嵌入式Linux引導以及U-Boot移植深度分析

　　引言：本文簡(jiǎn)明扼要的介紹了嵌入式Linux的引導過(guò)程，X86體系的引導過(guò)程以及幾種常見(jiàn)嵌入式處理器的引導過(guò)程，U-Boot的移植的基本步驟、常用命令如何使用。通過(guò)本文可以對嵌入式Linux的引導從概念到實(shí)際操作有一個(gè)總體清晰的認識

　　1.啟動(dòng)順序

　　1.1 Bootloader

　　Bootloader（引導加載程序）本質(zhì)上是一小段程序，其基本功能在于：

　　基本的硬件初始化

　　從閃存存儲，網(wǎng)絡(luò )或其他類(lèi)型的非易失性存儲中加載應用程序二進(jìn)制文件（通常是操作系統內核）。

　　可能會(huì )對應用程序二進(jìn)制文件進(jìn)行解壓縮

　　執行申請

　　除此基本功能之外，大多數Bootloader（引導加載程序）實(shí)現了Shell命令集以執行不同操作。

　　從存儲或網(wǎng)絡(luò )中加載數據，內存檢查，硬件診斷和測試等

　　1.2 基于BIOS-X86的引導

　　x86處理器通常安裝在在一塊包含BIOS程序的非易失性存儲器主板上。

　　在基于BIOS的舊x86平臺上：BIOS負責基本的硬件初始化和從非易失性存儲中加載一小段代碼。

　　這段代碼通常是第一階段的引導程序bootloader，它將加載完整的引導程序bootloader本身。

　　bootloader可以解析文件系統，因此內核映象可以直接從普通文件系統中加載。

　　此順序與現代基于EFI的系統不同。

　　用于X86體系Linux的bootloader常用的有以下兩種：

　　GNU GRUB（GRand UnifiedBootloader簡(jiǎn)稱(chēng)“GRUB”）是一個(gè)來(lái)自GNU項目的多操作系統啟動(dòng)程序。GRUB是多啟動(dòng)規范的實(shí)現，它允許用戶(hù)可以在計算機內同時(shí)擁有多個(gè)操作系統，并在計算機啟動(dòng)時(shí)選擇希望運行的操作系統。GRUB可用于選擇操作系統分區上的不同內核，也可用于向這些內核傳遞啟動(dòng)參數。

　　在X86架構的機器中，Linux、BSD 或其它Unix類(lèi)的操作系統中GRUB、LILO 是大家最為常用，應該說(shuō)是主流。

　　詳細信息請參考：http://www.gnu.org/software/grub/

　　syslinux是一個(gè)功能強大的引導加載程序，而且兼容各種介質(zhì)。它的目的是簡(jiǎn)化首次安裝Linux的時(shí)間，并建立修護或其它特殊用途的啟動(dòng)盤(pán)。它的安裝很簡(jiǎn)單，一旦安裝syslinux好之后，sysLinux啟動(dòng)盤(pán)就可以引導各種基于DOS的工具，以及MS-DOS/Windows或者任何其它操作系統。不僅支持采用BIOS結構的主板，而且從6.0版也開(kāi)始支持采用EFI結構的新型主板。

　　Syslinux常被用于自網(wǎng)絡(luò )或者可移動(dòng)存儲介質(zhì)（如USB/CD-ROM）引導 Linux

　　詳細信息請參考：https://kernel.org/pub/linux/utils/boot/syslinux/

　　1.3 嵌入式CPU的引導

　　Case 1：CPU內部無(wú)引導代碼

　　CPU上電后，CPU開(kāi)始在固定地址入口執行代碼

　　CPU沒(méi)有提供其他引導機制

　　硬件設計必須確保已連接存儲芯片（如NOR閃存芯片）這樣就可以在CPU啟動(dòng)的地址訪(fǎng)問(wèn)它并執行指令

　　第一級引導程序必須在此地址編程在該存儲芯片中（如NOR）

　　NOR是強制性的，因為它允許隨機訪(fǎng)問(wèn)，NAND不允許

　　注：這種方案已不常用，因為需要NOR FLASH

　　Case2：CPU內具有引導代碼

　　CPU在ROM中具有集成的引導代碼。如：AT91 CPU上的BootROM，OMAP上的“ ROM代碼”，等等。具體細節取決于CPU體系結構

　　此引導代碼能夠將第一級引導加載程序從存儲設備加載到內部SRAM（因為DRAM尚未初始化）。 存儲設備通?？梢允牵篗MC，NAND，SPI閃存，UART（通過(guò)串行線(xiàn)傳輸數據）等等。

