对于ARM的启动，系统升级，烧写过程和文件系统等方面的总结分析

本文所述的ARM的指的是Cortex A系列以及ARM9，ARM11，跑Linux操作系统。对于CortexM系列并不一定完全适用；

谈到ARM以及启动和烧写等方面，首先我们要明确一下几个关键词：Uboot，Cmdline，启动方式选择，文件系统格式，存储介质，如NAND，EMMC，SD卡等

下面一个一个做相关介绍：

启动方式：

1. 一般CPU都可以配置为从多种介质启动，比如SPI Nor Flash，NAND，EMMC，SD卡，U盘等
2. 大致原理是CPU内部ROM有一段固化的启动代码，根据CPU配置引脚，判断启动位置，然后从外部介质读取数据启动
3. 一般启动介质的前一部分代码的作用必须是：初始化硬件参数，自身拷贝
4. 关于自拷贝：因为CPU内部RAM很小，因此只能读取一部分启动介质的数据即Uboot到内部RAM运行，所以Uboot前一部分的工作需要将自身剩余部分拷贝到外部RAM中，然后加载运行

Uboot：

1. 主要作用：引导Linux系统（主要是从存储介质的哪个地方读取Kernel，传递什么样的启动参数）
2. 其他功能：支持很多命令，主要是存储控制和网络命令，最终目的还是引导和升级系统用
3. 常用操作：TFTP，NAS，Flash操作，UBI操作，Setenv，boot等
4. 一般升级系统流程：使用tftp方式从主机下载kernel及文件系统等文件，然后使用flash等命令烧写到存储介质如NAND，最后设定启动参数，然后引导系统启动；
5. 一般调试流程，介绍2种：
   1. 使用NAS从主机直接加载文件系统，直接在线调试，快捷方便
   2. 设定从SD卡启动，从SD卡加载kernel和文件系统调试

CMDLINE:

1. 一般由Uboot传递给Kernel，或者Kernel中配置写死不过一般很少见
2. 主要2个参数：
   1. 第一，指定console设备，用于打印输出及做控制台用
   2. 第二，指定rootfs挂载分区和类型
3. 看2个例子：
   1. 从NAND启动，/proc/cmdline，加载的是UBI文件系统，位置在mtd3

      console=ttymxc0,115200 ubi.mtd=3 root=ubi0:rootfs rootfstype=ubifs mtdparts=gpmi-nand:5m(boot),10m(kernel),1m(dtb),-(rootfs)

   2. 从SD卡启动，/proc/cmdline，加载的是ext4文件系统，位置在sd卡第二分区mmcblk0p2

      console=ttymxc0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rootwait rw rootdelay=5 mem=256M fstype=ext4 mtdparts=gpmi-nand:5m(boot),10m(kernel),1m(dtb),-(rootfs)

存储介质：

主要介绍Raw  Flash 及 FTL devices区别

Flash特点：写入前需要先擦除，有寿命且不长，而且容易产生坏块

RAW Flash：即裸芯片，没有控制器，针对其主要操作有擦除，读和写

FTL Device： 在裸芯片上加了控制器，比如SD卡，U盘等；加了控制器后，只需要读和写就行了，不需要擦除。控制器做了一系列的工作：擦除，磨损平衡，磨损算法等等，一个控制器算法的好坏直接决定了设备的使用寿命。

文件系统：

1. FAT：windows常用文件系统，一般U盘，sd卡即为fat格式
2. ext2/3/4，Linux常用文件系统，一般用于FTL Device，即只有读和写
3. JFFS2，Linux常用，一般用于容量较小的Flash，且是Raw Flash，MTD设备
   
4. UBIFS，Linux常用文件系统，只能用于Raw Flash，因为kernel ubi子系统，有相关的磨损平衡算法，可以保证效率
5. SD卡启动，文件系统挂载情况：

   # mount
   /dev/root on / type ext4 (rw,noatime,data=ordered)
   proc on /proc type proc (rw,nosuid,nodev,noexec,noatime)
   sysfs on /sys type sysfs (rw,nosuid,nodev,noexec,noatime)
   tmpfs on /tmp type tmpfs (rw,nosuid,nodev,noatime)
   tmpfs on /dev type tmpfs (rw,nosuid,relatime,size=512k,mode=755)
   devpts on /dev/pts type devpts (rw,nosuid,noexec,relatime,mode=600)
   debugfs on /sys/kernel/debug type debugfs (rw,noatime)
   #
   # cat /proc/mtd
   dev:    size   erasesize  name
   mtd0: 00500000 00020000 "boot"
   mtd1: 00a00000 00020000 "kernel"
   mtd2: 00100000 00020000 "dtb"
   mtd3: 0f000000 00020000 "rootfs"
   
