A20 uboot和kernel的编译环境和方法

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最近浏览一遍csdn上的文章,是分析A10、A20芯片 Bootloader加载过程的文章,里面不仅简单叙述了bootloader加载过程,同时也迅速了uboot和kernel的编译环境和方法,现在转过来给大家学习一下。


A10/A20 Bootloader加载过程分析
注:由于全志A10和A20在加载Bootloader过程方面基本一致,下面仅以A20叙述,但同时也适用于A10。另外在不需要区分Cubieboard1和Cubieboard2的情况下,统称为Cubieboard;另现在市面上一般所说的SD卡即为Micro SD Card,也就是TF卡,为区别于一般传统的SD卡,本文一般使用TF卡描述,但同于平时所说的SD卡。
A20的启动过程大概可分为5步:Boot ROM,SPL,Uboot,Kernel,RootFileSystem。本文关注的是镜像的加载和启动过程,分析Boot ROM→SPL→Uboot→Kernel的启动流程。
系统上电后,ARM处理器在复位时从地址0x000000开始执行指令,把板上ROM或Flash映射到这一地址。A20将启动设备选择程序固化在CPU内部的一个32KB ROM中,默认的启动时序为SD Card0,NAND FLASH,SD Card2,SPI NOR FLASH。另外通过外部的一个启动选择引脚可以使其跳转到USB启动模式。通常情况下,启动选择引脚状态连接50K内部上拉电阻。在上电后,执行存储在Boot ROM中的启动代码,将自动检测启动选择引脚状态。只有当该引脚状态为低电平时才选择USB启动模式。
在选择启动设备后将加载并执行bootloader程序,CPU通过拷贝或映射bootloader程序到内存,然后执行bootloader的第一条指令。通过阅读官方的uboot烧写方法,发现A20通过uboot引导系统之前先载入了uboot SPL。什么是SPL?通过查阅uboot的官网资料得知,SPL是一个迷你版的uboot,全拼为Second Program Loader。适用于SOC的内部SRAM<64K的情况,用它来加载完整的uboot程序到SDRAM,并通过完整uboot加载内核来启动系统。其中SRAM一般指CPU内部的L1/L2或外部的L2高速缓存,这里即为Boot ROM,而SDRAM一般指内存。
SPL程序流程如下:
初始化ARM处理器
初始化串口控制台
配置时钟和最基础的分频
初始化SDRAM
配置引脚多路复用功能
启动设备初始化(即上面选择的启动设备)
加载完整的uboot程序并转交控制权
启动设备选择程序的流程图: 
搞清楚了上面的概念,可以知道Cubieboard出厂已经烧写了NandFlash中的程序,即在启动时使用的是NandFlash。现在根据全志A20上述步骤,我们尝试用SD Card0(即Cubieboard上卡槽中的TF卡)来启动系统。
环境准备
本文所使用的主机环境为kubuntu 12.10,然而一般情况下,下面涉及到的命令对基于Debian的(X)ubuntu系列都应该适用。
为不引起混淆,我们作如下约定:
工作目录为 $WORK_DIR
命令均以root用户执行
笔者的设定如下:
WORK_DIR=/home/itviewer/src
下载必须的工具软件
  1. apt-get install build-essential libncurses5-dev u-boot-tools qemu-user-static debootstrap git binfmt-support libusb-1.0-0-dev pkg-config
  2. apt-get install gcc-arm-linux-gnueabihf
复制代码
下载源码
从 github 下载 SPL,U-BOOT,Linux 内核源码。注意 linux-sunxi 超过 3.8G ,耗时最长。如果您曾经下载过这些代码,记得分别用 git pull 更新后再进行后续操作,因为代码仓库每天都有变化。
  1. cd $WORK_DIR
  2. git clone git://github.com/linux-sunxi/u-boot-sunxi.git
  3. git clone git://github.com/cubieboard2/linux-sunxi
  4. git clone git://github.com/linux-sunxi/sunxi-tools.git
  5. git clone git://github.com/linux-sunxi/sunxi-boards.git
复制代码
编译uboot
  1. cd $WORK_DIR/u-boot-sunxi
  2. make distclean CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
  3. make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- Cubieboard2_config
  4. make  CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
复制代码
得到 u-boot-sunxi-with-spl.bin(同时生成的还有其它几个文件,这里我们只用该文件,注意上面Cubieboard2,最新代码需要首字母大写)
编译kernel
  1. cd $WORK_DIR/linux-sunxi
  2. make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- cubieboard2_defconfig
  3. make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j4 uImage modules
复制代码
得到内核文件 arch/arm/boot/uImage(还有其它内核模块,这里暂时没有用到)
生成 boot.scr和script.bin
在将uboot和kernel烧写到TF卡之前,我们需要先编译生成两个启动参数文件:boot.scr和script.bin。
生成 boot.scr
boot.scr是什么?
