嵌入式学习——2.1 uboot基础

uboot基础

1.为什么要有uboot?

• 预备知识
  • 计算机系统运行时的主要核心部件包含3个东西：CPU+外部存储器+内部存储器
  • PC机启动过程为：PC上电后先执行BIOS程序（实际上PC 的BIOS就是NorFlash）,BIOS负责初始化DDR内存和硬盘，然后从硬盘上将OS镜像读取到DDR中，然后跳转到DDR中去执行OS直到启动（OS启动后BIOS就无用了）
• uboot主要作用是用来启动操作系统内核，部署整个计算机系统，有操作Flash等板子上硬件的驱动，提供一个命令行界面供人操作
• uboot程序部署在能作为启动设备的Flash做上，OS部署在Flash上，内存在掉电时无作用，CPU在掉电时不工作
• 嵌入式系统上电后先执行uboot、然后uboot负责初始化DDR，初始化Flash，然后将OS从Flash中读取到DDR中，然后启动OS（OS启动后uboot就无用了）

2. uboot必须解决的问题

• 自身可开机直接启动

  • 必须根据具体的SoC的启动方式来设计uboot

  • uboot必须进行和硬件相对应的代码级别的更改和移植，才能保证响应启动介质的启动，uboot中第一阶段的start.S文件中处理了这一块

• 能够引导操作系统内核启动并给内核传参

  • 我们可以在uboot中事先给Linux内核准备一些启动参数放在内存中特定位置然后传给内核，内核启动后会到这个特定位置去取uboot传给他的参数，然后内核解析这些参数

• 能提供系统部署功能

  • uboot必须能够被人借助而完成整个系统在Flash上的烧录下载工作（裸机在刷机时就是利用uboot中的fastboot功能将各种镜像烧录到iNand中，然后从iNand启动）

• 能进行SoC级和板级硬件管理

  • uboot中实现了一部分硬件的控制能力，因为uboot为了完成一些任务必须让一些硬件工作。譬如uboot要在刷机时LCD上显示进度条就必须驱动LCD。
  • SoC级就是SoC内部外设，板级就是SoC外面开发板上面的硬件

• uboot存在生命周期

  • uboot本质上是一个裸机程序，一旦uboot开始SoC就会单纯运行uboot，一旦uboot结束运行就无法再回到uboot
  • uboot入口为开机自动启动；出口为启动内核

3. uboot的工作方式

• 从裸机程序镜像uboot.bin说起
  • uboot的本质就是一个裸机程序，和裸机教程中的裸机程序xx.bin没有本质区别，区别主要在于文件大小，uboot在180k-400k之间
  • uboot本身为一个开源项目，由若干个.c文件和.h文件组成，配置编译之后会生成一个uboot.bin，这就是uboot这个裸机的镜像文件。然后镜像文件被合理的烧录到启动介质中拿去给SoC启动，即uboot在没有运行时表现为uboot.bin
  • uboot运行时会被加载到内存中，然后逐次拿给CPU去运行
• uboot的命令式shell界面
  • 有些程序需要人机交互，于是程序中就实现了一个shell
  • shell并不是操作系统，和操作系统一点关系都没有，裸机也可以有shell
• uboot使用的关键点：命令和环境变量
  • uboot启动后大部分时间和工作都是在shell下完成的。uboot部署系统要在shell下输入命令、要设置环境变量也需要在命令行下，要启动内核也要在命令行下输入命令
  • uboot中有几十个命令，其中一些常用，还可以自己给uboot添加命令
  • uboot的环境变量和操作系统的环境变量工作原理和方式几乎完全相同，uboot的驱动管理完全照抄了linux的驱动框架。系统或者程序在运行时可以通过读取环境变量来指导程序的运行。环境变量就是运行时的配置属性。

