Bootloader Internals · 8/37

U-Boot 보드 초기화 시퀀스 — board_init_f와 board_init_r 분리 이유

2026년 5월 9일 · Hawk · 7분 읽기

#한 줄 요약

“U-Boot은 부트를 두 단계로 나눕니다.” — board_init_f는 DRAM이 없거나 작은 SRAM에서 동작하는 pre-relocation, board_init_r은 DRAM에 복사된 후에 동작하는 post-relocation. 같은 binary이지만 실행 환경이 완전히 다릅니다.

U-Boot이 시작하는 순간 어디서 동작하는지를 봅니다. SoC SRAM(수십 KB)에서 시작해 DRAM training이 끝나면 자기 자신을 DRAM에 복사하고, 복사된 DRAM 코드로 점프합니다. 점프 전이 board_init_f, 점프 후가 board_init_r. 두 단계를 분리해서 이해하는 것이 U-Boot 흐름의 핵심입니다.

#왜 두 단계인가

가장 단순한 답은 DRAM이 처음에는 없다는 것입니다.

부트 시점 0

SoC 내부 SRAM — 동작 가능 (수십 KB)
DRAM 영역(0x40000000) — 죽어 있음

DRAM training 완료 후

SoC 내부 SRAM — 여전히 동작 가능
DRAM 영역(0x40000000) — 살아남, 수 GB 사용 가능

부트 초기에는 SRAM 안의 작은 공간에서 동작해야 합니다. 페이지 테이블, 스택, malloc 영역이 모두 SRAM 안에 들어가야 합니다. DRAM이 깨어난 후에는 DRAM의 충분한 공간으로 옮겨 가는 것이 자연스럽습니다.

또 다른 이유는 코드가 ROM/Flash에서 직접 실행되는 경우입니다. NOR flash에서 부분적으로 실행하다가 DRAM에 복사 후 더 빠르게 실행하는 패턴.

이 복사 + 점프가 relocation입니다.

#메모리 레이아웃 변화

board_init_f와 board_init_r의 환경 차이를 메모리 맵으로 봅니다.

board_init_f vs board_init_r 메모리 모델 — SRAM에서 DRAM으로 relocation

board_init_r 시점에는 DRAM의 충분한 공간에서 동작합니다. 스택이 크고, malloc 영역도 크고, 마음껏 driver를 probe합니다.

#init_sequence_f — pre-relocation 흐름

common/board_f.c에 board_init_f의 흐름이 함수 배열로 정의됩니다.

1
static const init_fnc_t init_sequence_f[] = {
2
    setup_mon_len,           /* monitor 길이 측정 */
3
#ifdef CONFIG_OF_CONTROL
4
    fdtdec_setup,             /* control DTB 확정 */
5
#endif
6
    initf_malloc,             /* SRAM 안의 작은 malloc init */
7
    log_init,
8
    initf_bootstage,
9
    bootstage_mark_name,
10
    initf_console_record,
11
    arch_cpu_init,            /* CPU 초기 설정 (cache, mmu off) */
12
    mach_cpu_init,            /* SoC별 초기화 */
13
    initf_dm,                 /* Driver Model init (pre-reloc만) */
14
    arch_cpu_init_dm,
15
    timer_init,
16
    env_init,
17
    init_baud_rate,
18
    serial_init,              /* console UART driver 활성화 */
19
    console_init_f,           /* 첫 printf 가능 */
20
    display_options,          /* "U-Boot 2024.04..." 출력 */
21
    checkcpu,
22
    print_cpuinfo,
23
    show_board_info,
24
    misc_init_f,              /* 보드 hook */
25
    init_func_i2c,
26
    dram_init,                /* DRAM 크기 측정 */
27
    setup_dest_addr,          /* relocation 목적지 계산 */
28
    reserve_round_4k,
29
    setup_bdinfo,
30
    display_new_sp,
31
    reloc_fdt,                /* DTB를 DRAM으로 복사 */
32
    setup_reloc,
33
    NULL
34
};
35

36
void board_init_f(ulong boot_flags)
37
{
38
    if (initcall_run_list(init_sequence_f))
39
        hang();
40
    /* 이후 relocate_code()로 점프 */
41
}

각 함수가 0을 반환하면 다음으로, 0이 아니면 hang. 부트 디버깅 시 어느 함수에서 죽는지 확인하는 것이 첫걸음입니다.