   

6. NAND启动，文件系统挂载情况：

   # mount
   ubi0:rootfs on / type ubifs (rw,relatime)
   devtmpfs on /dev type devtmpfs (rw,relatime,size=89164k,nr_inodes=22291,mode=755)
   proc on /proc type proc (rw,relatime)
   devpts on /dev/pts type devpts (rw,relatime,gid=5,mode=620)
   tmpfs on /dev/shm type tmpfs (rw,relatime,mode=777)
   tmpfs on /tmp type tmpfs (rw,relatime)
   tmpfs on /run type tmpfs (rw,nosuid,nodev,relatime,mode=755)
   sysfs on /sys type sysfs (rw,relatime)
   #
   # cat /proc/mtd
   dev:    size   erasesize  name
   mtd0: 00500000 00020000 "boot"
   mtd1: 00a00000 00020000 "kernel"
   mtd2: 00100000 00020000 "dtb"
   mtd3: 0f000000 00020000 "rootfs"
   

   
   
   

烧写过程：

1. 一般从SD卡等外部方式启动，在Uboot中，使用flash命令及UBI命令分别烧写uboot，dtb，kernel，rootfs到对应的分区即可
2. 第二使用芯片厂家的烧写工具，如nxp的 mfgtoos，在pc上通过usb烧写文件
3. 如已有uboot，在uboot中从sd卡，U盘等读取文件烧写；或tftp从pc下载文件烧写

升级过程：

1. 此升级指的是Uboot OK的前提下做Uboot，kernel，rootfs等升级
2. 通过SD卡升级，一般是首先在PC上制作SD卡启动分区，通过官方的工具烧写升级文件到SD卡即可；此处的升级文件分两个方面：
   1. 最小升级内核，并且包含升级脚本，此脚本会将目标文件烧写到存储介质中
   2. 目标升级文件，即要烧写到比如NAND中的文件
3. 以NXP SD卡升级为例说明此过程：
   1. 首先是Uboot启动过程：

      U-Boot 2016.03-mys-imx6ulx+gca7b81f (Apr 27 2017 - 07:55:51 +0800)
      
      CPU:   Freescale i.MX6ULL rev1.0 528 MHz (running at 396 MHz)
      CPU:   Commercial temperature grade (0C to 95C) at 39C
      Reset cause: POR
      Board: MX6ULL 14x14 EVK
      I2C:   ready
      DRAM:  512 MiB
      MMC:   FSL_SDHC: 0, FSL_SDHC: 1
      *** Warning - bad CRC, using default environment
      
      Display: TFT43AB (480x272)
      Video: 480x272x24
      In:    serial
      Out:   serial
      Err:   serial
      switch to partitions #0, OK
      mmc0 is current device
      Net:   Board Net Initialization Failed
      No ethernet found.
      Normal Boot
      Hit any key to stop autoboot:  0
      switch to partitions #0, OK
      mmc0 is current device
      switch to partitions #0, OK
      mmc0 is current device
      reading boot.scr
      423 bytes read in 10 ms (41 KiB/s)
      Running bootscript from mmc ...
      ## Executing script at 80800000
      reading zImage
      6789824 bytes read in 302 ms (21.4 MiB/s)
      reading mys-imx6ull-14x14-evk-gpmi-weim.dtb
      36951 bytes read in 20 ms (1.8 MiB/s)
      Kernel image @ 0x83000000 [ 0x000000 - 0x679ac0 ]
      ## Flattened Device Tree blob at 84000000
         Booting using the fdt blob at 0x84000000
         Using Device Tree in place at 84000000, end 8400c056
      
      Starting kernel ..

   2. 最小系统加载启动完毕后，运行升级脚本
      

   3. VFS: Mounted root (ext4 filesystem) on device 179:2.
      devtmpfs: mounted
      Freeing unused kernel memory: 432K (80b54000 - 80bc0000)
      INIT: version 2.88 booting
      Starting udev
      udevd[114]: starting version 3.1.5
      random: udevd urandom read with 32 bits of entropy available
      EXT4-fs (mmcblk0p2): re-mounted. Opts: data=ordered
      bootlogd: cannot allocate pseudo tty: No such file or directory
      FAT-fs (mmcblk0p1): Volume was not properly unmounted. Some data may be corrupt. Please run fsck.
      ALSA: Restoring mixer settings...
      /usr/sbin/alsactl: load_state:1735: No soundcards found...
      INIT: Entering runlevel: 5
      Starting system message bus: dbus.
      
