嵌入式Linux引导以及U-Boot移植深度分析

　　引言：本文简明扼要的介绍了嵌入式Linux的引导过程，X86体系的引导过程以及几种常见嵌入式处理器的引导过程，U-Boot的移植的基本步骤、常用命令如何使用。通过本文可以对嵌入式Linux的引导从概念到实际操作有一个总体清晰的认识

　　1.启动顺序

　　1.1 Bootloader

　　Bootloader（引导加载程序）本质上是一小段程序，其基本功能在于：

　　基本的硬件初始化

　　从闪存存储，网络或其他类型的非易失性存储中加载应用程序二进制文件（通常是操作系统内核）。

　　可能会对应用程序二进制文件进行解压缩

　　执行申请

　　除此基本功能之外，大多数Bootloader（引导加载程序）实现了Shell命令集以执行不同操作。

　　从存储或网络中加载数据，内存检查，硬件诊断和测试等

　　1.2 基于BIOS-X86的引导

　　x86处理器通常安装在在一块包含BIOS程序的非易失性存储器主板上。

　　在基于BIOS的旧x86平台上：BIOS负责基本的硬件初始化和从非易失性存储中加载一小段代码。

　　这段代码通常是第一阶段的引导程序bootloader，它将加载完整的引导程序bootloader本身。

　　bootloader可以解析文件系统，因此内核映象可以直接从普通文件系统中加载。

　　此顺序与现代基于EFI的系统不同。

　　

　　用于X86体系Linux的bootloader常用的有以下两种：

　　GNU GRUB（GRand UnifiedBootloader简称“GRUB”）是一个来自GNU项目的多操作系统启动程序。GRUB是多启动规范的实现，它允许用户可以在计算机内同时拥有多个操作系统，并在计算机启动时选择希望运行的操作系统。GRUB可用于选择操作系统分区上的不同内核，也可用于向这些内核传递启动参数。

　　在X86架构的机器中，Linux、BSD 或其它Unix类的操作系统中GRUB、LILO 是大家最为常用，应该说是主流。

　　详细信息请参考：http://www.gnu.org/software/grub/

　　syslinux是一个功能强大的引导加载程序，而且兼容各种介质。它的目的是简化首次安装Linux的时间，并建立修护或其它特殊用途的启动盘。它的安装很简单，一旦安装syslinux好之后，sysLinux启动盘就可以引导各种基于DOS的工具，以及MS-DOS/Windows或者任何其它操作系统。不仅支持采用BIOS结构的主板，而且从6.0版也开始支持采用EFI结构的新型主板。

　　Syslinux常被用于自网络或者可移动存储介质（如USB/CD-ROM）引导 Linux

　　详细信息请参考：https://kernel.org/pub/linux/utils/boot/syslinux/

　　1.3 嵌入式CPU的引导

　　Case 1：CPU内部无引导代码

　　

　　CPU上电后，CPU开始在固定地址入口执行代码

　　CPU没有提供其他引导机制

　　硬件设计必须确保已连接存储芯片（如NOR闪存芯片）这样就可以在CPU启动的地址访问它并执行指令

　　第一级引导程序必须在此地址编程在该存储芯片中（如NOR）

　　NOR是强制性的，因为它允许随机访问，NAND不允许

　　注：这种方案已不常用，因为需要NOR FLASH

　　Case2：CPU内具有引导代码

　　CPU在ROM中具有集成的引导代码。如：AT91 CPU上的BootROM，OMAP上的“ ROM代码”，等等。具体细节取决于CPU体系结构

　　此引导代码能够将第一级引导加载程序从存储设备加载到内部SRAM（因为DRAM尚未初始化）。 存储设备通常可以是：MMC，NAND，SPI闪存，UART（通过串行线传输数据）等等。

　　第一阶段的引导程序： 由于硬件限制，尺寸有限（SRAM比较贵）， 由CPU供应商或社区项目提供

　　此第一阶段引导程序必须初始化DRAM和其他硬件设备，并将第二阶段的引导程序加载到RAM

　　因为本文专注嵌入式领域，故接下来将描述几种常见的嵌入式处理器的引导过程。

　　1.2.1 ARM Microchip AT91的引导

　　

　　RomBoot：尝试从各种设备中找到有效的引导映像存储源，然后将其加载到SRAM中（DRAM还未初始化）。大小限制为4 KB，无法进行用户互动标准启动模式。

　　AT91Bootstrap：从SRAM运行。初始化DRAM，NAND或SPI控制器，并将辅助引导程序加载到RAM并启动它，此阶段没有用户互动的可能。

　　U-Boot：从RAM运行。初始化其他一些硬件设备（网络，USB等）。从存储或加载内核映像网络到RAM并启动它。此阶段Shell命令可以使用。

　　Linux内核：从RAM运行。完全接管系统（引导加载程序bootloader不再存在）。

　　1.2.2 ARM TI OMAP2+/AM33xx的引导

　　

