BeagleBone Black 从零到一 (2 MLO、U-Boot)
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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
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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：
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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：
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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 $(srctree)/scripts/Makefile.spl all |
u-boot-spl.bin 文件是还是由 u-boot/scripts/Makefile.spl 文件生成。
文件 u-boot/scripts/Makefile.spl 168 行 定义了 u-boot-spl.bin 的生成：
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ifeq ($(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 $(call if_changed,copy) endif |
因为 SPL_BIN 在 第32行 定义为 u-boot-spl:
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ifeq ($(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：
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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 1 2 |
$(obj)/$(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 $(obj)/u-boot-spl.lds， obj 在 1310 行 编译 u-boot-spl.bin 的时候赋值为 obj=spl，所以我们需要看 u-boot/spl/u-boot-spl.lds 这个文件，但是如果你之前没有编译过这个文件是没有的。这个文件是如何生成的呢？我们稍后再看，先看 lds 文件的内容：
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MEMORY { .sram : ORIGIN = 0x402F0400, LENGTH = (0x4030B800 - 0x402F0400) } MEMORY { .sdram : ORIGIN = 0x80a00000, LENGTH = 0x80000 } OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm") OUTPUT_ARCH(arm) ENTRY(_start) SECTIONS { .text : { __start = .; *(.vectors) arch/arm/cpu/armv7/start.o (.text) *(.text*) } >.sram . = ALIGN(4); .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(.rodata*)) } >.sram . = ALIGN(4); .data : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(.data*)) } >.sram .u_boot_list : { KEEP(*(SORT(.u_boot_list*))); } >.sram . = ALIGN(4); __image_copy_end = .; .end : { *(.__end) } >.sram .bss : { . = ALIGN(4); __bss_start = .; *(.bss*) . = ALIGN(4); __bss_end = .; } >.sdram } |
链接文件里面说明了内存布局，arch/arm/cpu/armv7/start.o 代码段都放在 SRAM 中，所以 arch/arm/cpu/armv7/start.S 就是我们要找的东西了。
lds 链接文件的生成
u-boot/spl/u-boot-spl.lds 这个文件的生成在 u-boot/scripts/Makefile.spl 有解释:
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$(obj)/u-boot-spl.lds: $(LDSCRIPT) FORCE $(call if_changed_dep,cpp_lds) |
LDSCRIPT 的定义：
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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
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下载 U-Boot 源码：
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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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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。
RAW Mode 和烧写方式在这篇文章里面有讲：解析 BeagleBone Black 官方镜像。
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
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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: |
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。
参考资料
- Beaglebone Black——制作自己的SD启动卡
- U-Boot on BeagleBone Black
- AM335x U-Boot User’s Guide
- Pandaboard bootload(uboot) 启动流程探究
- u-boot启动流程