嵌入式學習——2.1 uboot基礎

uboot基礎

1.為什麼要有uboot?

• 預備知識
  • 計算機系統運作時的主要核心部件包含3個東西：CPU+外部存儲器+内部存儲器
  • PC機啟動過程為：PC上電後先執行BIOS程式（實際上PC 的BIOS就是NorFlash）,BIOS負責初始化DDR記憶體和硬碟，然後從硬碟上将OS鏡像讀取到DDR中，然後跳轉到DDR中去執行OS直到啟動（OS啟動後BIOS就無用了）
• uboot主要作用是用來啟動作業系統核心，部署整個計算機系統，有操作Flash等闆子上硬體的驅動，提供一個指令行界面供人操作
• uboot程式部署在能作為啟動裝置的Flash做上，OS部署在Flash上，記憶體在掉電時無作用，CPU在掉電時不工作
• 嵌入式系統上電後先執行uboot、然後uboot負責初始化DDR，初始化Flash，然後将OS從Flash中讀取到DDR中，然後啟動OS（OS啟動後uboot就無用了）

2. uboot必須解決的問題

• 自身可開機直接啟動
  • 必須根據具體的SoC的啟動方式來設計uboot
  • uboot必須進行和硬體相對應的代碼級别的更改和移植，才能保證響應啟動媒體的啟動，uboot中第一階段的start.S檔案中處理了這一塊
• 能夠引導作業系統核心啟動并給核心傳參
  • 我們可以在uboot中事先給Linux核心準備一些啟動參數放在記憶體中特定位置然後傳給核心，核心啟動後會到這個特定位置去取uboot傳給他的參數，然後核心解析這些參數
• 能提供系統部署功能
  • uboot必須能夠被人借助而完成整個系統在Flash上的燒錄下載下傳工作（裸機在刷機時就是利用uboot中的fastboot功能将各種鏡像燒錄到iNand中，然後從iNand啟動）
• 能進行SoC級和闆級硬體管理
  • uboot中實作了一部分硬體的控制能力，因為uboot為了完成一些任務必須讓一些硬體工作。譬如uboot要在刷機時LCD上顯示進度條就必須驅動LCD。
  • SoC級就是SoC内部外設，闆級就是SoC外面開發闆上面的硬體
• uboot存在生命周期
  • uboot本質上是一個裸機程式，一旦uboot開始SoC就會單純運作uboot，一旦uboot結束運作就無法再回到uboot
  • uboot入口為開機自動啟動；出口為啟動核心

3. uboot的工作方式

• 從裸機程式鏡像uboot.bin說起
  • uboot的本質就是一個裸機程式，和裸機教程中的裸機程式xx.bin沒有本質差別，差別主要在于檔案大小，uboot在180k-400k之間
  • uboot本身為一個開源項目，由若幹個.c檔案和.h檔案組成，配置編譯之後會生成一個uboot.bin，這就是uboot這個裸機的鏡像檔案。然後鏡像檔案被合理的燒錄到啟動媒體中拿去給SoC啟動，即uboot在沒有運作時表現為uboot.bin
  • uboot運作時會被加載到記憶體中，然後逐次拿給CPU去運作
• uboot的指令式shell界面
  • 有些程式需要人機互動，于是程式中就實作了一個shell
  • shell并不是作業系統，和作業系統一點關系都沒有，裸機也可以有shell
• uboot使用的關鍵點：指令和環境變量
  • uboot啟動後大部分時間和工作都是在shell下完成的。uboot部署系統要在shell下輸入指令、要設定環境變量也需要在指令行下，要啟動核心也要在指令行下輸入指令
  • uboot中有幾十個指令，其中一些常用，還可以自己給uboot添加指令
  • uboot的環境變量和作業系統的環境變量工作原理和方式幾乎完全相同，uboot的驅動管理完全照抄了linux的驅動架構。系統或者程式在運作時可以通過讀取環境變量來指導程式的運作。環境變量就是運作時的配置屬性。