根据资料描述( https://github.com/linux-sunxi/u-boot-sunxi/wiki#bootscr-support ),u-boot在启动的时候会在第一个分区(FAT/extX格式)寻找/boot.scr或者/boot/boot.scr文件,boot.scr中可以包含用于载入script.bin,kernel,initrd(可选)以及设置内核启动参数的uboot命令。
boot.scr如何生成?
在$WORK_DIR目录新建 boot.cmd 文件,添加以下内容:
  1. setenv bootargs console=ttyS0,115200 noinitrd disp.screen0_output_mode=EDID:1280x1024p60 init=/init root=/dev/mmcblk0p2 rootfstype=ext4 rootwait panic=10 ${extra}
  2. fatload mmc 0 0x43000000 boot/script.bin
  3. fatload mmc 0 0x48000000 boot/uImage
  4. bootm 0x48000000
复制代码
详细解释:
1.上述第一行设置uboot的bootargs启动参数,格式为 参数=值,不同参数使用空格分开,其中
console=ttyS0,115200 含义为使用特定的串口ttyS0,波特率为 115200
noinitrd 含义为不使用ramdisk(内存磁盘)
init=/init 含义为内核启起来后,进入系统中运行的第一个脚本
root=/dev/mmcblk0p2 含义为指定rootfs的位置为TF卡第二个分区
rootfstype=ext4 含义为根文件系统类型
rootwait 含义为等待设备/dev/mmcblk0p2就绪后才尝试挂载rootfs
panic=10 传递内核参数,当遇到panic(内核严重错误)时等待10秒后重启
screen0_output_mode 设置合适的屏幕显示分辨率
更多的参数可以通过查看Linux内核源码目录下Documentation/kernel-parameters.txt文件了解
2.第二行和第三行为将script.bin和内核uImage加载到指定内存地址。fatload是U-Boot中装载linux kernel 到内存的指令。
基本用法:fatload
interface:所用到接口,如:MMC、USB
dev [:part]: 文件存放的设备 如:ide 0:1
addr: 装载到内存的开始地址。
filename: 装载的文件名称。
bytes: copy的字节数.
3.第四行bootm 用于将内核映像加载到指定的地址
保存文件后,执行以下命令生成boot.scr:
mkimage -C none -A arm -T script -d boot.cmd boot.scr
生成 script.bin
script.bin是什么?
script.bin是被全志SOC内核驱动或LiveSuit使用的针对特定目标板的二进制配置文件,包含如何设置基于A10/A20目标版的各种外设,端口,I/O针脚信息。
其对应的可读文本文件格式为FEX,可以利用 Sunxi-tools在二进制和文本文件之间进行转换。更多关于FEX配置的信息可以参考 http://linux-sunxi.org/Fex_Guide
script.bin如何生成?
首先需要编译sunxi-tools:
  1. cd $WORK_DIR/sunxi-tools
  2. make
复制代码
得到fex2bin、bin2fex等文件,其中fex2bin能把 *.fex 文件生成 *.bin文件。反之bin2fex可以将得到的*.bin文件生成可读的*.fex文件。
然后编译生成script.bin:
  1. cd $WORK_DIR/sunxi-boards/sys_config/a20
  2. $WORK_DIR/sunxi-tools/fex2bin cubieboard2.fex script.bin
复制代码
烧写uboot和kernel到TF卡
上面罗嗦了这么多,其实就是为了将uboot和kernel烧写到TF卡上并能够启动,OK,让我们先从分区开始:
A20 芯片上电启动的时候,会读取SD卡最前面的 1M 内容,从而得到 bootloader,所以我们需要把 u-boot 写到SD卡的前1M区间。
其中详细的SD卡布局如下:
起始
大小
用途
0           8KB               存放分区表等内容
8           24KB              SPL loader
32           512KB              u-boot
544           128KB               environment
672           352KB               保留
1024        -               用于剩余分区
接下来,我们开始使用fdisk进行分区(由于sfdisk对部分TF不兼容,故除非你真的知道怎么用sfdisk,否则不要使用):
将TF卡插到电脑上并确认设备名,为不至于混淆,我们使用sdX代替,您需要根据自己的情况修改,如sdb:
card=/dev/sdX
  1. dd if=/dev/zero of=${card} bs=1M count=1      # 把SD卡前1M的区域填充为0,预留给 u-boot
  2. sfdisk -R ${card}                             # 重新读取${card}
  3. fdisk ${card}                                 #使用fdisk进行分区
复制代码
具体分区步骤如下:
建立第一个分区
  1. sudo fdisk ${card}
复制代码
Device contains neither a valid DOS partition table, nor Sun, SGI or OSF disklabel
Building a new DOS disklabel with disk identifier 0x911332e8.
Changes will remain in memory only, until you decide to write them.
After that, of course, the previous content won't be recoverable.

