小白自制Linux开发板二. u-boot移植

2023-07-30 13:45:04

上一篇：小白自制Linux开发板一. 瞎抄原理图与乱画PCB 中我们做了一个小型而没用的开发板，用的是Licheepi Nano的镜像，那从本篇开始我们开始自己构建它的灵魂吧。

我们都知道，PC在启动的时候，首先是进入BIOS，再根据BIOS中配置信息引导后续的启动操作系统，比如配置Windows启动。

而对于嵌入式linux中，并没有BIOS，这时候就需要一种类似引导程序来处理。于是就有了BootLoader。

BootLoader是一段小程序，可以把它想象成PC机linux上的GRUB/LILO引导程序，可以直接从flash或TF卡中运行，来装载内核。它可以初始化硬件设备，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统做好准备。

1. 嵌入式开发板的启动过程

一个嵌入式系统从软件角度来看分为三个层次：

引导加载程序

包括固化在芯片中的boot程序（可选）和BootLoader两大部分，对于固化的boot程序。主要是芯片通过外围电路连接的实际情况选择读入程序的位置，比如：通过TF卡或是SPI以及其他方式启动，至于优先顺序这就要具体看芯片的数据手册，个人没做过具体测试。

linux内核

特定于嵌入式平台的定制内核

文件系统

包括了系统命令和应用程序

BootLoader

Boot Parameters

Kernel

Root Filesystem

BootLoader启动过程可分为单阶段和多阶段(stage1、stage2),其中stage1完成初始化硬件，如CPU寄存器、内存控制器，为stage2准备内存空间。一般stage1是可以直接在nor flash中运行的，并将stage2复制到内存RAM中，设置堆栈，然后跳转到stage2(从这也可以看出stage2是在RAM中运行的，与stage1不同)

Boot Parameters 顾名思义，就是配置了要启动内核的参数，包含要加载系统内核相关文件的位置，要加载到内存中的位置，定位到文件系统的位置，相关输入输出的呈现等一系列参数。

kernel 在存放在bootloader之后，对于SoC来说，代码都需要在RAM中运行，这里与MCU不一样的地方就是引入了MMU（内存管理单元）。对于MCU而言，由于其执行速度低，因此运行代码都在ROM中直接运行，而对于Flash而言，其读取速度远不及RAM的速度，因此对于运行速度非常快的SoC而言，所有的代码都需要在RAM中运行。但是这里有一个问题，RAM掉电数据将会丢失，故代码保存不可能放在RAM中，当前所有的嵌入式设备而言，代码保存都是放在ROM中，因此在SoC中运行代码需要将代码搬运到RAM中然后再执行。

Root Filesystem 由于其执行过程需要对ROM进行读写操作，因此可以不用搬运到RAM中，但是实际过程中内核启动后会产生一个虚拟的文件系统，该文件系统是挂在根文件系统的关键所在，这里不详细讲解。整体来说，大致的过程为，嵌入式设备上电后将执行bootloader，对硬件进行硬件和堆栈初始化，然后搬运内核到RAM中并启动内核，紧接着挂载根文件系统。

2. 环境配置与参考项目

系统：Ubuntu 16

编辑器：VSCode

参考项目：Lichee-Pi Nano

地址：https://wiki.sipeed.com/soft/Lichee/zh/Nano-Doc-Backup/index.html

Lichee-Pi Nano

需要注意的是一定要选择Nano版本，因为我们开发板使用的主控芯片和Nano的主控是一致的，所以后续我们要编译U-boot，内核都可以参考(bai piao)这里面的配置。

主控芯片：F1c100s/F1c200s，100s内置32MB DDR1内存，200s内置64MB DDR1内存，200s贵一点，他们都是QFN88封装。

ARM926ejs内核，主频默认408MHz，据了解做产品出货的一般在600M左右。

带有100M的SPI接口2个，SDIO接口1个，USB OTG接口，还有CSI摄像头接口，LCD RGB显示屏接口，音频接口，I2C I2S UART PWM等等。

还有就是他们不支持硬件浮点，所以浮点运算使用软浮点方式。

F1c100s/F1c200s芯片功能

3.交叉编译器

我们通过PC版的Linux自带的gcc编译的程序只能在当前系统架构下的cpu架构(x86)下运行，如果我们想要编写的程序在嵌入式Linux下运行，那么就需要用到对应的编译器。

我们做的开发板主控芯片F1C200S，内核为ARM9，其架构使用的是ARMv5架构，所以我们也要选用对应的编译器，同样，这样的编译器很多，这里我们使用最常用的arm-linux-gnueabi- ，因为交叉编译器F1C200S必须高于6.0版本，这里我们使用7.2版本

