXP专用镜像 |
| `make clean`         | 清理编译文件    |
| `make mrproper`      | 彻底清理        |

### 2.3 配置过程详解

```mermaid
flowchart TD
    A[make xxx_defconfig] --> B[silentoldconfig]
    B --> C[生成 .config]
    C --> D[生成 include/config/]
    D --> E[生成 include/generated/]
    E --> F[配置完成]
```

### 2.4 编译规则详解

```makefile
# 目标依赖关系（顶层 Makefile）
u-boot: $(u-boot-init) $(u-boot-main) u-boot.lds FORCE
	$(call if_changed,u-boot__)

u-boot-nodtb.bin: u-boot FORCE
	$(call if_changed,objcopy)
	$(call DO_STATIC_RELA,$<,$@,$(CONFIG_SYS_TEXT_BASE))

u-boot.bin: u-boot-nodtb.bin FORCE
	$(call if_changed,copy)     # 即 cp u-boot-nodtb.bin u-boot.bin

# u-boot-init = $(head-y) = arch/arm/cpu/armv7/start.o
# u-boot-main = $(libs-y) = 所有子目录的 built-in.o
```

展开后实际执行的链接命令（来自 `.u-boot.cmd`）：

```bash
arm-linux-gnueabihf-ld.bfd -pie --gc-sections -Bstatic -Ttext 0x87800000 \
    -o u-boot -T u-boot.lds arch/arm/cpu/armv7/start.o \
    --start-group arch/arm/cpu/built-in.o arch/arm/cpu/armv7/built-in.o \
        arch/arm/imx-common/built-in.o arch/arm/lib/built-in.o \
        board/freescale/common/built-in.o \
        board/freescale/mx6ull_alientek_emmc/built-in.o \
        cmd/built-in.o common/built-in.o disk/built-in.o drivers/built-in.o \
        ... fs/built-in.o lib/built-in.o net/built-in.o ... --end-group \
    arch/arm/lib/eabi_compat.o -lgcc -Map u-boot.map
```

`u-boot.lds` 的生成规则：`u-boot.lds: $(LDSCRIPT) prepare FORCE`（`$(LDSCRIPT)` 即 `arch/arm/cpu/u-boot.lds`）。

### 2.5 链接脚本关键配置

```text
OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
    . = 0x00000000;          /* 注意：链接脚本里是 0x00000000，不是 0x87800000 */
    . = ALIGN(4);
    .text :
    {
        *(.__image_copy_start)
        *(.vectors)
        arch/arm/cpu/armv7/start.o (.text*)
        *(.text*)
    }
    .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }
    .data : { *(.data*) }
    .u_boot_list : { KEEP(*(SORT(.u_boot_list*))); }
    .image_copy_end : { *(.__image_copy_end) }
    .rel_dyn_start : { *(.__rel_dyn_start) }
    .rel.dyn : { *(.rel*) }
    .rel_dyn_end : { *(.__rel_dyn_end) }
    .end : { *(.__end) }
    _image_binary_end = .;
    .bss_start __rel_dyn_start (OVERLAY) : { KEEP(*(.__bss_start)); __bss_base = .; }
    .bss __bss_base (OVERLAY) : { *(.bss*) . = ALIGN(4); __bss_limit = .; }
    .bss_end __bss_limit (OVERLAY) : { KEEP(*(.__bss_end)); }
    ...
}
```

> 真正的加载地址由链接时的 `-Ttext 0x87800000` 决定，链接脚本本身从 `0x00000000` 开始。入口点是 `_start`，定义在 `arch/arm/lib/vectors.S` 中，其后紧跟中断向量表（`.vectors` 段）。

**关键地址变量（示例编译值，以实际编译为准）：**

| 变量                 | 数值       | 描述               |
| -------------------- | ---------- | ------------------ |
| `__image_copy_start` | 0x87800000 | U-Boot拷贝首地址   |
| `__image_copy_end`   | 0x8785dd54 | U-Boot拷贝结束地址 |
| `__rel_dyn_start`    | 0x8785dd54 | .rel.dyn段起始     |
| `__rel_dyn_end`      | 0x878668f4 | .rel.dyn段结束     |
| `_image_binary_end`  | 0x878668f4 | 镜像结束地址       |
| `__bss_start`        | 0x8785dd54 | BSS段起始          |
| `__bss_end`          | 0x878a8e74 | BSS段结束          |