Warning: invalid flag 0x0000 of partition table 4 will be corrected by w(rite)

Command (m for help): n                                   #键入n然后回车
Partition type:
   p   primary (0 primary, 0 extended, 4 free)
   e   extended
Select (default p):                                       #直接回车
Using default response p
Partition number (1-4, default 1):                        #直接回车
Using default value 1
First sector (2048-15278079, default 2048):               #直接回车
Using default value 2048
Last sector, +sectors or +size{K,M,G} (2048-15278079, default 15278079): +64M         #键入+64M后回车,即分区大小为64M
建立第二个分区
Command (m for help): n                                   #键入n然后回车
Partition type:
   p   primary (1 primary, 0 extended, 3 free)
   e   extended
Select (default p):                                       #直接回车
Using default response p
Partition number (1-4, default 2):                        #直接回车 
Using default value 2
First sector (133120-15278079, default 133120):           #直接回车
Using default value 133120
Last sector, +sectors or +size{K,M,G} (133120-15278079, default 15278079):      #直接回车,即第二个分区使用全部剩余空间
Using default value 15278079
接下来指定分区类型:
Command (m for help): t                                   #键入t然后回车
Partition number (1-4): 1                                 #键入1然后回车,即指定第一个分区
Hex code (type L to list codes): c                        #键入c然后回车,即指定第一个分区为vfat
Changed system type of partition 1 to c (W95 FAT32 (LBA))

Command (m for help): w                                   #键入w然后回车,保存分区表
The partition table has been altered!

Calling ioctl() to re-read partition table.
Syncing disks.
格式化分区:
  1. mkfs.vfat ${card}1
  2. mkfs.ext4 ${card}2   
复制代码
#需要稍等片刻
然后写入bootloader:
  1. cd $WORK_DIR/u-boot-sunxi
  2. dd if=u-boot-sunxi-with-spl.bin of=$card bs=1024 seek=8
复制代码
最后安装内核 uImage,设置启动参数:
  1. mount ${card}1 /mnt
  2. mkdir /mnt/boot
  3. cp $WORK_DIR/linux-sunxi/arch/arm/boot/uImage /mnt/boot
  4. cp $WORK_DIR/sunxi-boards/sys_config/a20/script.bin /mnt/boot
  5. cp $WORK_DIR/boot.scr /mnt/
  6. sync && umount /mnt
复制代码
至此,启动到linux内核的工作已经完成,接下来我们就可以观看linux内核启动过程、进行内核调试了。
打印串口调试信息
通过查看串口输出信息,可以方便我们判断问题所在,进而找到解决问题的方法。
在linux和windows下有多种串口调试工具可供使用,这里仅给出一篇参考文章:
http://linux-sunxi.org/Cubieboard/TTL
这里附上笔者的串口输出信息: http://mer.jolladev.net/data/media/cutecom.txt
信息结尾由于无法挂载根文件系统、启动init而等待10秒后重启。

参考
http://linux-sunxi.org/Bootable_SD_card
http://linux-sunxi.org/Boot
https://github.com/linux-sunxi/u-boot-sunxi/wiki
http://blog.csdn.net/yichunjie/article/details/8661176
http://blog.csdn.net/abc47bca/article/details/6306005

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