Uboot编译过程分析

Uboot编译过程分析

本文基于firefly-rk3399开发板的uboot，对其编译过程进行分析。
uboot的编译分为两个步骤：

make ARCHV=aarch64 rk3399_box_defconfig
make

因此，接下来主要分为两部分，对uboot的编译过程进行剖析。

---

一、配置

1. make ARCHV=aarch64 rk3399_box_defconfig

有两个信息：

1-1 ARCHV=aarch64

定义了一个变量ARCHV，其值为aarch64。Makefile根据这个变量，决定使用哪种交叉编译工具：

ifeq ($(ARCHV),aarch64)

ifneq ($(wildcard ../toolchain/aarch64-linux-android-4.9),)
CROSS_COMPILE   ?= $(shell pwd)/../toolchain/aarch64-linux-android-4.9/bin/aarch64-linux-android-
endif
...
else
...
endif

1-2 构建的终极目标为rk3399_box_defconfig

rk3399_box_defconfig匹配如下规则

%config: scripts_basic outputmakefile FORCE
    +$(Q)$(CONFIG_SHELL) $(srctree)/scripts/multiconfig.sh $@ 

#前面“+”的意思是，这条命令始终会执行，
#即使使用的make -n。（-n的含义是只打印命令，不实际执行）

rk3399_box_defconfig依赖scripts_basic，因此先构建scripts_basic

scripts_basic:
    $(Q)$(MAKE) $(build)=scripts/basic
    $(Q)rm -f .tmp_quiet_recordmcount

build在scripts/Kbuild.include中定义：

build := -f $(if $(KBUILD_SRC),$(srctree)/)scripts/Makefile.build obj

因此执行scripts/basic/Makefile.build，指定obj变量为scripts/basic，没有明确指定目标，默认构建Makefile.build中的第一个目标__build。

2. scripts/Makefile.build

在该文件中：

prefix := tpl
src := $(patsubst $(prefix)/%,%,$(obj))   #此时src=obj=scripts/basic

...
__build:
...
kbuild-dir := $(if $(filter /%,$(src)),$(src),$(srctree)/$(src))
kbuild-file := $(if $(wildcard $(kbuild-dir)/Kbuild),$(kbuild-dir)/Kbuild,$(kbuild-dir)/Makefile)
include $(kbuild-file)
...

意思就是在scripts/basic下，如果有Kbuild文件，就include该文件，否则include目录下的Makefile文件。
scripts/basic没有Kbuild文件，因此include scripts/basic/Makefile
scripts/basic/Makefile内容如下：

hostprogs-y := fixdep
always      := $(hostprogs-y)

接着往下看Makefile.build：

ifneq ($(hostprogs-y)$(hostprogs-m),)
include scripts/Makefile.host   # hostprogs-y不为空，所以include进该文件
endif

...

__build: $(if $(KBUILD_BUILTIN),$(builtin-target) $(lib-target) $(extra-y)) \
     $(if $(KBUILD_MODULES),$(obj-m) $(modorder-target)) \
     $(subdir-ym) $(always)
    @:      #@取消命令回显，：是空命令，什么也不做。

由于在scripts/basic/Makefile中定义了always:=fixdep，__build依赖fixdep，所以先构建fixdep，构建的规则在scripts/Makefile.host中定义。

3. scripts/Makefile.host

quiet_cmd_host-csingle  = HOSTCC  $@
      cmd_host-csingle  = $(HOSTCC) $(hostc_flags) -o $@ $< \
        $(HOST_LOADLIBES) $(HOSTLOADLIBES_$(@F))
$(host-csingle): $(obj)/%: $(src)/%.c FORCE  #host-csingle=hostprogs-y=scripts/basic/fixdep
    $(call if_changed_dep,host-csingle)

这是一条静态模式规则，意思就是从 $(host-csingle)中找出匹配$(obj)/%的字符串作为目标，匹配$(src)/%.c的文件作为依赖，生成一条规则
例如：

files = foo.elc bar.o lose.o
$(filter %.o,$(files)) : %.o:%.c
$(CC) -c $(CFLAGS) $< -o $@
$(filter %.elc,$(files)) : %.elc : %.el
emacs -f batch-byte-compile $<

