U-Boot 부팅 시퀀스 완전 해부

U-Boot 부팅 시퀀스 완전 해부

임베디드 시스템에서 U-Boot는 커널이 실행되기까지 하드웨어를 단계적으로 초기화하며 시스템을 준비시키는 핵심 부트로더입니다. 특히 Rockchip RK3399과 같은 ARM 기반 SoC에서는 ROM → SPL → U-Boot → Kernel 형태의 다단계 부팅 구조를 사용합니다. 본 글에서는 각 단계에서 어떤 초기화가 수행되는지, U-Boot의 핵심 흐름(start.S → _main → board_init_f → board_init_r), 그리고 실제 부팅 로그를 기반으로 부팅 시퀀스를 어떻게 추적하는지까지 상세히 설명합니다.

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1. 전체 부팅 시퀀스 개요

RK3399을 기준으로 한 전체 부팅 순서는 다음과 같습니다.

[ROM] → [SPL/TPL] → [U-Boot] → [Linux Kernel]

각 단계는 다음과 같은 역할을 담당합니다.

● ROM(1st stage)

• SoC 내부 Mask-ROM에 저장된 부트 코드
• 부팅 가능한 스토리지(eMMC, SD, SPI-NOR 등) 검색
• SPL 또는 TPL 로드 후 실행
• 시리얼 로그 불가, 제조사에서 제공하는 고정 동작

● SPL / TPL (2nd stage)

• Small / Tiny Program Loader
• DRAM 초기화가 가장 큰 목적
• 실행 가능한 크기의 U-Boot 이미지를 DRAM으로 로드
• Clock, PMIC(전원관리), 초기 핀 설정 수행

● U-Boot(3rd stage)

• 콘솔 출력 가능
• 디바이스 드라이버 초기화 (MMC, USB, Ethernet 등)
• 환경 변수 로딩
• 부팅 커맨드 수행 (bootcmd)
• Kernel 및 DTB/Initrd 로드 후 Jump

● Linux Kernel(4th stage)

• U-Boot가 전달한 DTB 기반으로 디바이스 초기화
• rootfs 마운트 후 사용자 공간 시작

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2. 단계별 초기화 과정

각 부팅 단계에서 무엇이 초기화되는지 좀 더 상세하게 정리하면 다음과 같습니다.

2.1 ROM 단계 초기화

• Boot Mode 핀 체크
• Boot Order(eMMC → SD → USB → NAND 등) 결정
• SPL/TPL 로드

ROM은 우리가 수정할 수 없으며 SoC 벤더가 고정해두는 단계입니다.

2.2 SPL/TPL 단계 초기화

RK3399은 DRAM 초기화를 위해 TPL(Trusted SPL)을 먼저 실행하는 경우가 많습니다.

초기화 항목은 다음과 같습니다.

• PLL/Clock 최소 설정
• PMIC 초기화(SCPI 통신 포함)
• DRAM Training 및 초기화
• Pinmux 기본 설정
• Stack/Heap 설정
• U-Boot 이미지 로드 후 Jump

예시 로그:

U-Boot TPL board init
rk3399 dram init start
rk3399 dram training success
Load U-Boot SPL from eMMC

2.3 U-Boot 단계 초기화

U-Boot는 SPL을 통해 DRAM에서 실행되므로 상당히 많은 기능을 초기화합니다.

• 콘솔 초기화 (UART)
• Timer 초기화
• GPIO, I2C, SPI, MMC 등 드라이버 초기화
• 환경 변수(env) 로딩
• Storage(MMC/eMMC/NVMe) 초기화
• 네트워크 드라이버 초기화
• 부팅 장치 탐색
• bootcmd 실행

커널이 로드되기 전까지의 대부분의 하드웨어 초기화는 이 단계에서 완료됩니다.

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3. U-Boot 코드 흐름 분석

U-Boot의 진입점은 arch/arm/cpu/armv8/start.S 입니다.

3.1 start.S

ARM64 U-Boot의 초기 진입점은 다음과 같습니다.