　　第一階段的引導程序： 由于硬件限制，尺寸有限（SRAM比較貴）， 由CPU供應商或社區項目提供

　　此第一階段引導程序必須初始化DRAM和其他硬件設備，并將第二階段的引導程序加載到RAM

　　因為本文專(zhuān)注嵌入式領(lǐng)域，故接下來(lái)將描述幾種常見(jiàn)的嵌入式處理器的引導過(guò)程。

　　1.2.1 ARM Microchip AT91的引導

　　RomBoot：嘗試從各種設備中找到有效的引導映像存儲源，然后將其加載到SRAM中（DRAM還未初始化）。大小限制為4 KB，無(wú)法進(jìn)行用戶(hù)互動(dòng)標準啟動(dòng)模式。

　　AT91Bootstrap：從SRAM運行。初始化DRAM，NAND或SPI控制器，并將輔助引導程序加載到RAM并啟動(dòng)它，此階段沒(méi)有用戶(hù)互動(dòng)的可能。

　　U-Boot：從RAM運行。初始化其他一些硬件設備（網(wǎng)絡(luò )，USB等）。從存儲或加載內核映像網(wǎng)絡(luò )到RAM并啟動(dòng)它。此階段Shell命令可以使用。

　　Linux內核：從RAM運行。完全接管系統（引導加載程序bootloader不再存在）。

　　1.2.2 ARM TI OMAP2+/AM33xx的引導

　　ROM代碼：嘗試從各種方法中找到有效的引導映像存儲源，并將其加載到SRAM或RAM中（RAM可以是由ROM代碼通過(guò)配置標頭初始化）。尺寸限制為《64 KB。沒(méi)有用戶(hù)互動(dòng)的可能。

　　X-Loader或U-Boot SPL：從SRAM運行。初始化DRAM，NAND或MMC控制器，并加載輔助將引導程序加載到RAM中并啟動(dòng)它。沒(méi)有用戶(hù)互動(dòng)的可能。文件名為MLO。

　　U-Boot：從RAM運行。初始化其他一些硬件設備（網(wǎng)絡(luò )，USB等）。從存儲或加載內核映像網(wǎng)絡(luò )到RAM并啟動(dòng)它。具有提供的命令的Shell。該文件一般名為u-boot.bin或u-boot.img。

　　Linux內核：從RAM運行。完全接管系統（引導程序不再存在）。

　　1.2.3 MarvellSoCs 的引導

　　ROM代碼：嘗試從各種方法中找到有效的引導影像

　　存儲源，并將其加載到RAM中。RAM配置為在特定于CPU的標頭中進(jìn)行了描述，該標頭已添加到引導加載程序中圖片。

　　U-Boot：從RAM運行。初始化其他一些硬件設備（網(wǎng)絡(luò )，USB等）。從存儲或加載內核映像網(wǎng)絡(luò )到RAM并啟動(dòng)它。具有提供的命令的Shell。文件名為u-boot.kwb。

　　Linux內核：從RAM運行。完全接管系統（引導程序不再存在）。

　　1.2.4 常見(jiàn)嵌入式處理器的bootloader

　　本文將重點(diǎn)介紹通用部分，即主要的引導加載程序重要功能。有幾種開(kāi)源的通用引導加載程序。以下是最受歡迎的：

　　U-Boot，Denx的通用引導程序

　　最常用于A(yíng)RM，也可用于PPC，MIPS，x86，m68k，NIOS等。

　　如今已成為事實(shí)上的標準。我們將詳細研究它。

　　http://www.denx.de/wiki/U-Boot

　　Barebox，與體系結構無(wú)關(guān)的引導程序，是U-Boot的后繼產(chǎn)品。它尚不具備U-Boot的硬件支持。U-Boot改善了非常感謝這位競爭對手。

　　http://www.barebox.org

　　還有很多其他開(kāi)源或專(zhuān)有的引導程序，通常特定于架構。如RedBoot，Yaboot，PMON等

　　2. U-Boot

　　2.1 介紹

　　U-Boot是一個(gè)典型的免費軟件項目

　　許可證：GPLv2（與Linux相同）

　　可從http://www.denx.de/wiki/U-Boot免費獲得

　　可從http://www.denx.de/wiki/U-Boot/Documentation獲得文檔

　　Git存儲庫中提供了最新的開(kāi)發(fā)源代碼：

　　http://git.denx.de/？p=u-boot.git;a=摘要

　　圍繞開(kāi)放的郵件列表進(jìn)行開(kāi)發(fā)和討論，http://lists.denx.de/pipermail/u-boot/自2008年底開(kāi)始，它遵循固定間隔的發(fā)布時(shí)間表。兩個(gè)幾個(gè)月，發(fā)布了新版本。版本名為YYYY.MM。

　　2.2 配置文件

　　從網(wǎng)站獲取源代碼并解壓縮。configs/目錄為每個(gè)受支持的板包含一個(gè)配置文件，定義CPU類(lèi)型，外圍設備及其配置，存儲器映射，應在其中編譯的U-Boot功能等。

