什么是 U-Boot

熟悉嵌入式开发的应该都听过它，U-boot 就是启动系统前的一段引导程序，虽然是引导程序，但是功能非常强大。

这一篇主要讲解如何从无到有运行 U-Boot，关于 U-Boot 引导 Linux 的部分放在另外一篇文章讲解。

U-Boot 之前的版本以版本号命名如：0.1.0, 0.2.0 这几年改为了以时间和日期命名：U-Boot 2016.03。

使用 git 获得 U-Boot 的源码：

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git clone git://git.denx.de/u-boot.git


目前我使用的是 2016.02 的版本。

MLO 及其启动过程

上一篇文章，我们了解了 BeagleBone 有个 SPL 过程，就在这个时候读取 MLO 文件，MLO 文件其实是个精简版的 U-Boot，也是由 U-Boot 生成，但是功能有限，只初始化了部分资源如 DDR，然后启动 U-Boot。

MLO 文件是如何编译出来的

分析 MLO 的编译过程之前需要知道编译原理和 Makefile 等相关知识。

我们先找找 Makefile 看看能不能找到什么。建议使用 Sublime 编辑器。用全局查找功能查找 MLO 关键字。

找到 ​​u-boot/scripts/Makefile.spl​​ 文件 ​​117行​​：

u-boot/scripts/Makefile.spl

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MLO MLO.byteswap: $(obj)/u-boot-spl.bin FORCE
  $(call if_changed,mkimage)


可以看到 MLO 文件是由 ​​u-boot-spl.bin​​ 文件通过 ​​mkimage​​ 命令生成的。

再查到 ​​u-boot/Makefile​​ 文件 ​​1310 行​​：

u-boot/Makefile

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spl/u-boot-spl.bin: spl/u-boot-spl
  @:
spl/u-boot-spl: tools prepare $(if $(CONFIG_OF_SEPARATE),dts/dt.dtb)
  $(Q)$(MAKE) obj=spl -f $(srctree)/scripts/Makefile.spl all


​​u-boot-spl.bin​​ 文件是还是由 ​​u-boot/scripts/Makefile.spl​​ 文件生成。

文件 ​​u-boot/scripts/Makefile.spl​​ ​​168 行​​ 定义了 ​​u-boot-spl.bin​​ 的生成：

u-boot/scripts/Makefile.spl

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ifeq ($(CONFIG_SPL_OF_CONTROL),y)
$(obj)/$(SPL_BIN)-dtb.bin: $(obj)/$(SPL_BIN)-nodtb.bin $(obj)/$(SPL_BIN)-pad.bin \
    $(obj)/$(SPL_BIN).dtb FORCE
  $(call if_changed,cat)

$(obj)/$(SPL_BIN).bin: $(obj)/$(SPL_BIN)-dtb.bin FORCE
  $(call if_changed,copy)
else
$(obj)/$(SPL_BIN).bin: $(obj)/$(SPL_BIN)-nodtb.bin FORCE
  $(call if_changed,copy)
endif


因为 ​​SPL_BIN​​ 在 ​​第32行​​ 定义为 ​​u-boot-spl​​:

u-boot/scripts/Makefile.spl

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ifeq ($(CONFIG_TPL_BUILD),y)
SPL_BIN := u-boot-tpl
else
SPL_BIN := u-boot-spl
endif


由 ​​168 行​​ 上面的定义可以知道 ​​u-boot-spl.bin​​ 和 ​​u-boot-spl-nodtb.bin​​ 有关系。

接着查找到第223行：

u-boot/scripts/Makefile.spl

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$(obj)/$(SPL_BIN)-nodtb.bin: $(obj)/$(SPL_BIN) FORCE
  $(call if_changed,objcopy)


 

​​u-boot-spl-nodtb.bin​​ 是通过 objcopy 命令由 ​​u-boot-spl​​ 生成。

再看第246行:

u-boot/scripts/Makefile.spl

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$(obj)/$(SPL_BIN): $(u-boot-spl-init) $(u-boot-spl-main) $(obj)/u-boot-spl.lds FORCE
  $(call if_changed,u-boot-spl)