点击下载

下载较慢时使用下载工具

下载完成后解压文件：

tar -vxjf gcc-linaro-7.2.1-2017.11-x86_64_arm-linux-gnueabi.tar.xz

然后在/usr/local目录下新建arm-linux-gcc目录

sudo mkdir /usr/local/arm-linux-gcc

进入解压目录下：

cd gcc-linaro-7.2.1-2017.11-x86_64_arm-linux-gnueabi/

sudo cp -rd * /usr/local/arm-linux-gcc/

最后需要添加该工具链的环境变量使其可以在任何目录下执行，打开/etc/profile文件

sudo nano /etc/profile

在文件末尾添加以下内容

PATH=$PATH:/usr/local/arm-linux-gcc/bin

添加完毕，使路径生效

source /etc/profile

接下来在终端输入：

arm-linux-

然后连按两次Tab键，如图在表示成功：

如果没有出现，则进行下面操作，安装必要的动态链接库

sudo apt-get install lib32ncurses5 lib32z1

至此，我们完成了编译工具的配置。

4. 编译U-boot

当Arm开发板上电以后第一个要加载到内存并运行的程序就是BootLoader，BootLoader的同类型程序很多，如U-boot、X-boot、Rt-Thread，这里我们依然选中最常用的U-boot作为目标(因为其他的我也不会呀)，

最新版本的uboot几乎包含当前主流的SoC芯片，前面提到本开发板使用的芯片和licheePI nano相同，大部分硬件也是兼容的，为了快速移植该部分，这里采用licheePI nano的u-boot来进行移植。在终端输入如下命令克隆u-boot：

git clone https://github.com/Lichee-Pi/u-boot.git -b nano-v2018.01

克隆完毕文件会保存在当前目录下，进入该目录，

cd u-boot

在该文件夹下有很多分支，我们可以查看所有分支，使用如下命令：

git branch -a

现在我们使用的是nano开发板，所以将当前分支切换到nano分支，命令如下：

git checkout nano-v2018.01u-boot

切换到Nano分支

默认的没有指定交叉工具链和架构，因此在编译之前需要指定交叉工具链和芯片架构，u-boot的交叉编译器在u-boot 的根目录下中的Makefile文件中定义了。打开文件找到CROSS_COMPILE变量，修改为如下：

ARCH=arm
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

配制交叉编译环境

这样我们就能使用我们指定的编译器来编译u-boot了。

在u-boot项目的config目录下存在对多种板子的配置描述文件，由于每个板子的外设不同，因此编译之前必须要对u-boot进行配置。然而配置是一件比较繁琐的事情，特别是像u-boot这种比较复杂的项目而言，初学者几乎无法完成。幸运的是对于大部分开发板而言，config目录下有其配置好的默认配置文件。进入config目录中，然后执行ls查看当前所有的配置文件

cd config
ls

查看配制文件

找到licheepi_nano_defconfig 和 licheepi_nano_spiflash_defconfig，前者表示为TF卡启动，后者表示从SPI 设备启动，因为我们做的小板只有从TF卡启动，所以我们需要使用 licheepi_nano_defconfig 。

现在回到上级目录，然后执行

make licheepi_nano_defconfig
cd ..
make make licheepi_nano_defconfig

这样我们把licheepi_nano_defconfig 作为默认配置项。

接下来我们就可以用图形界面进行配置了，执行

make menuconfig

此时出现图形配置选项，如下图所示

u-boot Menuconfig配制，注意红框中的配置，我们后续要用到。

至此我们的u-boot环境配置就完成了，但是我们还有个问题要解决：如何让u-boot引导系统

我们在PC端安装Windows系统的时候往往需要选择启动顺序，比如需要优先通过光驱或u盘启动等。

同样在u-boot中也需要这样的配置，当然u-boot比PC配置稍微复杂一丢丢。我们前面提到Linux嵌入式系统结构分布中有个Boot Parameters 部分，这部分就是做引导配置的，那怎么配置呢，总体来说可以分为两部分：

bootcmd，主要用于描述控制Linux内核文件以及其他描述文件加载到内存中位置以及启动Linux内核系统等
bootargs，用于配制文件系统、串口信息等。

bootcmd

在最开始提到过，内核一般不在flash中运行，这样就需要将内核搬运到内存中，这个过程需要u-boot来完成。对于mmc (TF卡)而言，在u-boot有专门的命令load mmc，该命令可以将mmc中的代码从flash搬运到指定的地址处。

当u-boot中环境变量bootdelay计数到0时，此时uboot就会开始执行bootcmd中的命令。

bootdelay这个环境变量是一个计数器，当u-boot主体运行完毕后，此时bootdelay该变量的值将会开始递减，递减时间为1s，当递减到0时，此时u-boot将会跳转到bootcmd处开始执行bootcmd命令，（你可以简单理解为PC启动后有一两秒时间等待，你可以可以通过F8或Enter键打断进入Bios设置的过程，这个等待时间就由u-boot中的bootdelay来控制）。