　　ROM代码：尝试从各种方法中找到有效的引导映像存储源，并将其加载到SRAM或RAM中（RAM可以是由ROM代码通过配置标头初始化）。尺寸限制为《64 KB。没有用户互动的可能。

　　X-Loader或U-Boot SPL：从SRAM运行。初始化DRAM，NAND或MMC控制器，并加载辅助将引导程序加载到RAM中并启动它。没有用户互动的可能。文件名为MLO。

　　U-Boot：从RAM运行。初始化其他一些硬件设备（网络，USB等）。从存储或加载内核映像网络到RAM并启动它。具有提供的命令的Shell。该文件一般名为u-boot.bin或u-boot.img。

　　Linux内核：从RAM运行。完全接管系统（引导程序不再存在）。

　　1.2.3 MarvellSoCs 的引导

　　

　　ROM代码：尝试从各种方法中找到有效的引导影像

　　存储源，并将其加载到RAM中。RAM配置为在特定于CPU的标头中进行了描述，该标头已添加到引导加载程序中图片。

　　U-Boot：从RAM运行。初始化其他一些硬件设备（网络，USB等）。从存储或加载内核映像网络到RAM并启动它。具有提供的命令的Shell。文件名为u-boot.kwb。

　　Linux内核：从RAM运行。完全接管系统（引导程序不再存在）。

　　1.2.4 常见嵌入式处理器的bootloader

　　本文将重点介绍通用部分，即主要的引导加载程序重要功能。有几种开源的通用引导加载程序。以下是最受欢迎的：

　　U-Boot，Denx的通用引导程序

　　最常用于ARM，也可用于PPC，MIPS，x86，m68k，NIOS等。

　　如今已成为事实上的标准。我们将详细研究它。

　　http://www.denx.de/wiki/U-Boot

　　Barebox，与体系结构无关的引导程序，是U-Boot的后继产品。它尚不具备U-Boot的硬件支持。U-Boot改善了非常感谢这位竞争对手。

　　http://www.barebox.org

　　还有很多其他开源或专有的引导程序，通常特定于架构。如RedBoot，Yaboot，PMON等

　　2. U-Boot

　　2.1 介绍

　　U-Boot是一个典型的免费软件项目

　　许可证：GPLv2（与Linux相同）

　　可从http://www.denx.de/wiki/U-Boot免费获得

　　可从http://www.denx.de/wiki/U-Boot/Documentation获得文档

　　Git存储库中提供了最新的开发源代码：

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

　　围绕开放的邮件列表进行开发和讨论，http://lists.denx.de/pipermail/u-boot/自2008年底开始，它遵循固定间隔的发布时间表。两个几个月，发布了新版本。版本名为YYYY.MM。

　　2.2 配置文件

　　从网站获取源代码并解压缩。configs/目录为每个受支持的板包含一个配置文件，定义CPU类型，外围设备及其配置，存储器映射，应在其中编译的U-Boot功能等。

　　注意：U-Boot正在从头文件中定义的主板配置迁移（include/configs/）改为defconfig，就像在Linux内核（configs/）中一样

　　并非所有电路板都已转换为新的配置系统。硬件供应商提供的较旧的U-Boot版本可能尚未使用此新版本配置系统。

　　U-BOOT 配置文件CHIP_defconfig举例如下：

　　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 配置并编译

　　必须先配置U-Boot，然后再进行编译

　　1.制作BOARDNAME_defconfig

　　2.其中BOARDNAME是配置名称，如configs/目录。

　　3.然后，您可以运行make menuconfig进一步自定义U-Boot的配置！

　　确保交叉编译器在PATH中可用

　　通过指定交叉编译器首选项来编译U-Boot。例如，如果交叉编译器可执行文件是arm-linux-gcc：CROSS_COMPILE= arm-linux-

　　主要结果是一个u-boot.bin文件，它是U-Boot映像。取决于您的特定平台上，可能还有其他专用映像：u-boot.img

　　2.4 安装U-Boot

　　通常必须将U-Boot安装在闪存中才能由硬件执行。取决于硬件，U-Boot的安装以不同的方式完成：

　　CPU提供了某种特定的引导监视器，您可以使用特定的协议通过串行端口或USB与之进行通信

　　从固定媒体（NAND）引导之前，CPU首先在可移动媒体（MMC）上引导。在这种情况下，请从MMC引导以刷新新版本

　　U-Boot已经安装，可以用来发布新版本的U-Boot。但是请注意：如果新版本的U-Boot无法正常工作，则该主板将无法使用

　　该评估板提供了一个JTAG接口，该接口允许远程写入闪存，而无需在该评估板上运行任何系统。如果引导加载程序不起作用，它还可以挽救一块板。

　　2.5 U-boot启动提示信息

　　通过串行控制台将目标连接到主机。接通电路板电源。在串行控制台上，您将看到类似以下内容：

　　