### 2.6 编译选项详解

```text
# 链接选项（.u-boot.cmd）
-pie                 # 位置无关可执行文件
--gc-sections        # 回收未使用的段
-Bstatic            # 静态链接
-Ttext 0x87800000   # U-Boot 链接/加载地址

# 生成 u-boot-nodtb.bin 时（.u-boot-nodtb.bin.cmd）
--gap-fill=0xff
$(call DO_STATIC_RELA,$<,$@,$(CONFIG_SYS_TEXT_BASE))   # 修正 .rel.dyn 重定位表

# 交叉工具变量（顶层 Makefile 第 333~347 行）
CC = $(CROSS_COMPILE)gcc
LD = $(CROSS_COMPILE)ld.bfd（若 ld.bfd 不可用则回退为 $(CROSS_COMPILE)ld）
OBJCOPY = $(CROSS_COMPILE)objcopy
AR = $(CROSS_COMPILE)ar
NM = $(CROSS_COMPILE)nm
OBJDUMP = $(CROSS_COMPILE)objdump
```

### 2.7 Kbuild系统

```mermaid
flowchart TD
    A[Kconfig] --> B[配置系统]
    B --> C[.config]
    C --> D[Kbuild]
    D --> E[编译规则]
    E --> F[OBJ文件]
    F --> G[链接]
    G --> H[U-Boot镜像]
```

### 2.8 编译日志分析

```bash
$ make mx6ull_14x14_ddr512_emmc_defconfig
  HOSTCC  scripts/basic/fixdep
  HOSTCC  scripts/kconfig/conf.o
  SHIPPED scripts/kconfig/conf
  # configuration written to .config

$ make -j8
  arm-linux-gnueabihf-gcc ... arch/arm/cpu/armv7/start.S
  arm-linux-gnueabihf-gcc ... arch/arm/lib/crt0.S
  ...
  arm-linux-gnueabihf-ld ... u-boot
  arm-linux-gnueabihf-objcopy ... u-boot-nodtb.bin
  cp u-boot-nodtb.bin u-boot.bin
  ./tools/mkimage ... u-boot.imx
```

---

## 三、U-Boot启动流程

### 3.1 启动流程总览

```mermaid
flowchart TD
    A[上电/复位] --> B[reset向量]
    B --> C[save_boot_params]
    C --> D[save_boot_params_ret]
    D --> E[cpu_init_cp15]
    E --> F[cpu_init_crit]
    F --> G[lowlevel_init]
    G --> H[_main入口]
    H --> I[board_init_f_alloc_reserve]
    I --> J[board_init_f]
    J --> K[relocate_code重定位]
    K --> L[relocate_vectors]
    L --> M[c_runtime_cpu_setup]
    M --> N[清零BSS段]
    N --> O[board_init_r]
    O --> P[main_loop主循环]
```

### 3.2 启动阶段划分

> ⚠️ **来源说明**：本节不属于《I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南》内容，为扩展知识（书中未讲 SPL；此处用于说明 I.MX6U 与常见 SPL 架构的区别）。

I.MX6U 的 U-Boot **不是 SPL 架构**（默认直接使用完整的`u-boot.imx`）。上电后由芯片内部的 Boot ROM 把`u-boot.imx`加载到 DDR 的`0x87800000`处执行，之后 U-Boot 自身再经历“重定位前 → 重定位 → 重定位后”三个阶段：

```mermaid
flowchart LR
    subgraph ROM[Boot ROM]
        A1[解析 u-boot.imx 头部] --> A2[加载到 DDR 0x87800000]
    end
    subgraph F[board_init_f（重定位前）]
        B1[初始化串口/定时器/DDR] --> B2[规划内存并计算重定位地址]
    end
    subgraph R[board_init_r（重定位后）]
        C1[初始化外设/MMC/网络] --> C2[环境变量/控制台] --> C3[main_loop 命令行]
    end
    subgraph Linux
        D1[加载内核与设备树] --> D2[传递参数] --> D3[跳转执行]
    end
    A2 --> B1
    B2 --> R
    C3 --> D1
```

**各阶段职责：**

| 阶段                     | 职责                                                           | 关键函数                                |
| ------------------------ | -------------------------------------------------------------- | --------------------------------------- |
| Boot ROM                 | 从启动设备加载`u-boot.imx`到 DDR                               | 芯片固化代码                            |
| board_init_f（重定位前） | 初始化串口/定时器/DDR，`init_sequence_f[]`，计算重定位目的地址 | `board_init_f()`                        |
| 重定位                   | 将 U-Boot 拷贝到 DDR 高地址，修正`.rel.dyn`，重定位向量表      | `relocate_code()`、`relocate_vectors()` |
| board_init_r（重定位后） | 初始化 MMC/NAND/网络/环境变量，进入命令行                      | `board_init_r()`、`main_loop()`         |
| Linux                    | 挂载rootfs，启动init                                           | `boot_jump_linux()`、`kernel_entry()`   |