#핵심 함수들

함수	책임
`arch_cpu_init`	cache flush, MMU 끔, 아키텍처 초기 설정
`initf_dm`	Driver Model init (DM_FLAG_PRE_RELOC만)
`serial_init`	console UART driver probe
`console_init_f`	첫 printf 사용 가능
`dram_init`	DRAM 크기 측정 (보드별 hook)
`setup_dest_addr`	DRAM 안의 relocation 목적지 계산
`reloc_fdt`	DTB를 DRAM으로 복사
`setup_reloc`	relocation 정보 준비

#dram_init — 보드 hook

DRAM 크기는 보드별로 다릅니다. 보드 코드가 dram_init()을 override합니다.

1
/* board/<vendor>/<board>/<board>.c */
2

3
int dram_init(void)
4
{
5
    /* PHYS_SDRAM_SIZE는 보드 헤더에서 정의 */
6
    gd->ram_size = PHYS_SDRAM_SIZE;
7
    return 0;
8
}

크기를 fuse나 DDR controller 레지스터에서 동적으로 읽기도 합니다.

1
int dram_init(void)
2
{
3
    u32 size = read_ddr_size_from_fuse();
4
    gd->ram_size = size;
5
    return 0;
6
}

gd->ram_size가 전체 부트 흐름에서 DRAM 크기의 source of truth입니다.

#gd_t — 전역 데이터

board_init_f가 전역 변수를 마음대로 못 쓰는 이유는 bss가 아직 zero-init 안 됐을 수 있고 DRAM이 없을 수 있기 때문입니다. 대신 gd_t 구조체에 모든 상태를 보관합니다.

1
struct global_data {
2
    struct bd_info *bd;
3
    unsigned long flags;
4
    unsigned int baudrate;
5
    unsigned long cpu_clk;
6
    unsigned long bus_clk;
7
    unsigned long mem_clk;
8
    phys_size_t ram_size;
9
    unsigned long mon_len;
10
    unsigned long irq_sp;
11
    unsigned long start_addr_sp;
12
    unsigned long reloc_off;     /* relocation 오프셋 */
13
    struct global_data *new_gd;
14
    struct udevice *cur_serial_dev;
15
    void *fdt_blob;              /* control DTB */
16
    ...
17
};
18

19
#define gd  ((volatile gd_t *)gd_ptr)

gd는 전역 포인터로 항상 접근 가능합니다. ARM에서는 보통 r9 또는 x18 레지스터에 고정되어 있습니다.

1
#ifdef CONFIG_ARM64
2
#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR  register volatile gd_t *gd asm ("x18")
3
#else
4
#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR  register volatile gd_t *gd asm ("r9")
5
#endif

이 레지스터를 망가뜨리지 않는 것이 ARM assembly 코드의 규칙입니다.

#relocation — DRAM으로 옮기기

board_init_f 끝에서 DRAM의 어디로 옮길지를 계산합니다.

1
static int setup_dest_addr(void)
2
{
3
    /* DRAM 끝에서 mon_len만큼 아래 */
4
    gd->ram_top = gd->ram_base + get_effective_memsize();
5
    gd->relocaddr = gd->ram_top - gd->mon_len;
6
    gd->relocaddr &= ~(4096 - 1);  /* 4KB align */
7

8
    return 0;
9
}

DRAM의 맨 위에 U-Boot을 둡니다. 아래는 비워서 커널 적재 영역으로 씁니다.