等效于

bar.o : bar.c
$(CC) -c $(CFLAGS) $< -o $@
lose.o : lose.c
$(CC) -c $(CFLAGS) $< -o $@
foo.elc : foo.el
emacs -f batch-byte-compile $<

因此

$(host-csingle): $(obj)/%: $(src)/%.c FORCE
    $(call if_changed_dep,host-csingle)

展开后就是

scripts/basic/fixdep ： scripts/basic/fixdep.c FORCE
$(call if_changed_dep,host-csingle)

if_changed_dep在scripts/Kbuild.include中定义，大致意思就是如果目标的依赖有发生变化，就会执行host-csingle定义的命令。
最后，在scripts/basic下生成了fixdep程序文件。

4.构建rk3399_box_defconfig

回过头来，scripts_basic已经构建，接着构建rk3399_box_defconfig:

%config: scripts_basic outputmakefile FORCE
    +$(Q)$(CONFIG_SHELL) $(srctree)/scripts/multiconfig.sh $@

这条命令意思就是执行scripts/multiconfig.sh rk3399_box_defconfig。执行流程如下：

progname=$(basename $0)
target=$1
case $target in            #target=rk3399_box_defconfig
*_defconfig)
    do_board_defconfig $target;;
...
esac

do_board_defconfig () {
...
    run_make_config .tmp_defconfig || {
        cleanup_after_defconfig
        exit 1
    }
...
}

run_make_config () {
    target=$1
    objdir=$2
    build scripts/kconfig $options $target
}
build () {
    debug $progname: $MAKE -f $srctree/scripts/Makefile.build obj="$@"
    $MAKE -f $srctree/scripts/Makefile.build obj="$@"
}

最终执行

make -f scripts/basic/Makefile.build obj=scripts/kconfig SRCARCH=.. KCONFIG_OBJDIR= .tmp_defconfig

即执行scripts/basic/Makefile.build，构建 .tmp_defconfig

5. 构建 .tmp_defconfig

scripts/basic/Makefile.build引入scripts/kconfig/Makefile，在scripts/kconfig/Makefile中定义了构建.tmp_defconfig的规则：

%_defconfig: $(obj)/conf
    $(Q)$< --defconfig=arch/$(SRCARCH)/configs/$@ $(Kconfig)

.tmp_defconfig依赖scripts/kconfig/conf，先构建scripts/kconfig/conf。
在该Makefile中：

conf-objs   := conf.o  zconf.tab.o
hostprogs-y := conf
$(obj)/zconf.tab.o: $(obj)/zconf.lex.c $(obj)/zconf.hash.c

与构建fixdep类似，使用scripts/Makefile.host中定义的规则构建。conf是由conf.o和zconf.tab.o链接而成

$(host-cobjs): $(obj)/%.o: $(src)/%.c FORCE
    $(call if_changed_dep,host-cobjs)

上面的规则构建conf.o和zconf.tab.o，最后由下面的规则链接成conf：

$(host-cmulti): $(obj)/%: $(host-cobjs) $(host-cshlib) FORCE
    $(call if_changed,host-cmulti)

需要注意，scripts/kconfig下没有zconf.tab.c文件，只有一个zconf.tab.c_shipped文件，会使用scripts/Makefile.lib中定义的规则

$(obj)/%: $(src)/%_shipped
    $(call cmd,shipped)

先构建zconf.tab.c，$(obj)/zconf.lex.c $(obj)/zconf.hash.c也一样。
生成conf后，就最终执行构建.tmp_defconfig的规则了：

%_defconfig: $(obj)/conf
    $(Q)$< --defconfig=arch/$(SRCARCH)/configs/$@ $(Kconfig)

展开命令就是

scripts/kconfig/conf --defconfig=arch/../configs/.tmp_defconfig Kconfig

该命令引入了所有Kconfig和.tmp_defconfig(内容和rk3399_box_defconfig一样)定义的CONFIG_XXX变量，最后输出到.config中。
至此，make rk3399_box_defconfig执行完成。

二、make 编译

1、Makefile

先看Makefile的这几行：

-include include/config/auto.conf
-include include/config/auto.conf.cmd
$(KCONFIG_CONFIG) include/config/auto.conf.cmd: ;
include/config/%.conf: $(KCONFIG_CONFIG) include/config/auto.conf.cmd
    $(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/Makefile silentoldconfig