下面我们需要记住这句指令，这就是我们当前制作的开发板需要用到的bootcmd全部内容

load mmc 0:1 0x80008000 zImage;load mmc 0:1 0x80c08000 suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb;bootz 0x80008000 - 0x80c08000;

如果你需要详细了解这句话那就接着往下看，如果不需要则可以跳到下面的u-boot参数配置环节

对于上面命令，我们根据分号拆分为3部分:

1> load mmc 0:1 0x80008000 zImage;
2> load mmc 0:1 0x80c08000 suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb;
3> bootz 0x80008000 - 0x80c08000;

其中两个 load mmc 命令、一个bootz 命令。

先看第一条：

load mmc 0:1 0x80008000 zImage

load mmc有三个参数：第一个参数是mmc(TF卡)分区，第二个参数是内存中目标地址，第三个参数是源文件。

即上面的命令意思是将mmc的0:1 分区中的zImage复制到内存中的0x80008000地址处。这里的zimage就是Linux内核，后续会提到该文件编译，0:1这个可以这样理解0表示TF卡(TF卡属于mmc存储器的一种)，1这表示TF卡的第一个分区(boot分区)后面会提到。

而对于内存位置 0x80008000 地址位置，将其理解为默认值就行了。这样完成了zImage的加载。

下面分析第二条命令：

load mmc 0:1 0x80c08000 suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb

有了上面的加载zImage的说明，可以很轻松的理解上面的命令意思是将mmc的0:1分区中的suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb文件加载到内存中的0x80c08000地址处。对于suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb 这个文件，叫做设备树文件，简单来说就是当前开发板上面所有外设备描述文件，这部分将会在后续内核编译部分进行详细说明。

对于第三条命令：

bootz 0x80008000 - 0x80c08000

的意思是告诉内核镜像的起始地址为0x80008000，加载的设备树地址为0x80c08000。这里是告诉cpu从这里开始启动Linux， bootz命令的格式是：bootz空格0x80008000空格-空格0x80c08000,注意-左右有空格。

除了bootz 命令外，有些系统里面还可能存在一个叫做bootm命令，这是是对没有使用设备树内核的镜像启动命令，早期版本的内核没有引入设备树，因此对于早期的内核一般使用的是bootm，其命令格式为bootm内核地址，比如bootm x0x30008000，意思是从0x30008000开始启动内核，启动内核的过程其实是将pc指针指向该地址，这样处理器就会从该地址处运行代码。

这里我们就完成了bootcmd的说明，接下来我们看另外一个参数。

bootargs

bootargs也是u-boot环境变量中一个非常重要的变量，上面已经讲解了内核的启动可以通过bootcmd来完成，那接下来内核启动完毕后必须挂在根文件系统(rootfs)。但是内核并不知道根文件系统的具体位置，我们必须要告诉根文件的位置后内核才能将其挂载，这时就需要有bootargs变量。该变量的作用是告诉内核根文件系统的位置和属性以及必要的配置，

console=ttyS0,115200 panic=5 rootwait root=/dev/mmcblk0p2 earlyprintk rw

同上面分析的方法一样，我们依然将这部分命令拆成几部分来说明。这里需要说明的是，这部分配置信息是由u-boot 直接按照参数字符串方式提供给Linux内核，然后由Linux内核进行执行的，这也说明里为什么格式与bootcmd配置方式不一致。

console=ttyS0,115200 表示终端为ttyS0即串口0,波特率为115200；

panic=5 字面意思是恐慌，即linux内核恐慌，其实就是linux不知道怎么执行了，此时内核就需要做一些相关的处理，这里的5表示超时时间，当Linux卡住5秒后仍未成功就会执行Linux恐慌异常的一些操作。

rootwait 该参数是告诉内核挂在文件系统之前需要先加载相关驱动，这样做的目的是防止因mmc驱动还未加载就开始挂载驱动而导致文件系统挂载失败，所以一般bootargs中都要加上这个参数。

root=/dev/mmcblk0p2 表示根文件系统的位置在mmc的0:2分区处，/dev是设备文件夹，内核在加载mmc中的时候就会在根文件系统中生成mmcblk0p2设备文件，这个设备文件其实就是mmc的0:2分区(这里对应TF卡的第二个分区：rootfs)，这样内核对文件系统的读写操作方式本质上就是读写/dev/mmcblk0p2该设备文件。

earlyprintk 参数是指在内核加载的过程中打印输出信息，这样内核在加载的时候终端就会输出相应的启动信息。rw表示文件系统的操作属性，此处rw表示可读可写。