所以​​u-boot-spl​​ 是由 ​​u-boot-spl.lds​​ 链接文件生成的 ，但是目录下面有几个​​u-boot-spl.lds​​文件，到底是哪个 lds 文件呢，上面是 ​​$(obj)/u-boot-spl.lds​​， ​​obj​​ 在 ​​1310 行​​ 编译 ​​u-boot-spl.bin​​ 的时候赋值为 ​​obj=spl​​，所以我们需要看 ​​u-boot/spl/u-boot-spl.lds​​ 这个文件，但是如果你之前没有编译过这个文件是没有的。这个文件是如何生成的呢？我们稍后再看，先看 lds 文件的内容：

u-boot/spl/u-boot-spl.lds

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MEMORY { .sram : ORIGIN = 0x402F0400, LENGTH = (0x4030B800 - 0x402F0400) }
MEMORY { .sdram : ORIGIN = 0x80a00000, LENGTH = 0x80000 }
OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
 .text :
 {
  __start = .;
  *(.vectors)
  arch/arm/cpu/armv7/start.o (.text)
  *(.text*)
 } >.sram
 . = ALIGN(4);
 .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(.rodata*)) } >.sram
 . = ALIGN(4);
 .data : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(.data*)) } >.sram
 .u_boot_list : {
  KEEP(*(SORT(.u_boot_list*)));
 } >.sram
 . = ALIGN(4);
 __image_copy_end = .;
 .end :
 {
  *(.__end)
 } >.sram
 .bss :
 {
  . = ALIGN(4);
  __bss_start = .;
  *(.bss*)
  . = ALIGN(4);
  __bss_end = .;
 } >.sdram
}


链接文件里面说明了内存布局，​​arch/arm/cpu/armv7/start.o​​ 代码段都放在 SRAM 中，所以 ​​arch/arm/cpu/armv7/start.S​​ 就是我们要找的东西了。

lds 链接文件的生成

​​u-boot/spl/u-boot-spl.lds​​ 这个文件的生成在 ​​u-boot/scripts/Makefile.spl​​ 有解释:

u-boot/scripts/Makefile.spl

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$(obj)/u-boot-spl.lds: $(LDSCRIPT) FORCE
  $(call if_changed_dep,cpp_lds)


​​LDSCRIPT​​ 的定义：

u-boot/scripts/Makefile.spl

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# Linker Script
ifdef CONFIG_SPL_LDSCRIPT
# need to strip off double quotes
LDSCRIPT := $(addprefix $(srctree)/,$(CONFIG_SPL_LDSCRIPT:"%"=%))
endif

ifeq ($(wildcard $(LDSCRIPT)),)
  LDSCRIPT := $(srctree)/board/$(BOARDDIR)/u-boot-spl.lds
endif
ifeq ($(wildcard $(LDSCRIPT)),)
  LDSCRIPT := $(srctree)/$(CPUDIR)/u-boot-spl.lds
endif
ifeq ($(wildcard $(LDSCRIPT)),)
  LDSCRIPT := $(srctree)/arch/$(ARCH)/cpu/u-boot-spl.lds
endif
ifeq ($(wildcard $(LDSCRIPT)),)
$(error could not find linker script)
endif


 

可见 ​​Makefile.spl​​ 文件中先是判断有没有指定的 lds 文件，如果没有指定的，就查找 board 文件夹中目标板目录下面有没有 lds 文件，如果没有就查找相应的 cpu 目录，因为我们目标器件是 am335x，所以发现有 ​​u-boot/arch/arm/cpu/armv7/am33xx/u-boot-spl.lds​​ 再通过 ​​cpp_lds​​ 命令编译成，​​cpp_lds​​ 是一组命令的集合，具体定义还是在 ​​Makefile.spl​​ 文件中，我们查看 ​​u-boot/arch/arm/cpu/armv7/am33xx/u-boot-spl.lds​​ 也发现 MLO 文件代码是在 ​​start.S​​ 文件中。

MLO 程序分析

查看 ​​start.S​​ 分析下 MLO 程序具体的执行流程，MLO 的 makefile 会根据 ​​CONFIG_SPL_BUILD​​ 编译不同的源文件，同样的在源码内也通过 ​​CONFIG_SPL_BUILD​​ 控制不同的代码执行，前面一部分 MLO 文件和 U-Boot 是类似的，进入到 ​​_main​​ 函数中两个程序的功能就开始出现差异了：