      System update start ...
      prepare files are okay

      
      
      
   4. 升级脚本分析：

   5. root@mys6ull14x14:/run/media/mmcblk0p2# cat usr/bin/flash_nand.sh
      #!/bin/sh
      part_uboot=0
      part_kernel=1
      part_dtb=2
      part_rootfs=3
      
      echo heartbeat > /sys/class/leds/user/trigger
      
      mfg_path=/run/media/mmcblk0p1/mfg-images  
      
      //升级目标文件
      
      uboot=${mfg_path}/u-boot.imx 
      kernel=${mfg_path}/zImage
      dtb=${mfg_path}/gpmi-weim.dtb
      rootfs=${mfg_path}/core-image-base.rootfs.tar.xz
      
      if [ -d $mfg_path ] && [ -s $uboot ] && [ -s $kernel ] && [ -s $dtb ] && [ -s $rootfs ]
      then
          echo "prepare files are okay"
      else
          echo 0 > /sys/class/leds/user/brightness
          echo "file or directory not exist"
      fi
      
      直接使用Flash命令烧写Uboot到对应分区
      echo "Flashing uboot"
      flash_erase /dev/mtd${part_uboot} 0 0 && kobs-ng init -x -v ${uboot}
      if [ $? -eq 0 ]
      then
          echo "Flash uboot okay"
      else
          echo "Flash uboot failed"
          echo 0 > /sys/class/leds/user/brightness
          exit
      fi
      
      直接使用Flash命令烧写kernel到对应分区
      
      
      echo "Flashing kernel"
      flash_erase /dev/mtd${part_kernel} 0 0 && nandwrite -p /dev/mtd${part_kernel} -p ${kernel}
      if [ $? -eq 0 ]
      then
          echo "Flash kernel okay"
      else
          echo "Flash kernel failed"
          echo 0 > /sys/class/leds/user/brightness
          exit
      fi
      
      直接使用Flash命令烧写dtb到对应分区
      
      echo "Flashing dtb"
      flash_erase /dev/mtd${part_dtb} 0 0 && nandwrite -p /dev/mtd${part_dtb} -p ${dtb}
      if [ $? -eq 0 ]
      then
          echo "Flash dtb file okay"
      else
          echo "Flash dtb file failed"
          echo 0 > /sys/class/leds/user/brightness
          exit
      fi
      
      烧写rootfs比较特别，此处是使用ubifs，因此需要先使用ubi命令在NAND上建立好文件系统格式
      
      echo "Flashing rootfs"
      flash_erase /dev/mtd${part_rootfs} 0 0
      if [ $? -ne 0 ]
      then
          echo "erase /dev/mtd${part_rootfs} fail"
          echo 0 > /sys/class/leds/user/brightness
          exit
      fi
      
      ubiformat /dev/mtd${part_rootfs}
      if [ $? -ne 0 ]
      then
          echo "format /dev/mtd${part_rootfs} fail"
          echo 0 > /sys/class/leds/user/brightness
          exit
      fi
      
      ubiattach /dev/ubi_ctrl -m ${part_rootfs}
      if [ $? -ne 0 ]
      then
          echo "attach /dev/mtd${part_rootfs} fail"
          echo 0 > /sys/class/leds/user/brightness
          exit
      fi
      
      ubimkvol /dev/ubi0 -Nrootfs -m
      if [ $? -ne 0 ]
      then
          echo "make volume /dev/mtd${part_rootfs} fail"
          echo 0 > /sys/class/leds/user/brightness
          exit
      fi
      
      mkdir -p /run/media/mtd${part_rootfs} \
       && mount -t ubifs ubi0:rootfs /run/media/mtd${part_rootfs}
      if [ $? -ne 0 ]
      then
          echo "mount /dev/mtd${part_rootfs} fail"
          echo 0 > /sys/class/leds/user/brightness
          exit
      fi
      
      建立好ubi格式之后，直接将rootfs压缩包解压到对应分区即可；
      
      tar xvf ${rootfs} -C /run/media/mtd${part_rootfs}
      if [ $? -eq 0 ]
      then
          echo "Flash filesystem okay"
          sync && sync && sync
          echo none > /sys/class/leds/user/trigger
          echo 1 > /sys/class/leds/user/brightness
      else
          echo "Flash filesystem failed"
          echo 0 > /sys/class/leds/user/brightness
          umount /run/media/mtd${part_rootfs}
          exit
      fi
      umount /run/media/mtd${part_rootfs}
      echo "Programming success"
      echo "You need reboot the board"