### 3.3 内存布局

```text
OCRAM (内部RAM, 128KB):
0x00900000 +---------------------+ <- IRAM_BASE_ADDR
           |       OCRAM         |
0x0091FE08 +---------------------+ <- lowlevel_init 中 sp -= GD_SIZE(248)
0x0091FF00 +---------------------+ <- CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR (sp 初始值)
0x00920000 +---------------------+ OCRAM结束 (0x20000, 128KB)

DRAM (外部DDR, 512MB):
0x80000000 +---------------------+ <- DRAM起始 (gd->ram_size=0x20000000)
0x80800000 +---------------------+ <- Linux内核(zImage)加载地址
0x83000000 +---------------------+ <- 设备树(dtb)加载地址
0x87800000 +---------------------+ <- U-Boot链接/初始加载地址
           |    U-Boot代码     |
0x878a8e74 +---------------------+ <- BSS段结束 (__bss_end)
           |         ...       |
0x9EF44E90 +---------------------+ <- 重定位后最终的 sp (gd->start_addr_sp)
0x9FF47000 +---------------------+ <- U-Boot重定位后的运行地址 (gd->relocaddr)
           |         ...       |
0xA0000000 +---------------------+ <- DRAM最高地址 (gd->ram_top)
```

### 3.4 重定位前阶段（board_init_f）

`_main`中先调用`board_init_f_alloc_reserve`预留早期 malloc 与 gd 区域，再调用`board_init_f`运行`init_sequence_f[]`，主要工作是初始化串口、定时器、DDR 等，并“自顶向下”规划内存，最终算出重定位目的地址。

```text
board_init_f（重定位前）职责:
+-- 1. setup_mon_len：设置 gd->mon_len = __bss_end - _start
+-- 2. arch_cpu_init / board_early_init_f：CPU 与板级早期初始化（串口 IO）
+-- 3. timer_init / get_clocks：定时器与时钟
+-- 4. env_init / init_baud_rate / serial_init / console_init_f：环境变量、波特率、串口、控制台
+-- 5. dram_init：设置 gd->ram_size（正点原子 EMMC 版为 512MB）
+-- 6. setup_dest_addr：设置 gd->ram_size、gd->ram_top=0xA0000000、gd->relocaddr=0xA0000000
+-- 7. reserve_*：从高地址向下依次预留 MMU TLB、U-Boot、malloc、bd、gd、栈等
+-- 8. setup_reloc：把旧 gd 拷贝到 gd->new_gd
```

关键中间结果（示例）：`gd->relocaddr = 0xA0000000` → `reserve_mmu`后 `0x9FFF0000` → `reserve_uboot`后 `0x9FF47000` → `reserve_malloc`（16MB+8KB）后 `0x9EF45000` → `reserve_board`（80B）→ `reserve_global_data`（248B）→ `reserve_stacks` 后最终 `gd->start_addr_sp = 0x9EF44E90`。

### 3.5 U-Boot主阶段详解

```text
U-Boot主阶段职责:
+-- 1. 初始化更多外设 (NAND/EMMC/USB/网络/显示)
+-- 2. 网络初始化 (网卡驱动/IP配置/TFTP/NFS)
+-- 3. 命令初始化 (注册命令/解析bootargs/启动脚本)
+-- 4. 环境变量处理 (读取/设置默认值/保存)
+-- 5. 启动Linux内核 (加载zImage/设备树/传递参数/跳转)
```

### 3.6 重定位过程

```mermaid
flowchart TD
    A[board_init_f执行] --> B[计算重定位地址]
    B --> C[复制U-Boot到新位置]
    C --> D[修正重定位表]
    D --> E[更新全局数据指针]
    E --> F[跳转到新地址继续执行]
    F --> G[board_init_r执行]
```

### 3.7 网络初始化

```text
网络初始化流程:
+-- 1. 网卡驱动初始化 (读取MAC/配置PHY/初始化DMA)
+-- 2. 网络协议栈初始化 (ARP/IP/UDP/TFTP/NFS)
+-- 3. 网络参数配置
|   +-- ipaddr      - 开发板IP
|   +-- serverip    - 服务器IP
|   +-- gatewayip   - 网关
|   +-- netmask     - 子网掩码
+-- 4. 网络测试 (ping/TFTP下载)
```

### 3.8 命令初始化

```c
// 常用启动命令
bootm [addr] [initrd] [fdt]    // 启动内核镜像
bootz [addr] [initrd] [fdt]    // 启动zImage内核
run <script>                    // 执行启动脚本
boot                            // 执行bootcmd
```