• MMU 비활성화 상태에서 실행
• Exception Level 정렬 (EL3 → EL2 → EL1)
• Stack Pointer 설정
• C 초기화 준비
• _main 함수 호출

start.S(요약):

bl  save_boot_params
bl  cpu_init
bl  _main

3.2 _main()

위 코드는 다음 파일에서 확인됩니다.

common/board_f.c

_main 함수는 초기 함수(board_init_f)를 호출한 뒤, 메모리 재배치 후 board_init_r을 호출합니다.

흐름은 다음과 같습니다:

_main
 ├─ setup_reloc
 ├─ board_init_f()  → 초기 하드웨어 설정
 ├─ relocate_code   → U-Boot를 DRAM에 재배치
 └─ board_init_r()  → 전체 디바이스 초기화, Shell 실행

3.3 board_init_f()

board_init_f는 최저 수준의 장치 초기화를 처리합니다.

• 기본 Clock 초기화
• UART 콘솔 초기화
• Timer 초기화
• DRAM이 이미 초기화되어 있음(SPL/TPL)
• 보드 정보 데이터 구조 설정

RK3399용 예제 코드(요약):

void board_init_f(ulong boot_flags)
{
    /* UART 초기화 */
    board_early_uart_init();

    /* 시스템 클록 설정 */
    clk_set_defaults();

    /* 시스템 타이머 */
    timer_init();
}

3.4 board_init_r()

이 함수는 DRAM에 재배치된 이후 실행되므로 가능한 모든 초기화가 수행됩니다.

• MMC/eMMC 드라이버 초기화
• USB, Ethernet 등 주변 장치 초기화
• 환경 변수 로딩
• Boot Device 탐색 및 Kernel 로드

board_init_r 흐름 예시:

board_init_r
 ├─ dm_init_and_scan
 ├─ load_env
 ├─ init_mmc
 ├─ init_usb
 ├─ run_command_list(bootcmd)

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4. RK3399 부팅 로그 기반 분석

아래는 실제 RK3399 U-Boot 부팅 로그를 단순화하여 예시로 만든 것입니다.

U-Boot TPL 2023.07 (RK3399)
DRAM init success
Load SPL

U-Boot SPL 2023.07
Trying to boot from eMMC
Load u-boot.itb OK

U-Boot 2023.07 (rk3399)
CPU: rk3399
Model: Rockchip RK3399 Board
DRAM: 3 GiB
MMC: mmc0(eMMC)
In:    serial
Out:   serial
Err:   serial
Net:   eth0
Hit any key to stop autoboot:  0
Booting kernel from eMMC
Loading Image...
Loading rk3399.dtb...

이 로그를 기반으로 분석하면 다음과 같은 흐름이 보입니다.

1. TPL 실행 및 DRAM 초기화 성공 → SPL로 점프
2. SPL이 eMMC에서 U-Boot 이미지 로딩 → U-Boot 본체 실행
3. U-Boot가 주변장치 초기화(MMC, UART, Ethernet) 수행
4. autoboot 타이머 후 커널 로드 및 실행

이 과정은 U-Boot의 단계적 초기화 흐름을 그대로 보여주는 대표적인 예입니다.

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5. 결론 요약

본 글에서 정리한 내용을 다시 한 번 요약하면 다음과 같습니다.

✔ “U-Boot는 단계별로 하드웨어를 깨우며 부팅한다.”

• ROM은 스토리지에서 SPL을 찾는 역할만 수행한다.
• SPL/TPL은 전원 및 DRAM 초기화를 주로 담당한다.
• U-Boot는 콘솔/스토리지/네트워크 등 다양한 디바이스를 활성화한다.
• 최종적으로 Kernel을 DRAM으로 로드하고 Jump하여 시스템을 OS 수준으로 넘긴다.

U-Boot는 단순한 부트로더가 아니라 하드웨어를 단계별로 깨워서 커널이 실행될 준비를 완성하는 핵심 구성 요소입니다.

앞으로는 각 단계별 코드 분석, RK3399 특화 설정, 그리고 U-Boot 디바이스 드라이버 포팅 방법에 대해 추가로 다뤄 보겠습니다.