　　注意：U-Boot正在從頭文件中定義的主板配置遷移（include/configs/）改為defconfig，就像在Linux內核（configs/）中一樣

　　并非所有電路板都已轉換為新的配置系統。硬件供應商提供的較舊的U-Boot版本可能尚未使用此新版本配置系統。

　　U-BOOT 配置文件CHIP_defconfig舉例如下：

　　CONFIG_ARM=y

　　CONFIG_ARCH_SUNXI=y

　　CONFIG_MACH_SUN5I=y

　　CONFIG_DRAM_TIMINGS_DDR3_800E_1066G_1333J=y

　　# CONFIG_MMC is not set

　　CONFIG_USB0_VBUS_PIN=“PB10”

　　CONFIG_VIDEO_COMPOSITE=y

　　CONFIG_DEFAULT_DEVICE_TREE=“sun5i-r8-chip”

　　CONFIG_SPL=y

　　CONFIG_SYS_EXTRA_OPTIONS=“CONS_INDEX=2”

　　# CONFIG_CMD_IMLS is not set

　　CONFIG_CMD_DFU=y

　　CONFIG_CMD_USB_MASS_STORAGE=y

　　CONFIG_AXP_ALDO3_VOLT=3300

　　CONFIG_AXP_ALDO4_VOLT=3300

　　CONFIG_USB_MUSB_GADGET=y

　　CONFIG_USB_GADGET=y

　　CONFIG_USB_GADGET_DOWNLOAD=y

　　CONFIG_G_DNL_MANUFACTURER=“Allwinner Technology”

　　CONFIG_G_DNL_VENDOR_NUM=0x1f3a

　　CONFIG_G_DNL_PRODUCT_NUM=0x1010

　　CONFIG_USB_EHCI_HCD=y

　　2.3 配置并編譯

　　必須先配置U-Boot，然后再進(jìn)行編譯

　　1.制作BOARDNAME_defconfig

　　2.其中BOARDNAME是配置名稱(chēng)，如configs/目錄。

　　3.然后，您可以運行make menuconfig進(jìn)一步自定義U-Boot的配置！

　　確保交叉編譯器在PATH中可用

　　通過(guò)指定交叉編譯器首選項來(lái)編譯U-Boot。例如，如果交叉編譯器可執行文件是arm-linux-gcc：CROSS_COMPILE= arm-linux-

　　主要結果是一個(gè)u-boot.bin文件，它是U-Boot映像。取決于您的特定平臺上，可能還有其他專(zhuān)用映像：u-boot.img

　　2.4 安裝U-Boot

　　通常必須將U-Boot安裝在閃存中才能由硬件執行。取決于硬件，U-Boot的安裝以不同的方式完成：

　　CPU提供了某種特定的引導監視器，您可以使用特定的協(xié)議通過(guò)串行端口或USB與之進(jìn)行通信

　　從固定媒體（NAND）引導之前，CPU首先在可移動(dòng)媒體（MMC）上引導。在這種情況下，請從MMC引導以刷新新版本

　　U-Boot已經(jīng)安裝，可以用來(lái)發(fā)布新版本的U-Boot。但是請注意：如果新版本的U-Boot無(wú)法正常工作，則該主板將無(wú)法使用