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reset //(arch/arm/cpu/armv7/start.S)
save_boot_params_ret //(arch/arm/cpu/armv7/start.S)
  |- disable interrupts 
  |- cpu_init_cp15 //(arch/arm/cpu/armv7/start.S)
  |   |- Invalidate L1 I/D
  |   |- disable MMU stuff and caches
  |- cpu_init_crit //(arch/arm/cpu/armv7/start.S)
  |   |- lowlevel_init //(arch/arm/cpu/armv7/lowlevel_init.S)
  |       |- Setup a temporary stack
  |       |- Set up global data 
  |       |- s_init //(arch/arm/cpu/armv7/am33xx/board.c)
  |           |- watchdog_disable
  |           |- set_uart_mux_conf
  |           |- setup_clocks_for_console
  |           |- uart_soft_reset
  |- _main //(arch/arm/lib/crt0.S)

      |(MLO)如果是 MLO 文件
      |- board_init_f //(arch/arm/cpu/armv7/am33xx/board.c)
      |   |- board_early_init_f //(arch/arm/cpu/armv7/am33xx/board.c)
      |   |   |- prcm_init
      |   |   |- set_mux_conf_regs
      |   |- sdram_init //(board/ti/am335x/board.c) 初始化 DDR
      |- spl_relocate_stack_gd
      |- board_init_r //(common/spl/spl.c)
          |- ...
          |- spl_load_image //根据不同的启动方式加载 u-boot 镜像，
          |- jump_to_image_no_args //进入u-boot代码运行


      |(U-Boot)如果是U-Boot 镜像
      |- board_init_f //(common/board_f.c)
      |   |- ...
      |   |- initcall_run_list(init_sequence_f)   
      |   |- ...   
      |   
      |- relocate_code //(arch/arm/lib/relocate.S) 代码重定位
      |- relocate_vectors //(arch/arm/lib/relocate.S) 向量表重定义
      |- Set up final (full) environment 
      |- board_init_r //(common/board_r.c)
          |- initcall_run_list(init_sequence_r)//初始化各种外设
              |- main_loop()


当 U-Boot 重定位好代码、向量表之后，运行 ​​board_init_r​​ 函数，此函数会调用 ​​init_sequence_r​​ 列表里面的函数初始化各种外设驱动，最后在 ​​main_loop()​​ 函数中运行，U-Boot 有个 ​​bootdelay​​ 延时启动，如果不手动停止 U-Boot 会自动运行 ​​bootcmd​​ 包含的命令。

内核引导这部分放在另外一篇文章详细讲解。

U-Boot 编译

编译 U-Boot

编译 U－Boot 前我们需要安装交叉编译器：

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# sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabihf


下载 U-Boot 源码：

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# git clone git://git.denx.de/u-boot.git


因为 U-Boot 官方已经支持了 Beaglebone Black 所以配置文件也已经自带了，编译输入如下命令：

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# make distclean
# make am335x_boneblack_defconfig
# ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- make


片刻后会生成 ​​MLO​​ 和 ​​u-boot.img​​ 文件。

配置 U-Boot 参数

有两种方式可以配置 U-Boot 的一些参数，分别是 ​​uEnv.txt​​ 和 ​​boot.src​​ 文件。

U-Boot 启动的时候会在启动分区寻找这两个文件。

boot.scr: This file is a U-Boot script. It contains instructions for U-Boot. Using these instruction, the kernel is loaded into memory, and (optionally) a ramdisk is loaded. boot.scr can also pass parameters to the kernel. This file is a compiled script, and cannot be edited directly. In some cases, boot.scr loads further instructions and configuration parameters from a text file.

uEnv.txt: A file with additional boot parameters. This file can be read by boot.scr, or by the boot sequence if there is no script file. uEnv.txt is a regular text file that can be edited. This file should have Unix line ending, so a compatible program must be used when editing this file.