　　U-Boot Shell提供了一组命令。本文将研究最重要的内容，请参阅文档以获取完整参考或help命令。

　　2.5.1 基本信息命令

　　

　　2.5.2 重要命令

　　具体的命令集取决于U-Boot配置

　　help命令，将列出该配置的所有命令，help command，将列出具体命令的使用帮助

　　ext2load，将文件从ext2文件系统加载到RAM，还有ext2ls列出文件，ext2info以获得信息

　　fatload，将文件从FAT文件系统加载到RAM，还有fatls和fatinfo

　　tftp，将文件从网络加载到RAM

　　ping，用于测试网络的物理连通性

　　boot，运行默认的启动命令，存储在bootcmd中

　　bootz 《address》，启动加载到RAM中给定地址的内核映像

　　loadb，加载，加载，将文件从串行线加载到RAM

　　usb，用于初始化和控制USB子系统，主要用于USB存储USB钥匙等设备

　　mmc，用于初始化和控制MMC子系统，用于SD和microSD卡

　　nand，以擦除，读取和写入NAND闪存中的内容

　　erase， protect， cp，用于擦除，修改保护以及写入NOR闪存

　　md，用于显示内存内容。对检查加载到内存中的内容或查看硬件寄存器很有用。

　　mm，用于修改存储内容。出于测试目的，直接修改硬件寄存器常常在调试阶段很有用。

　　2.5.3 环境变量

　　U-Boot可以通过环境变量进行配置

　　1.一些特定的环境变量会影响不同命令的行为

　　2.可以添加自定义环境变量，并在脚本中使用

　　在U-Boot启动时将环境变量从闪存加载到RAM，可以对其进行修改并保存回闪存以实现持久性

　　闪存（或MMC存储器）中有一个专用位置来存储U-Boot环境，该位置在电路板配置文件中定义

　　环境变量相关的命令：

　　printenv显示所有变量

　　printenv 《变量名》 显示变量的值

　　setenv 《变量名》 《变量值》 仅在RAM中更改变量的值

　　editenv 《变量名》 仅在RAM中编辑变量的值

　　saveenv将环境的当前状态保存在闪存中

　　举例：

　　

　　重要的U-Boot环境变量：

　　bootcmd，指定可配置延迟（bootdelay）后如果引导过程未中断，U-Boot将在引导时自动执行的命令

　　bootargs，包含传递给Linux内核的参数，稍后介绍

　　serverip，U-Boot将与网络相关命令联系的服务器的IP地址

　　ipaddr，U-Boot将使用的IP地址

　　netmask，用于与服务器联系的网络掩码

　　ethaddr 设置（MAC地址）通常只能设置一次

　　autostart，如果设置为yes，则U-Boot在将图像加载到内存后自动启动图像（tftp，fatload等）

　　filesize，最新复制到内存的大小（来自tftp，fatload，nand读取等）

　　为实现复杂的启动，环境变量可以包含小脚本，以执行多个命令并测试命令结果。

　　脚本对于自动启动或升级过程很有用

　　可使用链接多个命令，使用分号操作符;

　　条件表达式：if command ;then 。。。 ; else 。。。 ; fi

　　使用运行《variable-name》执行脚本

　　您可以使用${variable-name}引用其他变量

　　举例：

　　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 传送文件到目标板

　　U-Boot主要用于加载和引导内核映像，但是它也允许更改内核映像和存储在闪存中的根文件系统。必须在目标和开发工作站之间交换文件。

　　可能的方法：

　　如果目标设备具有以太网连接，并且U-Boot包含用于以太网芯片的驱动程序，则通过网络。这是最快，最有效的解决方案。

　　如果U-Boot在使用的平台支持USB控制器，则可以通过U盘

　　如果U-Boot在使用的平台支持MMC控制器，则可以通过SD卡或microSD卡

　　通过串口，但一般效率较低

　　通过TFTP：

　　将文件通过TFTP网络从开发工作站（Host）传输到目标机（Target）上的U-Boot。是一种普通文件传输协议，类似于FTP，但是没有身份验证并且采用UDP传输层协议

　　开发工作站上需要配置TFTP服务器，可参照下列步骤进行配置

　　1.sudo apt install tftpd-hpa

　　2. 所有位于开发工作站上/var/lib/tftpboot中的文件对于TFTP

　　3.tftp-hpa软件包中提供了TFTP客户端，可用于测试

　　TFTP服务器是否搭建成功 TFTP客户端已集成到U-Boot中，通过以下步骤进行配置测试

　　1.配置ipaddr以及serverip环境变量

　　2.使用tftp 《address》《filename》 加载文件进行传输。