從概念到實(shí)際操作對嵌入式Linux的總體認(rèn)識

本文簡明扼要的介紹了嵌入式 Linux 的引導(dǎo)過程，X86 體系的引導(dǎo)過程以及幾種常見嵌入式處理器的引導(dǎo)過程，U-Boot 的移植的基本步驟、常用命令如何使用。通過本文可以對嵌入式 Linux 的引導(dǎo)從概念到實(shí)際操作有一個總體清晰的認(rèn)識

1. 啟動順序
1.1 Bootloader

Bootloader（引導(dǎo)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)或其他類型的非易失性存儲中加載應(yīng)用程序二進(jìn)制文件（通常是操作系統(tǒng)內(nèi)核）。

可能會對應(yīng)用程序二進(jìn)制文件進(jìn)行解壓縮

執(zhí)行申請

除此基本功能之外，大多數(shù) Bootloader（引導(dǎo)加載程序）實(shí)現(xiàn)了 Shell 命令集以執(zhí)行不同操作。

從存儲或網(wǎng)絡(luò)中加載數(shù)據(jù)，內(nèi)存檢查，硬件診斷和測試等

1.2 基于 BIOS-X86 的引導(dǎo)

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(fù)責(zé)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(dǎo)程序 bootloader，它將加載完整的引導(dǎo)程序 bootloader 本身。

bootloader 可以解析文件系統(tǒng)，因此內(nèi)核映象可以直接從普通文件系統(tǒng)中加載。

此順序與現(xiàn)代基于 EFI 的系統(tǒng)不同。

用于 X86 體系 Linux 的 bootloader 常用的有以下兩種：

GNU GRUB（GRand UnifiedBootloader 簡稱“GRUB”）是一個來自 GNU 項(xiàng)目的多操作系統(tǒng)啟動程序。GRUB 是多啟動規(guī)范的實(shí)現(xiàn)，它允許用戶可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)同時擁有多個操作系統(tǒng)，并在計(jì)算機(jī)啟動時選擇希望運(yùn)行的操作系統(tǒng)。GRUB 可用于選擇操作系統(tǒng)分區(qū)上的不同內(nèi)核，也可用于向這些內(nèi)核傳遞啟動參數(shù)。

在 X86 架構(gòu)的機(jī)器中，Linux、BSD 或其它 Unix 類的操作系統(tǒng)中 GRUB、LILO 是大家最為常用，應(yīng)該說是主流。

詳細(xì)信息請參考：http://www.gnu.org/software/grub/

syslinux 是一個功能強(qiáng)大的引導(dǎo)加載程序，而且兼容各種介質(zhì)。它的目的是簡化首次安裝 Linux 的時間，并建立修護(hù)或其它特殊用途的啟動盤。它的安裝很簡單，一旦安裝 syslinux 好之后，sysLinux 啟動盤就可以引導(dǎo)各種基于 DOS 的工具，以及 MS-DOS/Windows 或者任何其它操作系統(tǒng)。不僅支持采用 BIOS 結(jié)構(gòu)的主板，而且從 6.0 版也開始支持采用 EFI 結(jié)構(gòu)的新型主板。

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

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

1.3 嵌入式 CPU 的引導(dǎo)

Case 1：CPU 內(nèi)部無引導(dǎo)代碼

CPU 上電后，CPU 開始在固定地址入口執(zhí)行代碼

CPU 沒有提供其他引導(dǎo)機(jī)制

硬件設(shè)計(jì)必須確保已連接存儲芯片（如 NOR 閃存芯片）這樣就可以在 CPU 啟動的地址訪問它并執(zhí)行指令

第一級引導(dǎo)程序必須在此地址編程在該存儲芯片中（如 NOR）

NOR 是強(qiáng)制性的，因?yàn)樗试S隨機(jī)訪問，NAND 不允許

注：這種方案已不常用，因?yàn)樾枰?NOR FLASH

Case2：CPU 內(nèi)具有引導(dǎo)代碼

CPU 在 ROM 中具有集成的引導(dǎo)代碼。如：AT91 CPU 上的 BootROM，OMAP 上的“ ROM 代碼”，等等。具體細(xì)節(jié)取決于 CPU 體系結(jié)構(gòu)

此引導(dǎo)代碼能夠?qū)⒌谝患壱龑?dǎo)加載程序從存儲設(shè)備加載到內(nèi)部 SRAM（因?yàn)?DRAM 尚未初始化）。 存儲設(shè)備通?？梢允牵篗MC，NAND，SPI 閃存，UART（通過串行線傳輸數(shù)據(jù)）等等。

第一階段的引導(dǎo)程序： 由于硬件限制，尺寸有限（SRAM 比較貴）， 由 CPU 供應(yīng)商或社區(qū)項(xiàng)目提供

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

因?yàn)楸疚膶Ｗ⑶度胧筋I(lǐng)域，故接下來將描述幾種常見的嵌入式處理器的引導(dǎo)過程。

1.2.1 ARM Microchip AT91 的引導(dǎo)

RomBoot：嘗試從各種設(shè)備中找到有效的引導(dǎo)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，無法進(jìn)行用戶互動標(biāo)準(zhǔn)啟動模式。

AT91Bootstrap：從 SRAM 運(yùn)行。初始化 DRAM，NAND 或 SPI 控制器，并將輔助引導(dǎo)程序加載到 RAM 并啟動它，此階段沒有用戶互動的可能。

U-Boot：從 RAM 運(yùn)行。初始化其他一些硬件設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)，USB 等）。從存儲或加載內(nèi)核映像網(wǎng)絡(luò)到 RAM 并啟動它。此階段 Shell 命令可以使用。