U-Boot 启动的时候如果不打断会调用 ​​bootcmd​​ 包含的命令来执行，通常 ​​bootcmd​​ 会调用 bootscript 脚本也就是 ​​boot.scr​​ 里面的命令进行执行， ​​boot.scr​​ 通常也会先读取 ​​uEnv.txt​​ 确定额外参数，因为 ​​boot.src​​文件必须通过 ​​boot.cmd​​ 文件编译而来， ​​uEnv.txt​​ 则是可以任意编辑，这样可配置性就大大提高了。如果没有 ​​boot.src​​ 文件，U-Boot 有默认配置的 ​​bootcmd​​ 命令。

在 Beagelbone Black 中我们不需要额外的 ​​boot.scr​​ 文件，用默认的命令即可，默认的命令为：

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#define CONFIG_BOOTCOMMAND \
  "run findfdt; " \
  "run distro_bootcmd"


​​run distro_bootcmd​​ 最终会调用 ​​run mmcboot​​ 命令加载 ​​uEnv.txt​​ 文件，并且会运行 ​​uEnv.txt​​ 文件里面 ​​uenvcmd​​ 指代的命令。

​​uEnv.txt​​ 从网络启动例子：

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console=ttyO0,115200n8
ipaddr=192.168.23.2
serverip=192.168.23.1
rootpath=/exports/rootfs
netargs=setenv bootargs console=${console} ${optargs} root=/dev/nfs nfsroot=${serverip}:${rootpath},${nfsopts} rw ip=${ipaddr}:${serverip}:192.168.23.1:255.255.255.0:beaglebone:eth0:none:192.168.23.1
netboot=echo Booting from network ...; tftp ${loadaddr} ${bootfile}; tftp ${fdtaddr} ${fdtfile}; run netargs; bootz ${loadaddr} - ${fdtaddr}
uenvcmd=run netboot


制作 U-Boot 的 SD 启动卡

制作 SD 启动卡之前首先需要为 SD 卡分区， ROM Code 启动的时候如果是从 MMC 设备加载启动代码，ROM Code 会从第一个活动分区寻找名为 “MLO” 的文件，并且此分区必须为 FAT文件系统。所以制作 U-Boot 的启动卡只需要一个带有 MLO 和 U-Boot 镜像的 FAT 格式的 SD 卡，如果需要启动 Linux 内核还需要别的分区，我们以后再讲。

有两种方式可以制作包含 U-Boot 的可启动的 SD 卡，一种是用 RAW Mode 的方式，还有一种是用 FTA 的方式。

FTA 模式下只要建立一个 FTA 分区再把 MLO 和 uboot.img 文件拷贝进去即可。

我是使用的 USB 读卡器，插入后 Linux ​​/dev/​​ 目录会显示 ​​/dev/sd*​​ 设备，我这里多出两个设备分别显示 ​​/dev/sdb​​ 和 ​​/dev/sdb1​​ ，其中 ​​/dev/sdb​​ 表示一整个物理磁盘， ​​/dev/sdb1​​ 表示的是具体的分区。

使用命令 ​​sudo fdisk /dev/sdb​​ 管理磁盘:

​​a​​ : toggle a bootable flag（设置或取消启动表示）

​​b​​ : edit bsd disklabel（编辑 bsd disklabel)

​​c​​ : toggle the dos compatibility flag

​​d​​ : delete a partition （删除一个分区）

​​l​​ : list known partition types （列出已知的分区类型）

​​m​​ : print this menu （打印次列表）

​​n​​ : add a new partition （增加一个新分区）

​​o​​ : create a new empty DOS partition table （建立一个新的空 DOS 分区表）

​​p​​ : print the partition table （打印分区表）

​​q​​ : quit without saving changes （不保存退出）

​​s​​ : create a new empty Sun disklabel

​​t​​ : change a partition’s system id

​​u​​ : change display/entry units

​​v​​ : verify the partition table （验证分区表）

​​w​​ : write table to disk and exit （把分区表写入磁盘）

​​x​​ : extra functionality (experts only) （额外的功能）

新建启动分区：

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Command (m for help): p

Disk /dev/sdb: 7746 MB, 7746879488 bytes
24 heads, 20 sectors/track, 31522 cylinders, total 15130624 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk identifier: 0x00000000

   Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
/dev/sdb1   *        2048    15130623     7564288    c  W95 FAT32 (LBA)

Command (m for help): m
Command action
   a   toggle a bootable flag
   b   edit bsd disklabel
   c   toggle the dos compatibility flag
   d   delete a partition
   l   list known partition types
   m   print this menu
   n   add a new partition
   o   create a new empty DOS partition table
   p   print the partition table
   q   quit without saving changes
   s   create a new empty Sun disklabel
   t   change a partition's system id
   u   change display/entry units
   v   verify the partition table
   w   write table to disk and exit
   x   extra functionality (experts only)