4. uboot常用指令

• 指令特點
  • 有些指令有簡化的别名
    • printenv -> print
    • setenv -> set
  • 有些指令會帶參數
    • 每個指令都有事先規定好的格式，可以通過

      help

      指令檢視
  • 指令中的特殊符号（譬如單引号）
    • uboot有些指令帶的參數非常長，為了告訴uboot這個非常長且中間有好多空格的語句為一整個參數，使用單引号将這個語句引起來
  • 有些指令是一個指令族（譬如movi)
    • 指令族的意思就是好多個指令開頭都是用同一個指令關鍵字的，但是後面的參數不一樣，這些指令的功能和作用也不同
    • 同一個指令族中所有的指令都有極大的關聯，譬如movi開頭的指令族都和moviNand（EMMC、iNand)操作有關。
• 常見指令
  • 列印環境變量：printenv/print
    • 指令不用帶參數，列印出系統中所有的環境變量。環境變量被存儲在Flash的一塊專門區域，一旦程式中儲存了該環境變量，下次開機時該環境變量的值将維持上一次更改儲存後的值
  • 設定（添加/更改）環境變量：setenv/set
    • set name value
  • 儲存環境變量的更改：saveenv/save
    • 不帶參數，直接執行。是對整體環境變量的儲存
  • 網絡測試指令：ping
    • 步驟
      • 用網線将電腦和開發闆連接配接
      • 設定電腦本地連接配接IPV4位址為192.168.1.10
      • 确認開發闆中uboot裡幾個與網絡相關的環境變量的值對不對。最重要的是ipaddr的位址必須與主機的IP位址在同一個網段内。(set ipaddr 192.168.1.xx)
  • tftp下載下傳指令：tftp
    • uboot主要目标是啟動核心，為了完成啟動核心必須要能夠部署核心，而核心鏡像需要從主機中下載下傳燒錄到開發闆的Flash中，下載下傳鏡像的主流方式為fastboot和tftp。fastboot的方式是通過usb線進行資料傳輸；tftp是通過網絡傳輸的
    • tftp方式下載下傳時uboot扮演的是tftp用戶端程式角色，主機中必須有一個tftp伺服器，然後将要下載下傳的鏡像檔案放在伺服器的下載下傳目錄中，然後在開發闆中使用uboot的tftp指令去下載下傳
    • 虛拟機和開發闆ping通的步驟
      • 虛拟機處選擇橋接方式
      • 在虛拟網絡編輯器中設定為橋接到有線網卡
      • 在虛拟機中設定IP靜态位址為192.168.1.102（修改/etc/network/interfaces檔案中的内容）
      • 重新開機網絡

        • sudo ifconfig eth0 down
                     

        • sudo ifconfig eth0 up
                     

      • 在虛拟機上搭建tftp的下載下傳目錄

        /tftpboot

        ，将要被下載下傳的鏡像複制到這個目錄下
      • 檢查開發闆uboot的環境變量，注意serverip必須設定與虛拟機Ubuntu的ip靜态位址相同
    • 在開發闆uboot中使用tftp指令下載下傳虛拟機中的鏡像

      • tftp 0x30000000 zImage-qt
                   

      • 意思為将伺服器上名為zImage-qt的檔案下載下傳到開發闆記憶體的0x30000000位址處
    • 鏡像下載下傳到開發闆DDR中後，uboot就可以用movi指令進行鏡像的燒寫了
  • SD卡/iNand操作指令：movi
    • 開發闆如果用SD卡/EMMC/iNand等作為Flash，則在uboot中操作Flash用指令movi
    • movi指令是一個指令集，在uboot中可通過

      help movi

      檢視
    • movi 的指令都是movi read和movi write一組的，movi read用來讀取iNand到DDR上，movi write用來将DDR中的内容寫入iNand中。
    • 上述指令為通用型描述方法：movi和read外面沒有任何标記說明每一次使用這個指令都是必選的；一對大括号{ }括起來的部分必選1個，大括号中的|表示多選一，中括号[]表示可選參數（可以有，也可以沒有）

      movi read u-boot 0x30000000
                 

      上面的語句為：把iNand中的u-boot分區讀出到DDR的0x30000000起始的位置處
  • NandFlash操作指令:nand
    • 操作方法完全類似于movi指令
  • 記憶體操作指令：mm、mw、md
    • DDR中是沒有分區的，但是記憶體使用時千萬不能越界，因為uboot是一個裸機程式，不像作業系統會由系統整體管理所有記憶體，則可能會出現程式的覆寫
    • md：memory display，顯示記憶體中的内容
    • mw：memory write，将内容寫到記憶體中
    • mm：memory modify，修改記憶體中的一塊，會批量逐個修改
  • 啟動核心指令：bootm、go
    • bootm啟動核心同時給核心傳參，而go指令啟動核心不傳參。
    • bootm是正宗的啟動核心的指令，go指令本來不是專為啟動核心設計的，go指令的實質是PC直接跳轉到一個記憶體位址去運作而已。go指令可以用來在uboot中執行任何的裸機程式