Linux 內(nèi)核：從 RAM 運(yùn)行。完全接管系統(tǒng)（引導(dǎo)加載程序 bootloader 不再存在）。

1.2.2 ARM TI OMAP2+/AM33xx 的引導(dǎo)

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

X-Loader 或 U-Boot SPL：從 SRAM 運(yùn)行。初始化 DRAM，NAND 或 MMC 控制器，并加載輔助將引導(dǎo)程序加載到 RAM 中并啟動它。沒有用戶互動的可能。文件名為 MLO。

U-Boot：從 RAM 運(yùn)行。初始化其他一些硬件設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)，USB 等）。從存儲或加載內(nèi)核映像網(wǎng)絡(luò)到 RAM 并啟動它。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(nèi)核：從 RAM 運(yùn)行。完全接管系統(tǒng)（引導(dǎo)程序不再存在）。

1.2.3 MarvellSoCs 的引導(dǎo)

ROM 代碼：嘗試從各種方法中找到有效的引導(dǎo)影像

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

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

Linux 內(nèi)核：從 RAM 運(yùn)行。完全接管系統(tǒng)（引導(dǎo)程序不再存在）。

1.2.4 常見嵌入式處理器的 bootloader

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

U-Boot，Denx 的通用引導(dǎo)程序

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

如今已成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。我們將詳細(xì)研究它。

http://www.denx.de/wiki/U-Boot

Barebox，與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的引導(dǎo)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

還有很多其他開源或?qū)Ｓ械囊龑?dǎo)程序，通常特定于架構(gòu)。如 RedBoot，Yaboot，PMON 等

2. U-Boot

2.1 介紹

U-Boot 是一個典型的免費(fèi)軟件項(xiàng)目

許可證：GPLv2（與 Linux 相同）

可從 http://www.denx.de/wiki/U-Boot 免費(fèi)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發(fā)源代碼：

http://git.denx.de/？p=u-boot.git;a=摘要

圍繞開放的郵件列表進(jìn)行開發(fā)和討論，http://lists.denx.de/pipermail/u-boot/ 自 2008 年底開始，它遵循固定間隔的發(fā)布時間表。兩個幾個月，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/ 目錄為每個受支持的板包含一個配置文件，定義 CPU 類型，外圍設(shè)備及其配置，存儲器映射，應(yīng)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(nèi)核（configs/）中一樣

并非所有電路板都已轉(zhuǎn)換為新的配置系統(tǒng)。硬件供應(yīng)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(tǒng)。

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，如 configs/ 目錄。

3. 然后，您可以運(yùn)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

通過指定交叉編譯器首選項(xiàng)來編譯 U-Boot。例如，如果交叉編譯器可執(zhí)行文件是 arm-linux-gcc：CROSS_COMPILE= arm-linux-

主要結(jié)果是一個 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(zhí)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(dǎo)監(jiān)視器，您可以使用特定的協(xié)議通過串行端口或 USB 與之進(jìn)行通信

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

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

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

2.5 U-boot 啟動提示信息

通過串行控制臺將目標(biāo)連接到主機(jī)。接通電路板電源。在串行控制臺上，您將看到類似以下內(nèi)容：

U-Boot Shell 提供了一組命令。本文將研究最重要的內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)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(yùn)行默認(rèn)的啟動命令，存儲在 bootcmd 中

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

loadb，加載，加載，將文件從串行線加載到 RAM

usb，用于初始化和控制 USB 子系統(tǒng)，主要用于 USB 存儲 USB 鑰匙等設(shè)備

mmc，用于初始化和控制 MMC 子系統(tǒng)，用于 SD 和 microSD 卡

nand，以擦除，讀取和寫入 NAND 閃存中的內(nèi)容

erase， protect， cp，用于擦除，修改保護(hù)以及寫入 NOR 閃存

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

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

2.5.3 環(huán)境變量

U-Boot 可以通過環(huán)境變量進(jìn)行配置

1. 一些特定的環(huán)境變量會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 啟動時將環(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(xiàn)持久性

閃存（或 MMC 存儲器）中有一個專用位置來存儲 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(dāng)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(dǎo)過程未中斷，U-Boot 將在引導(dǎo)時自動執(zhí)行的命令

bootargs，包含傳遞給 Linux 內(nèi)核的參數(shù)，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(shè)置（MAC 地址）通常只能設(shè)置一次

autostart，如果設(shè)置為 yes，則 U-Boot 在將圖像加載到內(nèi)存后自動啟動圖像（tftp，fatload 等）

filesize，最新復(fù)制到內(nèi)存的大?。▉碜?tftp，fatload，nand 讀取等）

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的啟動，環(huán)境變量可以包含小腳本，以執(zhí)行多個命令并測試命令結(jié)果。

腳本對于自動啟動或升級過程很有用

可使用鏈接多個命令，使用分號操作符;

條件表達(dá)式：if command ;then 。。。 ; else 。。。 ; fi

使用運(yùn)行《variable-name》執(zhí)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(biāo)板

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

可能的方法：

如果目標(biāo)設(shè)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(qū)動程序，則通過網(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 U 盤

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

通過串口，但一般效率較低

通過 TFTP：

將文件通過 TFTP 網(wǎng)絡(luò)從開發(fā)工作站（Host）傳輸?shù)侥繕?biāo)機(jī)（Target）上的 U-Boot。是一種普通文件傳輸協(xié)議，類似于 FTP，但是沒有身份驗(yàn)證并且采用 UDP 傳輸層協(xié)議

開發(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 客戶端，可用于測試

TFTP 服務(wù)器是否搭建成功 TFTP 客戶端已集成到 U-Boot 中，通過以下步驟進(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。

審核編輯 黃昊宇