嵌入式Linux引导以及U-Boot移植介绍

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02/29 03:05
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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-BootDenx的通用引导程序

最常用于ARM,也可用于PPCMIPSx86m68kNIOS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RedBootYabootPMON


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/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

Flash information (NOR and SPI fl ash)

NAND flash information

Version details

 

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fatlsfatinfo

  • 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

  •  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SDmicroSD

  • 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。


本文分享自微信公众号 - 嵌入式客栈(embInn)。
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