4. uboot常用命令

• 命令特点

  • 有些命令有简化的别名
    • printenv -> print
    • setenv -> set
  • 有些命令会带参数
    • 每个命令都有事先规定好的格式，可以通过help命令查看
  • 命令中的特殊符号（譬如单引号）
    • uboot有些命令带的参数非常长，为了告诉uboot这个非常长且中间有好多空格的语句为一整个参数，使用单引号将这个语句引起来
  • 有些命令是一个命令族（譬如movi)
    • 命令族的意思就是好多个命令开头都是用同一个命令关键字的，但是后面的参数不一样，这些命令的功能和作用也不同
    • 同一个命令族中所有的命令都有极大的关联，譬如movi开头的命令族都和moviNand（EMMC、iNand)操作有关。

• 常见命令

  • 打印环境变量：printenv/print

    • 命令不用带参数，打印出系统中所有的环境变量。环境变量被存储在Flash的一块专门区域，一旦程序中保存了该环境变量，下次开机时该环境变量的值将维持上一次更改保存后的值

  • 设置（添加/更改）环境变量：setenv/set

    • set name value

  • 保存环境变量的更改：saveenv/save

    • 不带参数，直接执行。是对整体环境变量的保存

  • 网络测试指令：ping

    • 步骤
      • 用网线将电脑和开发板连接
      • 设置电脑本地连接IPV4地址为192.168.1.10
      • 确认开发板中uboot里几个与网络相关的环境变量的值对不对。最重要的是ipaddr的地址必须与主机的IP地址在同一个网段内。(set ipaddr 192.168.1.xx)

  • tftp下载命令：tftp

    • uboot主要目标是启动内核，为了完成启动内核必须要能够部署内核，而内核镜像需要从主机中下载烧录到开发板的Flash中，下载镜像的主流方式为fastboot和tftp。fastboot的方式是通过usb线进行数据传输；tftp是通过网络传输的

    • tftp方式下载时uboot扮演的是tftp客户端程序角色，主机中必须有一个tftp服务器，然后将要下载的镜像文件放在服务器的下载目录中，然后在开发板中使用uboot的tftp命令去下载

    • 虚拟机和开发板ping通的步骤

      • 虚拟机处选择桥接方式

      • 在虚拟网络编辑器中设置为桥接到有线网卡

      • 在虚拟机中设置IP静态地址为192.168.1.102（修改/etc/network/interfaces文件中的内容）

      • 重启网络

        • sudo ifconfig eth0 down
          

        • sudo ifconfig eth0 up
          

      • 在虚拟机上搭建tftp的下载目录/tftpboot，将要被下载的镜像复制到这个目录下

      • 检查开发板uboot的环境变量，注意serverip必须设置与虚拟机Ubuntu的ip静态地址相同

    • 在开发板uboot中使用tftp命令下载虚拟机中的镜像

      • tftp 0x30000000 zImage-qt
        

      • 意思为将服务器上名为zImage-qt的文件下载到开发板内存的0x30000000地址处

    • 镜像下载到开发板DDR中后，uboot就可以用movi指令进行镜像的烧写了

  • SD卡/iNand操作指令：movi

    • 开发板如果用SD卡/EMMC/iNand等作为Flash，则在uboot中操作Flash用指令movi

    • movi指令是一个命令集，在uboot中可通过help movi查看

    • movi 的指令都是movi read和movi write一组的，movi read用来读取iNand到DDR上，movi write用来将DDR中的内容写入iNand中。

    • movi read {u-boot|kernel} {addr}
      

      上述命令为通用型描述方法：movi和read外面没有任何标记说明每一次使用这个指令都是必选的；一对大括号{ }括起来的部分必选1个，大括号中的|表示多选一，中括号[]表示可选参数（可以有，也可以没有）

      movi read u-boot 0x30000000
      

      上面的语句为：把iNand中的u-boot分区读出到DDR的0x30000000起始的位置处

  • NandFlash操作指令:nand

    • 操作方法完全类似于movi指令

  • 内存操作指令：mm、mw、md

    • DDR中是没有分区的，但是内存使用时千万不能越界，因为uboot是一个裸机程序，不像操作系统会由系统整体管理所有内存，则可能会出现程序的覆盖
    • md：memory display，显示内存中的内容
    • mw：memory write，将内容写到内存中
    • mm：memory modify，修改内存中的一块，会批量逐个修改