1
DRAM 2GB:
2
0x40000000  +-------------------+
3
            | 빈 영역             |
4
            | (커널/initrd 적재)  |
5
            |                   |
6
            +-------------------+
7
            |                   |
8
            +-------------------+
9
            | malloc 영역         |
10
            +-------------------+
11
            | stack             |
12
            +-------------------+
13
            | bss               |
14
            +-------------------+
15
            | data              |
16
            +-------------------+
17
            | text (U-Boot 코드) |
18
0xBFE00000  +-------------------+   ← gd->relocaddr
19
            | (4KB align)        |
20
0xC0000000  +-------------------+

relocation 함수는 arch별 assembly입니다.

1
ENTRY(relocate_code)
2
    ldr    x1, __image_copy_start_ofs
3
    ...
4
    /* DRAM의 새 주소로 코드 복사 */
5
1:  ldp    x10, x11, [x1], #16
6
    stp    x10, x11, [x0], #16
7
    cmp    x1, x2
8
    b.lo   1b
9

10
    /* 다시 rela.dyn fixup */
11
fixloop:
12
    ldp    x0, x1, [x12], #16
13
    ...
14

15
    /* board_init_r로 점프 */
16
    bl     board_init_r
17
ENDPROC(relocate_code)

복사 후 PC가 새 주소로 점프합니다. 이 시점부터는 모든 코드가 DRAM에서 실행됩니다.

#init_sequence_r — post-relocation 흐름

common/board_r.c에 board_init_r의 흐름이 정의됩니다.

1
static init_fnc_t init_sequence_r[] = {
2
    initr_trace,
3
    initr_reloc,              /* gd->flags에 RELOC 표시 */
4
    initr_caches,             /* MMU + cache enable */
5
    initr_reloc_global_data,  /* fdt_blob 등 포인터 재계산 */
6
    initr_barrier,
7
    initr_malloc,             /* malloc 영역을 DRAM으로 */
8
    initr_bootstage,
9
    initr_dm,                 /* DM 재초기화, 모든 driver */
10
    initr_dm_devices,
11
    arch_initr_trap,
12
    initr_announce,           /* "U-Boot is now running from DRAM" */
13
    dm_announce,
14
    initr_serial,
15
    stdio_init,
16
    initr_env,                /* 환경 변수 적재 */
17
    initr_secondary_cpu,      /* SMP 깨우기 (ARMv7) */
18
    initr_pci,
19
    initr_pci_ep,
20
    stdio_add_devices,
21
    initr_jumptable,
22
    console_init_r,           /* console 인터프리터 활성화 */
23
    initr_eth,                /* ethernet init */
24
    initr_post,               /* post-init hook */
25
    run_main_loop,            /* 명령 인터프리터 시작 */
26
    NULL
27
};
28

29
void board_init_r(gd_t *new_gd, ulong dest_addr)
30
{
31
    gd = new_gd;
32
    ...
33
    while (init_sequence_r[i]) {
34
        init_sequence_r[i]();
35
        i++;
36
    }
37
}

run_main_loop가 명령 인터프리터를 시작하는 마지막 줄입니다. 이 함수는 반환하지 않습니다.

1
void main_loop(void)
2
{
3
    bootstage_mark_name(BOOTSTAGE_ID_MAIN_LOOP, "main_loop");
4

5
    cli_init();
6
    autoboot_command(...);   /* bootcmd 실행 */
7

8
    cli_loop();              /* 명령 입력 대기, 영원히 */
9
}

autoboot_command가 환경 변수 bootcmd를 실행합니다. bootcmd가 커널을 부트하면 cli_loop에 도달하지 않습니다. autoboot이 중단되면 cli_loop에서 프롬프트가 떠 명령 입력을 받습니다.

#board 코드가 hook할 수 있는 지점

보드별 초기화 코드가 끼어들 수 있는 곳은 여러 군데 있습니다.

