从概念到实际操作对嵌入式Linux的总体认识

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。

审核编辑 黄昊宇