---

## 四、关键代码分析

### 4.1 vectors.S / start.S - 启动入口

入口`_start`定义在`arch/arm/lib/vectors.S`，其后就是中断向量表（`.vectors` 段），第一个向量`b reset`跳到`arch/arm/cpu/armv7/start.S`中的`reset`：

```armasm
/ * arch/arm/lib/vectors.S * /
_start:
    b   reset                     @ 0x00: 复位向量
    ldr pc, _undefined_instruction @ 0x04
    ldr pc, _software_interrupt    @ 0x08
    ldr pc, _prefetch_abort        @ 0x0c
    ldr pc, _data_abort            @ 0x10
    ldr pc, _not_used              @ 0x14
    ldr pc, _irq                   @ 0x18
    ldr pc, _fiq                   @ 0x1c

/ * arch/arm/cpu/armv7/start.S * /
reset:
    b   save_boot_params           @ 允许板子保存重要寄存器

ENTRY(save_boot_params)
    b   save_boot_params_ret       @ back to my caller

save_boot_params_ret:
    mrs  r0, cpsr
    and  r1, r0, #0x1f   @ mask mode bits
    teq  r1, #0x1a       @ test for HYP mode
    bicne r0, r0, #0x1f  @ clear all mode bits
    orrne r0, r0, #0x13  @ set SVC mode
    orr  r0, r0, #0xc0   @ disable FIQ and IRQ
    msr  cpsr, r0

    @ 设置向量表重定位：清 SCTLR.V，把 _start 写入 VBAR
    mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0      @ Read CP15 SCTLR
    bic r0, #CR_V                  @ CR_V = (1 << 13)
    mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
    ldr r0, =_start
    mcr p15, 0, r0, c12, c0, 0     @ Set VBAR

#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
    bl  cpu_init_cp15
    bl  cpu_init_crit
#endif
    bl  _main
```

### 4.2 cpu_init_cp15 - 协处理器初始化

```armasm
ENTRY(cpu_init_cp15)
    /* Invalidate L1 I/D */
    mov r0, #0
    mcr p15, 0, r0, c8, c7, 0   @ invalidate TLBs
    mcr p15, 0, r0, c7, c5, 0   @ invalidate icache
    mcr p15, 0, r0, c7, c5, 6   @ invalidate BP array
    mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4  @ DSB
    mcr p15, 0, r0, c7, c5, 4   @ ISB

    /* disable MMU stuff and caches */
    mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
    bic r0, r0, #0x00002000     @ clear bit 13 (--V-)
    bic r0, r0, #0x00000007     @ clear bits 2:0 (-CAM)
    orr r0, r0, #0x00000002     @ set bit 1 (--A-) Align
    orr r0, r0, #0x00000800     @ set bit 11 (Z---) BTB
#ifdef CONFIG_SYS_ICACHE_OFF
    bic r0, r0, #0x00001000     @ clear bit 12 (I) I-cache
#else
    orr r0, r0, #0x00001000     @ set bit 12 (I) I-cache
#endif
    mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0
    ...
    mov pc, r5                  @ back to my caller
ENDPROC(cpu_init_cp15)
```

> 说明：I.MX6U 的 U-Boot 默认**打开 I-Cache**（未定义 `CONFIG_SYS_ICACHE_OFF`），并关闭 MMU、D-Cache。

### 4.3 lowlevel_init - 低级初始化

```armasm
/ * arch/arm/cpu/armv7/lowlevel_init.S * /
ENTRY(lowlevel_init)
    ldr sp, =CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR
    bic sp, sp, #7              @ 8 字节对齐
#ifdef CONFIG_SPL_BUILD
    ldr r9, =gdata
#else
    sub sp, sp, #GD_SIZE        @ 为 gd 预留空间（GD_SIZE=248）
    bic sp, sp, #7
    mov r9, sp                  @ r9 保存 gd 指针
#endif
    push {ip, lr}
    bl  s_init                  @ 早期初始化（I.MX6ULL 为空函数）
    pop {ip, pc}
ENDPROC(lowlevel_init)
```

`CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR = CONFIG_SYS_INIT_RAM_ADDR + (CONFIG_SYS_INIT_RAM_SIZE - GENERATED_GBL_DATA_SIZE) = 0x00900000 + (0x20000 - 256) = 0x0091FF00`，再减去 `GD_SIZE`(248) 后为 `0x0091FE08`。

**CPSR模式位对照表：**

| 位置  | 模式 | 值    | 说明                  |
| ----- | ---- | ----- | --------------------- |
| [4:0] | USR  | 10000 | 用户模式              |
| [4:0] | SVC  | 10011 | 管理模式 (启动初始化) |
| [4:0] | IRQ  | 10010 | IRQ中断               |
| [4:0] | FIQ  | 10001 | FIQ中断               |
| [5]   | T    | 1     | 快速中断入口          |
| [6]   | F    | 1     | FIQ禁用               |
| [7]   | I    | 1     | IRQ禁用               |