5. uboot環境變量

• 如何了解環境變量
  • 環境變量有2份，一份在Flash中，一份在DDR中。uboot開機時一次性從Flash中讀取全部環境變量到DDR中作為環境變量的初始化值，然後使用過程中都是用DDR中這一份，使用者可以通過saveenv指令将DDR中的環境變量重新寫入Flash中去更新Flash中環境變量。下次開機時又會從Flash中再讀一次
  • 環境變量在uboot中是用字元串表示的，注意不要錯别字，出現儲存錯誤環境變量後

    set xxx

    消除并儲存
• 自動運作指令設定：bootcmd
  • uboot在啟動後會開機自動倒數bootdelay秒，如果沒有打斷則會自動啟動核心
  • uboot中列印環境變量可以看到

    • bootcmd=movi read kernel 30008000

    • 上述語句意思為将iNand的kernel分區讀取到DDR記憶體的0x30008000位址處，然後使用bootm啟動指令從記憶體0x30008000處去啟東核心
• uboot給kernel傳參：bootargs
  • Linux核心啟動時可以接收uboot給他傳遞的啟動參數，這些參數使uboot和核心約定好的形式、内容，為了核心在不重新編譯的情況下可以用不同的方式啟動
  • 在uboot的環境變量中設定bootargs，然後bootm指令啟動核心時會自動将bootargs傳給核心

  • bootargs=console=ttySAC2,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw init=/linuxrc rootfstype=ext3

    • 意義解釋：控制台使用序列槽2，波特率為115200
    • root=… 根檔案系統在SD卡端口0裝置（iNand）第2分區，根檔案系統是可讀可寫的
    • init=… Linux的程序1（init程序）的路徑
    • rootfstype=… 根檔案系統的類型是ext3
  • 核心傳參非常重要。在核心移植的時候，新手經常忘記給核心傳參，或者給核心傳遞的參數不對，造成核心無法啟動
• 建立、更改、删除一個環境變量的方法
  • 建立和更改

    • set var value

  • 删除

    • set var

• 修改完環境變量後一定要儲存

6. uboot對Flash和DDR的管理

• uboot階段的Flash分區
  • 所謂分區，就是對Flash進行分塊管理
  • PC機等産品，都是在作業系統下使用硬碟的，整個硬碟由作業系統統一管理，使用者不用自己太在意分區問題
  • 在uboot中沒有作業系統，對Flash的管理必須事先使用分區界定，在部署系統時按照分區界定方法來部署，uboot和kernel的軟體中也是按照這個分區界定來工作就不會出錯
  • 分區不是固定的，在一個移植中必須事先設計好定死。一般在設計系統移植時就會定好，定的标準是：uboot必須從Flash起始位址開始存放，uboot分區大小必須保證uboot肯定能放下，一般設計為512kb或者1MB；環境變量分區一般緊貼着uboot來存放，大小為32KB或多一點；kernel可以緊貼環境變量存放，大小一般為3MB或5MB或其他；rootfs緊貼着kernel；剩下的就是自動分區，一般kernel啟動後将自由分區挂載到rootfs下使用
  • 總結
    • 各分區彼此相連
    • 整個Flash充分利用，從開頭到結尾
    • uboot必須在Flash開頭，其他分區相對位置可變
    • 各分區的大小由系統移植工程師來定
    • 分區在系統移植前确定好，在uboot中和kernel中使用同一個分區表
• uboot階段DDR的分區
  • 因為Flash是掉電存在的，而DDR是掉電消失，是以可以說DDR是每次系統運作時才開始部署使用的
  • 記憶體的分區主要是在Linux核心啟動之前，Linux核心啟動後核心的記憶體管理子產品會接管整個記憶體空間
  • 記憶體分區關鍵就在于記憶體中哪一塊用來幹什麼必須配置設定好，以避免各個不同功能使用了同一塊記憶體造成覆寫。