  • 启动内核指令：bootm、go

    • bootm启动内核同时给内核传参，而go命令启动内核不传参。
    • bootm是正宗的启动内核的命令，go命令本来不是专为启动内核设计的，go命令的实质是PC直接跳转到一个内存地址去运行而已。go命令可以用来在uboot中执行任何的裸机程序

5. uboot环境变量

• 如何理解环境变量

  • 环境变量有2份，一份在Flash中，一份在DDR中。uboot开机时一次性从Flash中读取全部环境变量到DDR中作为环境变量的初始化值，然后使用过程中都是用DDR中这一份，用户可以通过saveenv指令将DDR中的环境变量重新写入Flash中去更新Flash中环境变量。下次开机时又会从Flash中再读一次
  • 环境变量在uboot中是用字符串表示的，注意不要错别字，出现保存错误环境变量后set xxx消除并保存

• 自动运行命令设置：bootcmd

  • uboot在启动后会开机自动倒数bootdelay秒，如果没有打断则会自动启动内核
  • uboot中打印环境变量可以看到
    • bootcmd=movi read kernel 30008000
    • 上述语句意思为将iNand的kernel分区读取到DDR内存的0x30008000地址处，然后使用bootm启动命令从内存0x30008000处去启东内核

• uboot给kernel传参：bootargs

  • Linux内核启动时可以接收uboot给他传递的启动参数，这些参数使uboot和内核约定好的形式、内容，为了内核在不重新编译的情况下可以用不同的方式启动
  • 在uboot的环境变量中设置bootargs，然后bootm命令启动内核时会自动将bootargs传给内核
  • bootargs=console=ttySAC2,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw init=/linuxrc rootfstype=ext3
    • 意义解释：控制台使用串口2，波特率为115200
    • root=… 根文件系统在SD卡端口0设备（iNand）第2分区，根文件系统是可读可写的
    • init=… Linux的进程1（init进程）的路径
    • rootfstype=… 根文件系统的类型是ext3
  • 内核传参非常重要。在内核移植的时候，新手经常忘记给内核传参，或者给内核传递的参数不对，造成内核无法启动

• 新建、更改、删除一个环境变量的方法

  • 新建和更改
    • set var value
  • 删除
    • set var

• 修改完环境变量后一定要保存

6. uboot对Flash和DDR的管理

• uboot阶段的Flash分区
  • 所谓分区，就是对Flash进行分块管理
  • PC机等产品，都是在操作系统下使用硬盘的，整个硬盘由操作系统统一管理，使用者不用自己太在意分区问题
  • 在uboot中没有操作系统，对Flash的管理必须事先使用分区界定，在部署系统时按照分区界定方法来部署，uboot和kernel的软件中也是按照这个分区界定来工作就不会出错
  • 分区不是固定的，在一个移植中必须事先设计好定死。一般在设计系统移植时就会定好，定的标准是：uboot必须从Flash起始地址开始存放，uboot分区大小必须保证uboot肯定能放下，一般设计为512kb或者1MB；环境变量分区一般紧贴着uboot来存放，大小为32KB或多一点；kernel可以紧贴环境变量存放，大小一般为3MB或5MB或其他；rootfs紧贴着kernel；剩下的就是自动分区，一般kernel启动后将自由分区挂载到rootfs下使用
  • 总结
    • 各分区彼此相连
    • 整个Flash充分利用，从开头到结尾
    • uboot必须在Flash开头，其他分区相对位置可变
    • 各分区的大小由系统移植工程师来定
    • 分区在系统移植前确定好，在uboot中和kernel中使用同一个分区表
• uboot阶段DDR的分区
  • 因为Flash是掉电存在的，而DDR是掉电消失，因此可以说DDR是每次系统运行时才开始部署使用的
  • 内存的分区主要是在Linux内核启动之前，Linux内核启动后内核的内存管理模块会接管整个内存空间
  • 内存分区关键就在于内存中哪一块用来干什么必须分配好，以避免各个不同功能使用了同一块内存造成覆盖。