### 4.4 _main - C运行时初始化

```armasm
/ * arch/arm/lib/crt0.S * /
ENTRY(_main)
    ldr sp, =(CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR)   @ sp = 0x0091FF00
    bic sp, sp, #7                        @ 8 字节对齐
    mov r0, sp
    bl  board_init_f_alloc_reserve        @ 预留 malloc 与 gd 区域，返回新 top
    mov sp, r0
    mov r9, r0                            @ r9 = gd 指针
    bl  board_init_f_init_reserve         @ 清零 gd 区域
    mov r0, #0
    bl  board_init_f                      @ 重定位前初始化

    ldr sp, [r9, #GD_START_ADDR_SP]       @ sp = gd->start_addr_sp
    bic sp, sp, #7
    ldr r9, [r9, #GD_BD]                  @ r9 = gd->bd
    sub r9, r9, #GD_SIZE                  @ 新 gd 位于 bd 之下
    adr lr, here
    ldr r0, [r9, #GD_RELOC_OFF]           @ r0 = gd->reloc_off
    add lr, lr, r0
    ldr r0, [r9, #GD_RELOCADDR]           @ r0 = gd->relocaddr
    b   relocate_code                     @ 代码重定位
here:
    bl  relocate_vectors                  @ 向量表重定位
    bl  c_runtime_cpu_setup
    ldr r0, =__bss_start
    ...                                   @ 清零 BSS（memset 或 clbss_l 循环）
    mov r0, r9                            @ r0 = gd_t
    ldr r1, [r9, #GD_RELOCADDR]           @ r1 = dest_addr
    ldr pc, =board_init_r                 @ 跳转 board_init_r（不返回）
ENDPROC(_main)
```

`board_init_f_alloc_reserve`自栈顶向下预留早期 malloc 区（`CONFIG_SYS_MALLOC_F_LEN`）与 gd 区并返回新的栈顶，`board_init_f_init_reserve`再把该区域清零并把 gd 指针存入 `r9`。

### 4.5 board_init_f - 全局数据初始化

```c
/* common/board_f.c */
void board_init_f(ulong boot_flags)
{
    gd_t data;

    gd = &data;
    gd->flags = boot_flags;
    gd->have_console = 0;

    /* 通过 initcall_run_list 依次执行 init_sequence_f[] */
    if (initcall_run_list(init_sequence_f))
        hang();
}
```

`init_sequence_f[]`（去掉条件编译后的主要函数，按执行顺序）：

```c
static init_fnc_t init_sequence_f[] = {
    setup_mon_len,        /* gd->mon_len = __bss_end - _start */
    initf_malloc,         /* gd->malloc_limit = CONFIG_SYS_MALLOC_F_LEN = 0x400 */
    initf_console_record, /* I.MX6ULL 未定义 CONFIG_CONSOLE_RECORD，直接返回 */
    arch_cpu_init,
    initf_dm,
    arch_cpu_init_dm,     /* 未实现 */
    mark_bootstage,
    board_early_init_f,   /* 板级早期初始化（I.MX6ULL 初始化串口 IO） */
    timer_init,           /* 初始化 Cortex-A 内核定时器 */
    board_postclk_init,   /* I.MX6ULL：设置 VDDSOC 电压 */
    get_clocks,           /* I.MX6ULL：获取 sdhc_clk */
    env_init,             /* 设置 gd->env_addr */
    init_baud_rate,       /* 根据 baudrate 环境变量设置 gd->baudrate */
    serial_init,
    console_init_f,       /* gd->have_console = 1 */
    display_options,
    display_text_info,
    print_cpuinfo,
    show_board_info,
    INIT_FUNC_WATCHDOG_INIT,
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    init_func_i2c,
    announce_dram_init,   /* 输出 "DRAM:" */
    dram_init,            /* 设置 gd->ram_size，EMMC 版为 512MB */
    post_init_f,
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    testdram,             /* 空函数 */
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    setup_dest_addr,      /* gd->ram_size/ram_top/relocaddr */
    reserve_round_4k,
    reserve_mmu,          /* TLB 表，64K 对齐 */
    reserve_trace,
    reserve_uboot,        /* 预留 U-Boot 空间（gd->mon_len），4K 对齐 */
    reserve_malloc,       /* TOTAL_MALLOC_LEN = 16MB + 8KB */
    reserve_board,        /* bd_t 大小 80B */
    setup_machine,        /* I.MX6ULL 走设备树，此函数无效 */
    reserve_global_data,  /* gd_t 大小 248B */
    reserve_fdt,          /* I.MX6ULL 未用到 */
    reserve_arch,         /* 空函数 */
    reserve_stacks,       /* 预留栈空间，16 字节对齐 */
    setup_dram_config,    /* 设置 gd->bd->bi_dram[0].start/size */
    show_dram_config,
    display_new_sp,
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    reloc_fdt,            /* 未用到 */
    setup_reloc,          /* 拷贝 gd 到 gd->new_gd */
    NULL,
};
```

