学嵌入式不得不知的Bootloader（U-boot）

Bootloader 基本概念

Bootloader是硬件启动的引导程序，是运行操作系统的前提；
在操作系统内核或用户应用程序运行之前运行的一小段代码。对软硬件进行相应的初始化和设定，为最终运行操作系统准备好环境；
在嵌入式系统中，整个系统的启动加载任务通常由Bootloader来完成。

Bootloader的特点

Bootloader不属于操作系统，一般采用汇编语言和C语言开发。需要针对特定的硬件平台编写。
在移植系统时，首先为开发板移植Bootloader。
Bootloader不但依赖于CPU的体系结构，而且依赖于嵌入式系统板级设备的配置。

Bootloader的操作模式

自启动模式：在这种模式下，Bootloader从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程并没有用户的介入。
交互模式：在这种模式下，目标机上的Bootloader将通过串口或网络等通信手段从开发主机（Host）上下载内核映像和根文件系统映像等到RAM中。可以被 Bootloader写到目标机上的固态存储媒质中，或者直接进行系统的引导。也可以通过串口接收用户的命令。

常用的bootloader之U-boot介绍

u-boot(Universal Boot Loader)是德国DENX小组开发的用于多种嵌入式CPU的bootloader程序。遵循GPL条款。
从FADSROM、8xxROM 、PPCBOOT、Armboot逐步发展演化而来；
U-boot的特点：

• 代码结构清晰、易于移植（见目录结构）
• 支持多种处理器体系结构（见arch目录）
• 支持众多开发板（目前官方包中有200多种，见board目录）
• 命令丰富、有监控功能
• 支持网络协议、USB、SD等多种协议和设备
• 支持文件系统
• 更新较活跃，使用者多，有助于解决问题

U-BOOT 命令

命令分类

环境设置、数据传输、存储器访问、加载运行
printenv 显示所有环境变量

U-boot # printenv
baudrate=115200
ipaddr=192.168.1.100
ethaddr=12:34:56:78:9A:BC
serverip=192.168.1.10
      ……

setenv 设置新的环境变量

U-boot # setenv  myboard  FS4412
U-boot # printenv
baudrate=115200
ipaddr=192.168.1.100
ethaddr=11:22:33:44:55:66
serverip=192.168.1.10
myboard=FS4412
Environment size: 320/16380 bytes

saveenv 将当前定义的所有的环境变量值存入flash中

tftp 通过网络下载程序

U-boot # setenv  ethaddr  11:22:33:44:55:66
U-boot # setenv  ipaddr  192.168.1.100
U-boot # setenv  serverip  192.168.1.10 

U-boot # tftp  41000000  application.bin
U-boot # tftp  41000000  zImage

protect 对Nor Flash写保护

protect  on  0  10000 对区间[0x0, 0x10000]进行写保护
protect  off  0  10000  对上述区间取消写保护

erase 擦除Nor FLASH

erase  all    擦除FLASH所有的扇区
erase  0  10000  把FLASH区间 [0x0, 0x10000]擦除

Nand相关命令

nand  read  addr  off  size
nand  write  addr  off  size
nand  erase [clean] [off  size] 

movi 命令

movi  init ---初始化eMMC并显示相关信息 
movi  read  u-boot/kernel  addr
movi  write  u-boot/kernel  addr
movi  read  rootfs  addr   size
movi  write rootfs  addr   size

bootcmd 自启动命令

如果定义了该变量，在自启动模式下将会执行该环境变量中的命令。
U-boot # setenv bootcmd tftp 41000000 uImage\; bootm  41000000
U-boot # saveenv

go addr 执行内存中的二进制代码，简单的跳转到指定地址
bootm kernel-addr ramdisk-addr dtb-addr
引导内核为内核传参，其中内核和ramdisk通常为mkimage处理过的二进制文件。

U-BOOT 配置编译

U-Boot目录结构

平台相关
arch, board, include…
平台无关
common, net, fs, drivers…
工具和文档
tools, doc

U-boot的编译

整个工程通过Makefile来组织编译。顶层目录下的Makefile中包含了开发板的配置信息。从顶层目录开始递归地调用各级子目录下的Makefile，最后链接成u-boot映像。

顶层目录下的 Makefile

它负责u-boot整体配置和编译
在Makefile中指定使用的交叉工具链
配置u-boot: make origen_config
编译： make

U-BOOT编译生成的映像文件

U-boot镜像下载烧录

烧录编译产生的镜像 u-boot.bin

初次或开发板代码损坏不能正常启动时，可采用JTAG工具烧录
专用的烧录工具如h-jtag或DNW等
在u-boot已经能工作，升级或修正U-boot时，可用U-boot中的命令来烧录
其它方式 如SD卡 ， Fastboot命令

镜像固化位置

ROM、NOR FLASH、NAND FLASH EMMC等

U-BOOT 启动流程

第一条指令如何执行
初始化那些硬件，先后顺序如何
如何加载内核
性能提升

U-Boot 启动源码分析

第一条指令位置(参考u-boot.map) arch/arm/cpu/armv7/start.S 里的 _start: b reset
设置为SVC模式 msr cpsr,r0
关闭MMU Cache cpu_init_cp15
基本硬件设备初始化 board/samsung/fs4412/lowlevel_init.S 的 lowlevel_init
关中断 看门狗 ，初始化时钟 串口，flash,内存
自搬移到内存 relocate_code
设置栈， IRQ stack frame

---

准备进入C部分 bl _main ( 参u-boot.map )
大部分硬件初始化 arch\arm\lib\board.c\board_init_f 里的init_sequence
搬移内核到内存运行 common/main.c main_loop -> getenv (“bootcmd”)
bootdelay >= 0 && s && !abortboot (bootdelay))
下的 run_command (bootcmd)

U-BOOT 移植方法

善用对比软件Beyond
选择官方源码版本下载， 配置编译
a. 指定交叉编译工具链
b. 指定cpu 和board(参考最类似配置如origen)
c. 编译
实现串口信息输出
a. 跟踪运行路径(led点灯法)
b. 串口输出（检查uart初始化相关部分代码 见lowlevel_init.s）
网卡移植（实现能用tftp nfs 方便开发调试）
a. 寄存器地址
b. 参数设置
FLASH移植（实现能下载软件到FLASH，产品能离线运行）