#pre-relocation hook

1
int board_early_init_f(void)
2
{
3
    /* board_init_f 초기, pinctrl 설정 등 */
4
    return 0;
5
}
6

7
int dram_init(void)
8
{
9
    /* DRAM 크기 보고 */
10
    gd->ram_size = ...;
11
    return 0;
12
}
13

14
int dram_init_banksize(void)
15
{
16
    /* multi-bank DRAM 정보 */
17
    gd->bd->bi_dram[0].start = PHYS_SDRAM;
18
    gd->bd->bi_dram[0].size = PHYS_SDRAM_SIZE;
19
    return 0;
20
}
21

22
int misc_init_f(void)
23
{
24
    /* 기타 pre-reloc 초기화 */
25
    return 0;
26
}

#post-relocation hook

1
int board_init(void)
2
{
3
    /* board_init_r 중간 단계 hook */
4
    /* GPIO 설정, PMIC tuning 등 */
5
    return 0;
6
}
7

8
int board_late_init(void)
9
{
10
    /* 거의 끝, 환경 변수 동적 설정 */
11
    env_set("board_name", get_board_revision());
12
    return 0;
13
}
14

15
int misc_init_r(void)
16
{
17
    /* 환경 변수 외 기타 */
18
    return 0;
19
}
20

21
int last_stage_init(void)
22
{
23
    /* 가장 마지막, cli_loop 직전 */
24
    return 0;
25
}

#kernel handoff hook

1
int ft_board_setup(void *blob, struct bd_info *bd)
2
{
3
    /* DTB fixup, booti 직전 호출 */
4
    fdt_setprop(blob, ...);
5
    return 0;
6
}
7

8
int board_prep_linux(struct bootm_headers *images)
9
{
10
    /* Linux 점프 직전 */
11
    return 0;
12
}

보드 .c 파일에 원하는 hook 함수를 정의하면 기본 weak 구현을 override합니다.

#bdinfo — runtime 상태 확인

U-Boot 명령 인터프리터의 bdinfo 명령이 gd_t의 핵심 필드를 보여줍니다.

1
=> bdinfo
2
boot_params = 0x00000000
3
DRAM bank   = 0x00000000
4
-> start    = 0x40000000
5
-> size     = 0x80000000
6
flashstart  = 0x00000000
7
flashsize   = 0x00000000
8
flashoffset = 0x00000000
9
baudrate    = 115200 bps
10
relocaddr   = 0xbfe00000
11
reloc off   = 0x7fc00000
12
Build       = 64-bit
13
current eth = ethernet@30be0000
14
ethaddr     = 00:04:9f:01:23:45
15
IP addr     = <NULL>
16
fdt_blob    = 0x0000000000000000
17
new_fdt     = 0xbfdb6000
18
fdt_size    = 0x00018000
19
lmb_dump_all:
20
 memory.cnt  = 0x1
21
 memory[0]   [0x40000000-0xbfffffff], 0x80000000 bytes
22
 reserved.cnt = 0x4
23
 reserved[0] [0xbfd71008-0xbfffffff], 0x0028eff8 bytes
24
 ...
25
arch_number = 0x00000000
26
TLB addr    = 0xbfff0000
27
irq_sp      = 0x000000000000bff70
28
sp start    = 0x00000000bff70530
29
Early malloc usage: 850 / 2000

relocaddr이 U-Boot이 적재된 위치. reloc off가 원본 주소와의 차. 이 값이 symbol address fixup에 사용됩니다.

#bootstage — 시간 측정

U-Boot이 각 단계의 timestamp를 자동 기록합니다.

1
=> bootstage report
2
Timer summary in microseconds (24 records):
3
       Mark    Elapsed  Stage
4
          0          0  reset
5
        102        102  SPL
6
     159847     159745  end SPL
7
     159912         65  board_init_f
8
     181122      21210  arch_cpu_init
9
     181135         13  initf_dm
10
     181201         66  console_init_f
11
     359862     178661  dram_init
12
     360100        238  setup_dest_addr
13
     360125         25  reloc_fdt
14
     360218         93  end board_init_f
15
     360230         12  board_init_r
16
     362544       2314  arch_initr_trap
17
     364112       1568  initr_eth
18
     364450        338  end board_init_r
19
     364462         12  main_loop
20
     364582        120  bootm_start
21
...

bootstage report로 부트 시간 병목을 찾습니다. dram_init이 178ms라면 DDR training이 차지하는 시간입니다.