　　該評估板提供了一個(gè)JTAG接口，該接口允許遠程寫(xiě)入閃存，而無(wú)需在該評估板上運行任何系統。如果引導加載程序不起作用，它還可以挽救一塊板。

　　2.5 U-boot啟動(dòng)提示信息

　　通過(guò)串行控制臺將目標連接到主機。接通電路板電源。在串行控制臺上，您將看到類(lèi)似以下內容：

　　U-Boot Shell提供了一組命令。本文將研究最重要的內容，請參閱文檔以獲取完整參考或help命令。

　　2.5.1 基本信息命令

　　2.5.2 重要命令

　　具體的命令集取決于U-Boot配置

　　help命令，將列出該配置的所有命令，help command，將列出具體命令的使用幫助

　　ext2load，將文件從ext2文件系統加載到RAM，還有ext2ls列出文件，ext2info以獲得信息

　　fatload，將文件從FAT文件系統加載到RAM，還有fatls和fatinfo

　　tftp，將文件從網(wǎng)絡(luò )加載到RAM

　　ping，用于測試網(wǎng)絡(luò )的物理連通性

　　boot，運行默認的啟動(dòng)命令，存儲在bootcmd中

　　bootz 《address》，啟動(dòng)加載到RAM中給定地址的內核映像

　　loadb，加載，加載，將文件從串行線(xiàn)加載到RAM

　　usb，用于初始化和控制USB子系統，主要用于USB存儲USB鑰匙等設備

　　mmc，用于初始化和控制MMC子系統，用于SD和microSD卡

　　nand，以擦除，讀取和寫(xiě)入NAND閃存中的內容

　　erase， protect， cp，用于擦除，修改保護以及寫(xiě)入NOR閃存

　　md，用于顯示內存內容。對檢查加載到內存中的內容或查看硬件寄存器很有用。

　　mm，用于修改存儲內容。出于測試目的，直接修改硬件寄存器常常在調試階段很有用。

　　2.5.3 環(huán)境變量

　　U-Boot可以通過(guò)環(huán)境變量進(jìn)行配置

　　1.一些特定的環(huán)境變量會(huì )影響不同命令的行為

　　2.可以添加自定義環(huán)境變量，并在腳本中使用

　　在U-Boot啟動(dòng)時(shí)將環(huán)境變量從閃存加載到RAM，可以對其進(jìn)行修改并保存回閃存以實(shí)現持久性

　　閃存（或MMC存儲器）中有一個(gè)專(zhuān)用位置來(lái)存儲U-Boot環(huán)境，該位置在電路板配置文件中定義

　　環(huán)境變量相關(guān)的命令：

　　printenv顯示所有變量

　　printenv 《變量名》 顯示變量的值

　　setenv 《變量名》 《變量值》 僅在RAM中更改變量的值

　　editenv 《變量名》 僅在RAM中編輯變量的值

　　saveenv將環(huán)境的當前狀態(tài)保存在閃存中

　　舉例：

　　重要的U-Boot環(huán)境變量：

　　bootcmd，指定可配置延遲（bootdelay）后如果引導過(guò)程未中斷，U-Boot將在引導時(shí)自動(dòng)執行的命令

　　bootargs，包含傳遞給Linux內核的參數，稍后介紹

　　serverip，U-Boot將與網(wǎng)絡(luò )相關(guān)命令聯(lián)系的服務(wù)器的IP地址

　　ipaddr，U-Boot將使用的IP地址

　　netmask，用于與服務(wù)器聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò )掩碼

　　ethaddr 設置（MAC地址）通常只能設置一次

　　autostart，如果設置為yes，則U-Boot在將圖像加載到內存后自動(dòng)啟動(dòng)圖像（tftp，fatload等）

　　filesize，最新復制到內存的大?。▉?lái)自tftp，fatload，nand讀取等）

　　為實(shí)現復雜的啟動(dòng)，環(huán)境變量可以包含小腳本，以執行多個(gè)命令并測試命令結果。

　　腳本對于自動(dòng)啟動(dòng)或升級過(guò)程很有用

　　可使用鏈接多個(gè)命令，使用分號操作符;

　　條件表達式：if command ;then 。。。 ; else 。。。 ; fi

　　使用運行《variable-name》執行腳本

　　您可以使用${variable-name}引用其他變量

　　舉例：

　　setenv mmc-boot ‘if fatload mmc 0 80000000boot.ini; then source; else

　　if fatload mmc 0 80000000 zImage; then runmmc-do-boot; fi; fi’

　　2.5.4 傳送文件到目標板

　　U-Boot主要用于加載和引導內核映像，但是它也允許更改內核映像和存儲在閃存中的根文件系統。必須在目標和開(kāi)發(fā)工作站之間交換文件。

　　可能的方法：

　　如果目標設備具有以太網(wǎng)連接，并且U-Boot包含用于以太網(wǎng)芯片的驅動(dòng)程序，則通過(guò)網(wǎng)絡(luò )。這是最快，最有效的解決方案。

　　如果U-Boot在使用的平臺支持USB控制器，則可以通過(guò)U盤(pán)

　　如果U-Boot在使用的平臺支持MMC控制器，則可以通過(guò)SD卡或microSD卡

　　通過(guò)串口，但一般效率較低

　　通過(guò)TFTP：

　　將文件通過(guò)TFTP網(wǎng)絡(luò )從開(kāi)發(fā)工作站（Host）傳輸到目標機（Target）上的U-Boot。是一種普通文件傳輸協(xié)議，類(lèi)似于FTP，但是沒(méi)有身份驗證并且采用UDP傳輸層協(xié)議

　　開(kāi)發(fā)工作站上需要配置TFTP服務(wù)器，可參照下列步驟進(jìn)行配置

　　1.sudo apt install tftpd-hpa

　　2. 所有位于開(kāi)發(fā)工作站上/var/lib/tftpboot中的文件對于TFTP

　　3.tftp-hpa軟件包中提供了TFTP客戶(hù)端，可用于測試

　　TFTP服務(wù)器是否搭建成功 TFTP客戶(hù)端已集成到U-Boot中，通過(guò)以下步驟進(jìn)行配置測試

　　1.配置ipaddr以及serverip環(huán)境變量

　　2.使用tftp 《address》《filename》 加載文件進(jìn)行傳輸。