在执行make后(见下图)，没有开始执行构建终极目标的流程，而是最先执行了构建include/config/%.conf的操作，这是为什么呢？

原因在于这一行

-include include/config/auto.conf

make在读入所有的makefile文件之后，首先将所读取的每个makefile作为一个目标，如果存在更新makefile的规则，则更新makefile文件。更新之后make清除本次执行的状态，重新读取一遍所有的makefile文件。
make执行前没有include/config/auto.conf文件，因此在读入所有的Makefile文件之后，会寻找构建include/config/auto.conf的规则，即

include/config/%.conf: $(KCONFIG_CONFIG) include/config/auto.conf.cmd
    $(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/Makefile silentoldconfig

生成include/config/auto.conf后，make重新读取一次所有的Makefile，这时再-include include/config/auto.conf就会引入auto.conf中的内容了。

2、构建include/config/auto.conf

在Makefile中：

$(KCONFIG_CONFIG) include/config/auto.conf.cmd: ;

include/config/%.conf: $(KCONFIG_CONFIG) include/config/auto.conf.cmd
    $(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/Makefile silentoldconfig

展开后

.config include/config/auto.conf.cmd: ;

include/config/auto.conf : .config include/config/auto.conf.cmd
make -f Makefile silentoldconfig

也就是执行make silentoldconfig。接下来的流程与make rk3399_box_defconfig类似

%config: scripts_basic outputmakefile FORCE
    +$(Q)$(CONFIG_SHELL) $(srctree)/scripts/multiconfig.sh $@

执行multiconfig.sh silentoldconfig，调用到multiconfig.sh中的do_silentoldconfig ()函数

do_silentoldconfig () {
    ...
    run_make_config silentoldconfig
    ...
    autoconf include include/autoconf.mk include/autoconf.mk.dep || {
        rm -f include/config/auto.conf
        exit 1
    }
    touch include/config/auto.conf
}

主要做了两个工作：

2-1、 run_make_config silentoldconfig

run_make_config silentoldconfig最终执行scripts/kconfig/Makefile中定义的规则

silentoldconfig: $(obj)/conf
    $(Q)mkdir -p include/config include/generated
    $< --$@ $(Kconfig)

也就是执行了之前说的那条命令：scripts/kconfig/conf --silendoldconfig Kconfig

2-2、autoconf include include/autoconf.mk include/autoconf.mk.dep

autoconf () {
    debug $progname: $MAKE -f $srctree/scripts/Makefile.autoconf obj="$@"
    $MAKE -f $srctree/scripts/Makefile.autoconf obj="$@"
}

命令展开后：

make -f scripts/Makefile.autoconf obj=include include/autoconf.mk include/autoconf.mk.dep

根据在Makefile.autoconf中定义的规则生成include/autoconf.mk和include/autoconf.mk.dep。

比较autoconf和.config文件内容，发现两者基本上是一样的；make rk3399_box_defconfig汇集了CONFIG_XXX变量到.config文件，在make时由-incldue include/config/autoconf引入到make，这样make就可以使用这些变量的定义了。

然而CONFIG_XXX变量不止在makefile中定义，更多情况实在.h头文件中定义为宏，例如CONFIG_RAM_PHY_START在include/configs/rk30plat.h中定义:

#define CONFIG_RAM_PHY_START 0x60000000

那么，make如何获取这些在头文件中定义的宏呢？就是这个autoconf.mk文件，这个文件将所有相关头文件中的CONFIG_XXX宏，转化为makefile变量，再被-include include/autoconf.mk这句话包含进Makefile，供make使用。

接下来在Makefile中：

ifneq ($(autoconf_is_current),)
include $(srctree)/config.mk
endif

包含进了源码*目录的config.mk，这个config.mk定义了一些变量，并且引入了cpu和board目录下的config.mk。
至此，所有的CONFIG_XXX变量（makefile中定义的和.h中的宏定义）就被make包含进了。