执行完毕后关键值（示例）：`gd->ram_size=0x20000000`、`gd->ram_top=0xA0000000`、`gd->relocaddr=0x9FF47000`、`gd->start_addr_sp=0x9EF44E90`、`gd->reloc_off=0x18747000`、`gd->new_gd=0x9EF44EB8`。

### 4.6 board_init_r - 主阶段初始化

```c
/* common/board_r.c */
void board_init_r(gd_t *new_gd, ulong dest_addr)
{
#ifdef CONFIG_NEEDS_MANUAL_RELOC
    for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(init_sequence_r); i++)
        init_sequence_r[i] += gd->reloc_off;
#endif
    if (initcall_run_list(init_sequence_r))
        hang();
    /* NOTREACHED - run_main_loop() does not return */
    hang();
}
```

`init_sequence_r[]`（去掉条件编译后的主要函数）：

```c
init_fnc_t init_sequence_r[] = {
    initr_trace,
    initr_reloc,               /* 设置 gd->flags，标记重定位完成 */
    initr_caches,              /* 使能 cache */
    initr_reloc_global_data,
    initr_barrier,             /* I.MX6ULL 未用到 */
    initr_malloc,
    initr_console_record,      /* 空函数 */
    bootstage_relocate,
    initr_bootstage,
    board_init,                /* 板级初始化：I2C/FEC/USB/QSPI 等 */
    stdio_init_tables,
    initr_serial,
    initr_announce,
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    power_init_board,          /* 正点原子板未用到 */
    initr_flash,               /* 定义了 CONFIG_SYS_NO_FLASH，无效 */
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    initr_nand,                /* NAND 版本核心板初始化 NAND */
    initr_mmc,                 /* EMMC 版本核心板初始化 EMMC */
    initr_env,                 /* 初始化环境变量 */
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    initr_secondary_cpu,       /* 单核，未用 */
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    stdio_add_devices,         /* 初始化 LCD 等设备 */
    initr_jumptable,
    console_init_r,            /* 控制台初始化 */
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    interrupt_init,
    initr_enable_interrupts,
    initr_ethaddr,             /* 读取环境变量 ethaddr 作为 MAC */
    board_late_init,           /* 定义在 mx6ull_alientek_emmc.c，切换 MMC 设备 */
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    initr_net,                 /* initr_net -> eth_initialize -> board_eth_init */
    INIT_FUNC_WATCHDOG_RESET,
    run_main_loop,             /* 进入主循环 */
};
```

### 4.7 main_loop - 主循环

```c
/* common/board_r.c */
static int run_main_loop(void)
{
    /* main_loop() can return to retry autoboot, if so just run it again */
    for (;;)
        main_loop();
    return 0;
}
```

```c
/* common/main.c */
void main_loop(void)
{
    const char *s;

    bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_MAIN_LOOP, "main_loop");

#ifdef CONFIG_VERSION_VARIABLE
    setenv("ver", version_string);   /* 设置 version 环境变量 */
#endif

    cli_init();                      /* 初始化 hush shell 相关变量 */
    run_preboot_environment_command(); /* 执行 preboot 环境变量（一般不用） */

    s = bootdelay_process();         /* 读取 bootdelay 和 bootcmd，返回 bootcmd */
    if (cli_process_fdt(&s))
        cli_secure_boot_cmd(s);

    autoboot_command(s);             /* 倒计时；未打断则运行 bootcmd */

    cli_loop();                      /* 进入命令行 */
}
```

`autoboot_command`核心：`stored_bootdelay != -1 && s && !abortboot(stored_bootdelay)`三条都成立时执行`run_command_list(s, -1, 0)`；否则（按键打断）走`cli_loop()`。

### 4.8 boot_jump_linux - 跳转内核

```c
/* arch/arm/lib/bootm.c */
static void boot_jump_linux(bootm_headers_t *images, int flag)
{
    unsigned long machid = gd->bd->bi_arch_number;   /* 机器 ID */
    const char *s;
    void (*kernel_entry)(int zero, int arch, uint params);
    unsigned long r2;

    kernel_entry = (void (*)(int, int, uint))images->ep;  /* 内核入口 = images->ep */

    s = getenv("machid");
    if (s) {
        if (strict_strtoul(s, 16, &machid) < 0)
            return;
    }

    if (images->ft_len)
        r2 = (unsigned long)images->ft_addr;   /* 使用设备树：r2 = DTB 地址 */
    else
        r2 = gd->bd->bi_boot_params;           /* 不使用设备树：r2 = 参数地址 */

    kernel_entry(0, machid, r2);               /* 进入 Linux 内核，一去不复返 */
}
```