Command (m for help): d
Selected partition 1

Command (m for help): p

Disk /dev/sdb: 7746 MB, 7746879488 bytes
24 heads, 20 sectors/track, 31522 cylinders, total 15130624 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk identifier: 0x00000000

   Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System

Command (m for help): n
Partition type:
   p   primary (0 primary, 0 extended, 4 free)
   e   extended
Select (default p): p
Partition number (1-4, default 1): 
Using default value 1
First sector (2048-15130623, default 2048): 
Using default value 2048
Last sector, +sectors or +size{K,M,G} (2048-15130623, default 15130623): 
Using default value 15130623

Command (m for help): p

Disk /dev/sdb: 7746 MB, 7746879488 bytes
24 heads, 20 sectors/track, 31522 cylinders, total 15130624 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk identifier: 0x00000000

   Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
/dev/sdb1            2048    15130623     7564288   83  Linux

Command (m for help): t
Selected partition 1
Hex code (type L to list codes): c
Changed system type of partition 1 to c (W95 FAT32 (LBA))

Command (m for help): a
Partition number (1-4): 1

Command (m for help): p

Disk /dev/sdb: 7746 MB, 7746879488 bytes
24 heads, 20 sectors/track, 31522 cylinders, total 15130624 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk identifier: 0x00000000

   Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
/dev/sdb1   *        2048    15130623     7564288    c  W95 FAT32 (LBA)

Command (m for help): w
The partition table has been altered!

Calling ioctl() to re-read partition table.

WARNING: If you have created or modified any DOS 6.x
partitions, please see the fdisk manual page for additional
information.
Syncing disks.


 

建立好新的分区之后需要命名并格式化：

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# sudo mkfs.vfat -F 32 -n boot /dev/sdb1


格式化之后挂载磁盘并把 ​​MLO​​ 文件和 ​​u-boot.img​​ 文件拷贝进去：

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# sudo mount /dev/sdb1 /media/jg/boot 
# sudo cp MLO /media/jg/boot/MLO
# ls /media/jg/boot             
MLO
# sudo cp u-boot.img /media/jg/boot/u-boot.img
# ls /media/jg/boot 
MLO  u-boot.img
# sync 
# sudo umount /media/jg/boot


接着把 SD 卡插入 Beaglebone Black 并且按着 S2 按钮上电，从串口打印出的信息我们可以看到 U-Boot 已经可以正常启动了：

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U-Boot SPL 2016.03-rc2-00084-g595af9d (Feb 29 2016 - 22:21:20)
Trying to boot from MMC
Card doesn't support part_switch
MMC partition switch failed
*** Warning - MMC partition switch failed, using default environment

reading u-boot.img
reading u-boot.img

U-Boot 2016.03-rc2-00084-g595af9d (Feb 29 2016 - 22:21:20 +0800)

       Watchdog enabled
I2C:   ready
DRAM:  512 MiB
MMC:   OMAP SD/MMC: 0, OMAP SD/MMC: 1
*** Warning - bad CRC, using default environment

Net:   <ethaddr> not set. Validating first E-fuse MAC
cpsw, usb_ether
Press SPACE to abort autoboot in 2 seconds
switch to partitions #0, OK
mmc0 is current device
Scanning mmc 0:1...
switch to partitions #0, OK
mmc0 is current device
SD/MMC found on device 0
reading boot.scr
** Unable to read file boot.scr **
reading uEnv.txt
** Unable to read file uEnv.txt **
** File not found /boot/zImage **
switch to partitions #0, OK
mmc1(part 0) is current device
Scanning mmc 1:1...
switch to partitions #0, OK
mmc1(part 0) is current device
SD/MMC found on device 1
reading boot.scr
** Unable to read file boot.scr **
reading uEnv.txt
** Unable to read file uEnv.txt **
** File not found /boot/zImage **
## Error: "bootcmd_nand0" not defined
cpsw Waiting for PHY auto negotiation to complete......... TIMEOUT !
BOOTP broadcast 1
BOOTP broadcast 2
BOOTP broadcast 3
BOOTP broadcast 4


启动之后，前面一段打印信息是 MLO 程序打印出来的，读取 U-Boot 之后开始运行完整的 U-Boot，之后程序扫描各个设备读取 ​​boot.scr​​ 和 ​​uEnv.txt​​ 文件，接着再读取是否有 Linux 内核可以运行。