5.u-boot参数配置

 make menuconfig

选中 Enable boot arguments 按空格选中，下面会显示：() Boot arguments

然后选中Boot arguments ,按回车，进入配置窗口，接下来上面解释过的bootargs 参数信息：

console=ttyS0,115200 panic=5 rootwait root=/dev/mmcblk0p2 earlyprintk rw

配置bootargs信息

然后按Tab键选中<OK>，保存并进入主菜单。

同理配置：Enable a default value for bootcmd 按空格选中，下面会显示：() bootcmd value 配置项，

选中bootcmd value 进入配置界面，输入bootcmd命令：

load mmc 0:1 0x80008000 zImage;load mmc 0:1 0x80c08000 suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb;bootz 0x80008000 - 0x80c08000;

配置bootcmd参数

按Tab键选中<OK>，保存并进入主菜单。

6.u-boot编译与烧录

先保存图形配置界面后推出界面，在终端执行make -j4即可对整个u-boot进行编译。

make -j4

编译u-boot

make -j4后面的-j4表示4个核心进行编译，若电脑的处理器是2核心，请使用make -j2进行编译。

编译完成后会在当前目录生成u-boot-sunxi-with-spl.bin烧录文件。

根目录下找到 u-boot-sunxi-with-spl.bin 文件

该文件就是我们最终要烧录的二进制文件。

在当前目录下会有一个隐藏的文件.config，该文件是u-boot编译后根据各个选项产生的配置文件，这个配置文件记录了所有配置选项的宏开关，编译的时候是根据最终的.config文件来进行编译的，当然编译前是需要有脚本解析.config文件然后进行相应的编译。

烧录到TF卡

只要将u-boot-sunxi-with-spl.bin烧录到tf卡的8k偏移处地址就可以了，烧录步骤如下：使用dd命令进行块搬移：

sudo dd if=u-boot-sunxi-with-spl.bin of=/dev/sdb bs=1024 seek=8

该命令中：

if 文件名：输入文件名，缺省为标准输入。即指定源文件。< if=input file >

of 文件名：输出文件名，缺省为标准输出。即指定目的文件。< of=output file >

bs bytes：同时设置读入/输出的块大小为bytes个字节。

seek blocks：从输出文件开头跳过blocks个块后再开始复制。

这里的输出文件(of)为主机电脑的/dev/sdb文件，也就是TF卡，这里也体现了Linux一切皆文件的思想。

/dev/sdb 这个可以用gparted 软件查看，该软件可以直接用命令安装即可：

sudo apt-get install gparted

此时在Ubuntu下面可以看到如下软件：

安装好GParted软件

打开软件

GParted

在右上角可以看到两个硬盘，/dev/sda 为本地硬盘，/dev/sdb 是我们将要写数据的TF(当然这只是墨云自己的配置使然，具体情况请根据实际情况而定)，因此这里的of=/dev/sdb 烧录到8k偏移地址处是指绝对地址，这个绝对地址指的是TF卡的物理地址。这8K的值是由F1C200S 中固化的启动代码决定的，所以照抄即可。

烧写u-boot

然后我们正常退出TF卡，然后插入我们自制的开发板，通过USB线连接电脑，

连接开发板

打开电脑中的命令行工具，我这里使用Xshell，

打开Xshell，新建连接：

配置名称，协议选择Serial,

配置串口

通过下拉选中com端口，波特率为115200，其他默认即可，点击确定，然后双击主界面左侧会话管理中的刚建立的会话，此时进入连接状态。

因为在你插入USB通电的时候开发板就已经启动了，所以当你打开串口连接的时候可能未必会看到信息，所以按一下重启键，就可以看到如下的输出信息了，这就是我们的u-boot，执行到u-bbot计数完成后会产生错误，那是因为我们还没有进行系统内核的移植，所以默认就会进入u-boot命令模式。

启动信息

输入pri命令打印环境变量的所有值，可以找到已经配置的bootcmd 和bootargs

pri命令结果

至此完成了u-boot移植的全部内容，对于u-boot的移植方法，在后续移植Linux内核和文件系统时都会用到，都是大同小异的，所以有了本篇的说明，之后操作将会非常简单。

而关于u-boot的内容事实上非常的复杂繁琐，有兴趣的可以自行去了解到，毕竟作为一个小白的我初衷只是先让小板先跑起来。

参考资料

Lite200 (lishanwen) -- https://lishanwen.cn/index.php/2021/07/03/lite200/

全志F1C200S F1C100S 介绍 ( 迪卡魏曼依奇君 ) https://blog.csdn.net/tunqimai9331/article/details/95938903

荔枝派Nano 全流程指南 (矽速科技) https://wiki.sipeed.com/soft/Lichee/zh/Nano-Doc-Backup/index.html

码农公寓