> 使用设备树后，内核靠 DTB 的 "compatible" 属性匹配机器，`machid` 已不再关键；I.MX6U 实际就使用设备树方式启动。

**调用关系图：**

```mermaid
flowchart TD
    A[reset] --> B[cpu_init_cp15]
    B --> C[cpu_init_crit]
    C --> D[lowlevel_init]
    D --> E[_main]
    E --> F[board_init_f_alloc_reserve]
    F --> G[board_init_f]
    G --> H[relocate_code]
    H --> I[board_init_r]
    I --> J[main_loop]
    J --> K[autoboot_command]
    K --> L[bootm/bootz]
    L --> M[boot_jump_linux]
    M --> N[kernel_entry]
```

### 4.9 bootz_setup - 内核启动准备

```c
/* arch/arm/lib/bootm.c */
#define LINUX_ARM_ZIMAGE_MAGIC  0x016f2818

int bootz_setup(ulong image, ulong *start, ulong *end)
{
    struct zimage_header *zi;

    zi = (struct zimage_header *)map_sysmem(image, 0);
    if (zi->zi_magic != LINUX_ARM_ZIMAGE_MAGIC) {
        puts("Bad Linux ARM zImage magic!\n");
        return 1;
    }

    *start = zi->zi_start;
    *end = zi->zi_end;

    printf("Kernel image @ %#08lx [ %#08lx - %#08lx ]\n",
           image, *start, *end);
    return 0;
}
```

**关键魔数：**

| 魔数                     | 值         | 说明                  |
| ------------------------ | ---------- | --------------------- |
| `LINUX_ARM_ZIMAGE_MAGIC` | 0x016f2818 | ARM Linux zImage 标识 |
| `ZIMAGE_MAGIC`（旧书稿） | 0x016f2818 | 同一魔数，命名不同    |

---

## 五、U-Boot配置与编译

### 5.1 编译命令流

```mermaid
flowchart LR
    A[make xxx_defconfig] --> B[make menuconfig]
    B --> C[make all]
    C --> D[u-boot.bin]
    C --> E[u-boot.imx]
```

### 5.2 配置文件说明

```text
configs/mx6ull_14x14_ddr512_emmc_defconfig
+-- 定义板级配置
+-- 包含必选组件
+-- 设置默认环境变量
```

### 5.3 menuconfig 说明

```text
Boot options ->
+-- Default device tree name: imx6ull-14x14-alientek-emmc
+-- Default boot command: bootm

General setup ->
+-- U-Boot version string: 2016.03-alientek

ARM architecture ->
+-- 选择i.MX6 SoC支持
+-- 选择开发板型号
```

### 5.4 编译命令详解

```bash
# 1. 配置
make mx6ull_14x14_ddr512_emmc_defconfig

# 2. 编译
make all -j$(nproc)

# 3. 查看编译信息
make --just-print  # 仅打印命令不执行

# 4. 查看配置
cat .config | grep CONFIG

# 5. 清理
make clean   # 清理编译文件
make mrproper # 彻底清理（含.config）
```

### 5.5 烧录流程

> ⚠️ **来源说明**：本节不属于《I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南》内容，为扩展知识（书中第三十章使用`imxdownload`烧写`u-boot.bin`；此处为通用 dd 方式）。

`u-boot.imx`需烧写到 SD 卡偏移 **1024 字节**处（即跳过前 2 个 512 字节扇区）：

```mermaid
flowchart LR
    A[获取u-boot.imx] --> B[插入SD卡]
    B --> C[sudo dd if=u-boot.imx of=/dev/sdb bs=512 seek=2 conv=fsync]
    C --> D[确认烧录完成]
    D --> E[插入开发板启动]
```

**dd命令参数说明：**

| 参数            | 说明                                   |
| --------------- | -------------------------------------- |
| `if=u-boot.imx` | 输入文件                               |
| `of=/dev/sdb`   | 输出设备（切勿写系统盘）               |
| `bs=512`        | 块大小 = 一个扇区                      |
| `seek=2`        | 跳过 2 个扇区 = 1024 字节偏移          |
| `conv=fsync`    | 同步写入，确保数据落盘（可选 notrunc） |

---

## 六、跨平台对比

> ⚠️ **来源说明**：本节不属于《I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南》内容，为扩展知识。