#보드 .c 파일의 전체 모습

i.MX 8M Plus EVK의 board 코드 골격입니다.

1
#include <common.h>
2
#include <env.h>
3
#include <init.h>
4
#include <miiphy.h>
5
#include <netdev.h>
6
#include <asm/arch/clock.h>
7
#include <asm/arch/sys_proto.h>
8

9
DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
10

11
int board_init(void)
12
{
13
    /* GPIO 초기화, board-specific PMIC 설정 */
14
    return 0;
15
}
16

17
int board_early_init_f(void)
18
{
19
    init_uart_clk(1);
20
    return 0;
21
}
22

23
int dram_init(void)
24
{
25
    gd->ram_size = PHYS_SDRAM_SIZE;
26
    return 0;
27
}
28

29
int dram_init_banksize(void)
30
{
31
    gd->bd->bi_dram[0].start = PHYS_SDRAM;
32
    gd->bd->bi_dram[0].size  = PHYS_SDRAM_SIZE;
33
    return 0;
34
}
35

36
int board_phys_sdram_size(phys_size_t *size)
37
{
38
    *size = PHYS_SDRAM_SIZE;
39
    return 0;
40
}
41

42
int board_late_init(void)
43
{
44
    env_set("board_name", "EVK");
45
    env_set("board_rev", "iMX8MP");
46
    return 0;
47
}
48

49
#if defined(CONFIG_OF_BOARD_SETUP)
50
int ft_board_setup(void *blob, struct bd_info *bd)
51
{
52
    /* DTB fixup */
53
    return 0;
54
}
55
#endif

각 hook이 어디서 호출되는지 알면 원하는 곳에 코드를 넣을 수 있습니다.

#자주 하는 실수

#전역 변수를 board_init_f에서 수정

board_init_f는 bss가 zero-init 안 됐을 수 있고, DRAM이 없을 수도 있습니다. 전역 변수 대신 gd_t의 필드에 저장합니다.

1
/* Bad */
2
static int my_state = 0;
3

4
int board_early_init_f(void)
5
{
6
    my_state = 42;  /* 어떻게 될지 모름 */
7
    return 0;
8
}
9

10
/* Good */
11
int board_early_init_f(void)
12
{
13
    gd->arch.my_state = 42;
14
    return 0;
15
}

gd_t에 arch 필드를 정의해서 보드별 상태를 저장합니다.

#`dram_init` 누락

보드 .c 파일에 dram_init()이 없으면 weak 기본 구현이 호출되고, 그게 0을 반환하지만 ram_size는 0입니다. 이후 setup_dest_addr이 0을 가지고 relocation 주소를 계산해 망함. 반드시 정의.

#`DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR` 빠뜨림

C 파일 상단에 DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;을 반드시 둡니다. 이게 없으면 gd 매크로가 정의되지 않은 변수가 됩니다.

#relocation 후 원본 메모리 사용

relocation 전에 SRAM 안의 데이터를 가리키는 포인터가 있다면, relocation 후 그 SRAM이 사라졌을 수 있습니다. 모든 포인터는 gd_t의 relocated 버전을 써야 합니다.

#`board_init_f`에서 DM_FLAG_PRE_RELOC 없는 driver 사용

board_init_f에서는 DM_FLAG_PRE_RELOC가 있는 driver만 사용 가능. 일반 driver는 device 인스턴스 자체가 만들어지지 않습니다.

#`gd` 레지스터를 덮어씀

ARM assembly에서 r9(또는 x18)를 다른 용도로 사용하면 gd가 깨집니다. 인라인 어셈블리에서 특히 주의.

#`board_init` vs `board_init_f` 헷갈림

이름이 비슷해서 혼동하기 쉽습니다.

board_init_f: pre-relocation의 전체 흐름 함수 (override 안 함)
board_init: post-relocation의 보드 hook 함수 (override 함)
board_early_init_f: pre-relocation의 보드 hook 함수 (override 함)

보드 코드가 작성하는 것은 board_init과 board_early_init_f.