3、 u-boot-dirs

接下来，Makefile定义了一些变量

head-y := $(CPUDIR)/start.o
libs-$(CONFIG_OF_EMBED) += dts/
libs-y += arch/$(ARCH)/lib/
libs-y += fs/
libs-y += net/
libs-y += disk/
...
u-boot-dirs := $(patsubst %/,%,$(filter %/, $(libs-y))) tools examples
libs-y      := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(libs-y))
u-boot-init := $(head-y)
u-boot-main := $(libs-y)

有些变量根据CONFIG_XXX的值来决定是否追加定义，例如如果CONFIG_OF_EMBED=y，则libs-$(CONFIG_OF_EMBED) += dts/就会展开成libs-y += dts/。lib-y指定了本次编译需要编译的工程目录，u-boot-main就是各工程目录下的built-in.o文件，例如fs/build-in.o、net/build-in.o，这些build-in.o最后会被链接成uboot。

4、编译终极目标

make没有指定目标，默认构建终极目标_all。_all依赖all，al又依赖$(ALL-y)，$(ALL-y)展开后为checkarmreloc RKLoader-uboot.bin u-boot.srec u-boot.bin System.map binary_size_check。依赖树如下图所示：

4-1、include/config/uboot.release

define filechk_uboot.release
    echo "$(UBOOTVERSION)$$($(CONFIG_SHELL) $(srctree)/scripts/setlocalversion $(srctree))"
endef

include/config/uboot.release: include/config/auto.conf FORCE
    $(call filechk,uboot.release)

调用filechk_uboot.release生成include/config/uboot.release，该文件包含了uboot的版本信息。

4-2、调用filechk_version.h生成$(verison_h)

4-3、调用filechk_timestamp.h生成$(timestamp_h)

4-4、prepare0的构建

prepare0: archprepare FORCE
    $(Q)$(MAKE) $(build)=.

即

make -f scripts/basic/Makefile.build obj=. 

没有指定目标，默认构建__build.

  ●  在Makefile.build中，引入$(srctree)/Kbuild
  ● Kbuild定义了$(always)
  ● 构建__build
  ● 构建__build的依赖$(always),即generic-asm-offsets.h和asm-offsets.h

4-5、 构建$(u-boot-dirs)

这一步完成了uboot编译的主要工作：

$(u-boot-dirs): prepare scripts
    $(Q)$(MAKE) $(build)=$@
tools: prepare
$(filter-out tools, $(u-boot-dirs)): tools

$(Q)$(MAKE) $(build)=$@这个命令，引入各个目录下的Kbuild或Makefile，依据Makefile.build中定义的规则构建目标

  ● 如果定义了hostprogs-y，则引入Makefile.host，构建目标
  ● 如果定义了obj-y，依据Makefile.build中的规则构建各个.o文件，并最终链接成build-in.o文件

下面以构建arch/arm/cpu/armv8为例，简单说明：

arch/arm/cpu/armv8 : prepare scripts
    $(Q)$(MAKE) $(build)=$@

执行make -f scripts/basic/Makefile.build obj=arch/arm/cpu/armv8
在Makefile.build中，include arch/arm/cpu/armv8/Makefile:

extra-y := start.o

obj-y   += cpu.o
ifndef  CONFIG_ROCKCHIP
obj-y   += generic_timer.o
endif
obj-y   += cache_v8.o
obj-y   += exceptions.o
obj-y   += cache.o
obj-y   += tlb.o
obj-y   += transition.o

接着看Makefile.build:

ifneq ($(strip $(obj-y) $(obj-m) $(obj-n) $(obj-) $(subdir-m) $(lib-target)),)
builtin-target := $(obj)/built-in.o
endif

在arch/arm/cpu/armv8/Makefile中定义了obj-y，所以builtin-target := arch/arm/cpu/armv8/built-in.o
所以，__build的构建规则

__build: $(if $(KBUILD_BUILTIN),$(builtin-target) $(lib-target) $(extra-y)) \
     $(if $(KBUILD_MODULES),$(obj-m) $(modorder-target)) \
     $(subdir-ym) $(always)
    @:

展开后

__build: arch/arm/cpu/armv8/built-in.o arch/arm/cpu/armv8/start.o
    @:

build-in.o依赖$(obj-y)，也就是在arch/arm/cpu/armv8/Makefile中定义的那些.o文件：

cmd_link_o_target = $(if $(strip $(obj-y)),\
              $(LD) $(ld_flags) -r -o $@ $(filter $(obj-y), $^) \
              $(cmd_secanalysis),\
              rm -f $@; $(AR) rcs$(KBUILD_ARFLAGS) $@)