### 6.1 i.MX6ULL vs STM32MP1 vs RK3568

| 对比项             | i.MX6ULL    | STM32MP1            | RK3568      |
| ------------------ | ----------- | ------------------- | ----------- |
| **内核加载地址**   | 0x80800000  | 0xC2000000          | 0x00208000  |
| **U-Boot加载地址** | 0x87800000  | 0xC4000000          | 0x00200000  |
| **DTB加载地址**    | 0x83000000  | 0xC4F00000          | 0x00F00000  |
| **OCRAM**          | 128KB       | 256KB               | 无          |
| **SPL存储**        | eMMC/SD/USB | eMMC/SD             | eMMC/SD/SPI |
| **烧录工具**       | dd/mkimage  | STM32CubeProgrammer | rkdevtool   |
| **特殊处理**       | IVT+DCD头   | FSBL+SSBL           | TPL+SPL     |

### 6.2 启动流程对比

```mermaid
flowchart LR
    subgraph i.MX6ULL
        A1[Boot ROM] --> A2[SPL]
        A2 --> A3[U-Boot]
        A3 --> A4[Linux]
    end
    subgraph STM32MP1
        B1[Boot ROM] --> B2[FSBL]
        B2 --> B3[SSBL]
        B3 --> B4[Linux]
    end
    subgraph RK3568
        C1[Boot ROM] --> C2[TPL]
        C2 --> C3[SPL]
        C3 --> C4[U-Boot]
        C4 --> C5[Linux]
    end
```

---

## 七、面试精选

> ⚠️ **来源说明**：本节不属于《I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南》内容，为扩展知识（答案基于书中事实整理）。

### Q1: 为什么U-Boot加载地址是0x87800000？

> `0x87800000`是 NXP 为 i.MX6 系列定义的`CONFIG_SYS_TEXT_BASE`（写在板级头文件 mx6ullevk.h / mx6ull_alientek_emmc.h 中），编译时通过`-Ttext 0x87800000`链接，也是上电后 Boot ROM 把 U-Boot 加载到 DDR 的位置。正点原子裸机例程的链接起始地址同样选`0x87800000`，目的是与 U-Boot 保持一致。
>
> 注意：这是 U-Boot 的**初始加载/链接地址**；重定位后 U-Boot 实际运行在 DDR 高地址（示例为`0x9FF47000`）。

### Q2: U-Boot重定位的作用是什么？为什么要重定位？

> **作用：**
>
> 1. 将U-Boot从初始加载地址拷贝到最终运行地址
> 2. 修正全局变量引用和函数指针
> 3. 释放低地址内存给SPL使用
>
> **原因：**
>
> - SPL加载U-Boot到固定地址0x87800000
> - 最终运行地址可能不同，需要重定位到未来运行地址
> - 释放初始加载区域，避免内存浪费

### Q3: CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR是如何计算的？

> ```text
> CONFIG_SYS_INIT_RAM_ADDR = IRAM_BASE_ADDR = 0x00900000
> CONFIG_SYS_INIT_RAM_SIZE = IRAM_SIZE = 0x00020000 (128KB)
> GENERATED_GBL_DATA_SIZE = (sizeof(struct global_data) + 15) & ~15 = 256
> CONFIG_SYS_INIT_SP_OFFSET = 0x20000 - 256 = 0x1FF00
> CONFIG_SYS_INIT_SP_ADDR = 0x00900000 + 0x1FF00 = 0x0091FF00
> ```
>
> 随后在`lowlevel_init`中执行`sub sp, sp, #GD_SIZE`（GD_SIZE=248）并 8 字节对齐，得到`0x0091FE08`。

### Q4: U-Boot如何传递参数给Linux内核？

> 1. **r0 = 0**: 未使用
> 2. **r1 = machid**: 机器类型ID（`gd->bd->bi_arch_number`）；使用设备树后内核靠 DTB 的 compatible 匹配，machid 已不再关键
> 3. **r2 = dtb地址**: 使用设备树时为`images->ft_addr`（DTB 在 DRAM 中的地址），否则为`gd->bd->bi_boot_params`
> 4. **bootargs**: 通过 bootargs 环境变量传递，I.MX6ULL 上典型值：
>    - `console=ttymxc0,115200` 串口控制台配置
>    - `root=/dev/mmcblk1p2` 根文件系统分区
>    - `rootwait`、`rw`、`rootfstype=ext4` 等

### Q5: 如何分析U-Boot启动失败？

> ```text
> 1. 串口无输出: 检查串口驱动、时钟配置
> 2. DDR初始化失败: 检查DDR参数配置
> 3. SPL加载失败: 检查存储驱动、分区表
> 4. U-Boot加载失败: 检查存储器、镜像格式
> 5. 内核启动失败: 检查内核地址、DTB地址
> 6. rootfs挂载失败: 检查rootfs路径、分区表
> ```

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> **参考资料：**
>
> - U-Boot官方文档: https://docs.u-boot.org/
> - 正点原子STM32MP157开发板教程
> - 正点原子电子网: https://www.alientek.com/

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**内容来源**: 《I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南》第31章 U-Boot顶层Makefile详解、第32章 U-Boot启动流程详解