#`ft_board_setup`이 호출 안 됨

defconfig에 CONFIG_OF_BOARD_SETUP=y가 없으면 fixup이 호출되지 않습니다. 빌드 통과해도 실제 부팅 시 fixup이 빠집니다.

1
CONFIG_OF_BOARD_SETUP=y

#정리

U-Boot은 board_init_f(pre-relocation, SRAM)와 board_init_r(post-relocation, DRAM)로 나뉩니다.
pre-relocation은 전역 변수를 못 쓰고, DRAM이 없거나 작은 SRAM에서 동작합니다. 모든 상태는 gd_t에.
init_sequence_f 배열의 함수가 순차로 호출됩니다. 하나라도 0이 아니면 hang.
gd_t는 전역 포인터로 ARM에서 r9(32bit) 또는 x18(64bit) 레지스터에 고정.
relocation은 DRAM의 맨 위로 U-Boot을 복사하고 점프합니다. PC가 새 주소로 옮겨가는 지점.
init_sequence_r은 DM 재초기화, env 적재, console 인터프리터까지 진행해 main_loop에 도달합니다.
보드 코드의 hook은 board_early_init_f, dram_init, board_init, board_late_init, ft_board_setup 등.
bdinfo로 runtime 상태, bootstage report로 각 단계의 소요 시간을 확인합니다.

#다음 편

Ch 9: DRAM 초기화에서는 DDR controller training의 실제 흐름을 봅니다. ZQ calibration, PHY training, write/read leveling이 왜 그렇게 길고 까다로운지, vendor tool이 어떻게 parameter를 뽑아내는지.

U-Boot 보드 초기화 시퀀스 — board_init_f와 board_init_r 분리 이유

#한 줄 요약

#왜 두 단계인가

#메모리 레이아웃 변화

#init_sequence_f — pre-relocation 흐름

#핵심 함수들

#dram_init — 보드 hook

#gd_t — 전역 데이터

#relocation — DRAM으로 옮기기

#init_sequence_r — post-relocation 흐름

#board 코드가 hook할 수 있는 지점

#pre-relocation hook

#post-relocation hook

#kernel handoff hook

#bdinfo — runtime 상태 확인

#bootstage — 시간 측정

#보드 .c 파일의 전체 모습

#자주 하는 실수

#전역 변수를 board_init_f에서 수정

#`dram_init` 누락

#`DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR` 빠뜨림

#relocation 후 원본 메모리 사용

#`board_init_f`에서 DM_FLAG_PRE_RELOC 없는 driver 사용

#`gd` 레지스터를 덮어씀

#`board_init` vs `board_init_f` 헷갈림

#`ft_board_setup`이 호출 안 됨

#정리

#다음 편

#관련 항목

Bootloader Internals · 8 of 37

관련 글

U-Boot PCIe Enumeration — 부트로더가 디바이스를 찾는 흐름 분석

U-Boot Distro Boot — extlinux·boot.scr 표준화 분석

SPL·TPL 내부 해부 — 가장 작은 부트 단계의 동작 추적

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#한 줄 요약

#왜 두 단계인가

#메모리 레이아웃 변화

#init_sequence_f — pre-relocation 흐름

#핵심 함수들

#dram_init — 보드 hook

#gd_t — 전역 데이터

#relocation — DRAM으로 옮기기

#init_sequence_r — post-relocation 흐름

#board 코드가 hook할 수 있는 지점

#pre-relocation hook

#post-relocation hook

#kernel handoff hook

#bdinfo — runtime 상태 확인

#bootstage — 시간 측정

#보드 .c 파일의 전체 모습

#자주 하는 실수

#전역 변수를 board_init_f에서 수정

#dram_init 누락

#DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR 빠뜨림

#relocation 후 원본 메모리 사용

#board_init_f에서 DM_FLAG_PRE_RELOC 없는 driver 사용

#gd 레지스터를 덮어씀

#board_init vs board_init_f 헷갈림

#ft_board_setup이 호출 안 됨

#정리

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#`ft_board_setup`이 호출 안 됨