$(builtin-target): $(obj-y) FORCE
    $(call if_changed,link_o_target)

.o文件使用如下规则构建：

cmd_cc_o_c = $(CC) $(c_flags) -c -o $(@D)/.tmp_$(@F) $<
$(obj)/%.o: $(src)/%.c $(recordmcount_source) FORCE
    $(call cmd,force_checksrc)
    $(call if_changed_rule,cc_o_c)

cmd_as_o_S       = $(CC) $(a_flags) -c -o $@ $<
$(obj)/%.o: $(src)/%.S FORCE
    $(call if_changed_dep,as_o_S)  

执行cmd_cc_o_c定义的命令将.c编译成.o，执行cmd_as_o_S定义的命令将.S编译成.o。
最后，将编译出来的.o文件使用cmd_link_o_target链接成arch/arm/cpu/armv8/build-in.o。
其他目录的的执行过程也是类似的，就不做进一步分析了。

4-6、构建u-boot

执行完构建$(u-boot-dirs)的规则之后，将源文件编译成了.o目标文件，下一步就是链接了。先构建链接脚本u-boot.lds：

quiet_cmd_cpp_lds = LDS     $@
cmd_cpp_lds = $(CPP) -Wp,-MD,$(depfile) $(cpp_flags) $(LDPPFLAGS) -ansi \
        -D__ASSEMBLY__ -x assembler-with-cpp -P -o $@ $<

u-boot.lds: $(LDSCRIPT) prepare FORCE
    $(call if_changed_dep,cpp_lds)

接着链接生成u-boot：

quiet_cmd_u-boot__ ?= LD      $@
      cmd_u-boot__ ?= $(LD) $(LDFLAGS) $(LDFLAGS_u-boot) -o $@ \
      -T u-boot.lds $(u-boot-init)                             \
      --start-group $(u-boot-main) --end-group                 \
      $(PLATFORM_LIBS) -Map u-boot.map

u-boot: $(u-boot-init) $(u-boot-main) u-boot.lds
    $(call if_changed,u-boot__)
ifeq ($(CONFIG_KALLSYMS),y)
    $(call cmd,smap)
    $(call cmd,u-boot__) common/system_map.o
endif

4-7、RKLoader_uboot.bin

RKLoader_uboot.bin: u-boot.bin
ifdef CONFIG_SECOND_LEVEL_BOOTLOADER
    $(if $(CONFIG_MERGER_MINILOADER), ./tools/boot_merger ./tools/rk_tools/RKBOOT/$(RKCHIP)MINIALL.ini &&) \
    $(if $(CONFIG_MERGER_TRUSTIMAGE), ./tools/trust_merger $(if $(CONFIG_RK_TRUSTOS), --subfix) \
                            ./tools/rk_tools/RKTRUST/$(RKCHIP)TRUST.ini &&) \
    $(if $(CONFIG_MERGER_TRUSTOS), ./tools/loaderimage --pack --trustos $(RK_TOS_BIN) trust.img &&) \
    ./tools/loaderimage --pack --uboot u-boot.bin uboot.img
else
    ./tools/boot_merger --subfix "$(RK_SUBFIX)" ./tools/rk_tools/RKBOOT/$(RKCHIP).ini
endif # CONFIG_SECOND_LEVEL_BOOTLOADER

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

使用objcopy从u-boot生成u-boot.bin二进制文件，根据CONFIG_SECOND_LEVEL_BOOTLOADER是否配置成二级Loader，生成最终的Uboot镜像文件。

三、总结

make rk3399_box_defconfig导入默认的配置，生成.config文件；在make时，根据.config、Makefile和各个.h头文件中定义的CONFIG_XXX变量，决定要编译哪些模块；编译时进入各个工程目录，根据工程目录下的Makefile内容，执行编译过程。如果Makefile中定义了hostprogs-y，则使用scripts/Makefile.host中定义的规则构建目标；如果定义了obj-y，则根据scripts/basic/Makefile.build中的规则构建目标，最终生成uboot镜像。