【树莓派学习笔记】树莓派4B上运行uboot并从网络启动linux内核（上）

【树莓派学习笔记】树莓派4B上运行uboot并从网络启动linux内核（上）

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参考：https://hechao.li/2021/12/20/Boot-Raspberry-Pi-4-Using-uboot-and-Initramfs/

前言

树莓派的多数教程上，都是将linux系统下载进入SD，并从SD卡启动。但是对于编写linux驱动这种特定场景来说，每次更改都要把改动拷贝进入U盘实在太过繁琐，严重打击学习热情。所以本文通过在树莓派上运行uboot，并通过uboot网络启动linux内核的方式解决上述问题。

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1. 硬件需求与软件版本汇总

1.1 硬件需求

• 树莓派4B（内存大小不限）
• linux桌面端运行环境，本文使用虚拟机安装ubuntu20.04.
• SD卡和读卡器
• CH340 USB转TTL模块（可选）
• 杜邦线（至少三根）（可选）

1.2 软件版本汇总

• crosstool-NG 1.24.0
• u-boot v2021.10
• linux rpi-5.17.y
• busybox-1.33.2

2. 前期准备

SD卡仅用来存储树莓派的启动引导文件，uboot的执行文件以及设备树文件。

2.1 查找SD卡的设备名

linux命令如下：

$ dmesg | tail

命令窗口输出如下：

[ 2719.343068] sd 33:0:0:1: [sdc] 60751872 512-byte logical blocks: (31.1 GB/29.0 GiB)
[ 2719.345290] sd 33:0:0:1: [sdc] Write Protect is off
[ 2719.345294] sd 33:0:0:1: [sdc] Mode Sense: 21 00 00 00
[ 2719.353076] sd 33:0:0:1: [sdc] Write cache: disabled, read cache: enabled, doesn’t support DPO or FUA
[ 2719.359180] sd 33:0:0:0: [sdb] Attached SCSI removable disk
[ 2719.587175] sdc: sdc1 sdc2
[ 2719.612387] sd 33:0:0:1: [sdc] Attached SCSI removable disk
[ 2720.761882] FAT-fs (sdc1): Volume was not properly unmounted. Some data may be corrupt. Please run fsck.
[ 2735.040898] EXT4-fs (sdc2): recovery complete
[ 2735.049551] EXT4-fs (sdc2): mounted filesystem with ordered data mode. Opts: (null). Quota mode: none.

从上图可知，新插入的SD的卡设备为sdc，接下来我们将对SD卡进行格式化及分区。

2.2 删除原有的分区

2.2.1 fdisk命令如下：

$ sudo fdisk /dev/sdc

注：其中sdc为2.1.1章节中获取的设备名称，需要更换为自己的设备名称
命令窗口输出：

Welcome to fdisk (util-linux 2.34).
Changes will remain in memory only, until you decide to write them.
Be careful before using the write command.
Command (m for help):

2.2.2 删除原有分区：

Command (m for help): d

Command (m for help): d
Partition number (1,2, default 2):

2.2.3 直接回车确认

Partition 2 has been deleted.

2.2.4 继续删除：

Command (m for help): d

仅剩一个分区，不会询问Partition number：

Command (m for help): d
Selected partition 1
Partition 1 has been deleted.

2.2.5 查看SD卡基本信息：

Command (m for help): p

Command (m for help): p
Disk /dev/sdc: 28.99 GiB, 31104958464 bytes, 60751872 sectors
Disk model: MassStorageClass
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0x638274e3

2.2.6 保存并退出：

Command (m for help): w

• 如果出现如下信息，则未删除成功，需要先将挂载的设备卸载。

Command (m for help): w
The partition table has been altered.
Failed to remove partition 1 from system: Device or resource busy
Failed to remove partition 2 from system: Device or resource busy
The kernel still uses the old partitions. The new table will be used at the next reboot.
Syncing disks.

查找挂载的设备：

lsblk -f | grep sdc

注：其中sdc为2.1.1章节中获取的设备名称，需要更换为自己的设备名称

sdc
├─sdc1 vfat system-boot B084-2C85 147.5M 41% /media/fyh/system-boot
└─sdc2 ext4 writable a6ba7311-aab8-46ea-aad2-6a42bf57300d 24.9G 9% /media/fyh/writable

其中/media/fyh/***/字段为挂载设备，本例中为/media/fyh/system-boot与/media/fyh/writable。
卸载设备：

sudo umount /media/fyh/system-boot /media/fyh/writable 

注：其中**/fyh/system-boot与/fyh/writable**为本小节中获取的文件名称，需要更换为自己的

2.3 增加两个分区

2.3.1 fdisk命令如下：

$ sudo fdisk /dev/sdc

注：其中sdc为2.1.1章节中获取的设备名称，需要更换为自己的设备名称
命令窗口输出：

Welcome to fdisk (util-linux 2.34).
Changes will remain in memory only, until you decide to write them.
Be careful before using the write command.
Command (m for help):

2.3.2 新建第一个分区：

Command (m for help): n

一路回车：

Welcome to fdisk (util-linux 2.34).
Changes will remain in memory only, until you decide to write them.
Be careful before using the write command.
Command (m for help): n
Partition type
p primary (0 primary, 0 extended, 4 free)
e extended (container for logical partitions)
Select (default p):
Using default response p.
Partition number (1-4, default 1):
First sector (2048-60751871, default 2048):
Last sector, +/-sectors or +/-size{K,M,G,T,P} (2048-60751871, default 60751871):

分区大小100M，下一个选项Y：

Last sector, +/-sectors or +/-size{K,M,G,T,P} (2048-60751871, default 60751871): +100M
…
Do you want to remove the signature? [Y]es/[N]o: Y

Last sector, +/-sectors or +/-size{K,M,G,T,P} (2048-60751871, default 60751871): +100M
Created a new partition 1 of type ‘Linux’ and of size 100 MiB.
Partition #1 contains a vfat signature.
Do you want to remove the signature? [Y]es/[N]o: Y
The signature will be removed by a write command.

2.3.3 新建第二个分区全部回车默认选项：

Command (m for help): n

Command (m for help): n
Partition type
p primary (1 primary, 0 extended, 3 free)
e extended (container for logical partitions)
Select (default p):
Using default response p.
Partition number (2-4, default 2):
First sector (206848-60751871, default 206848):
Last sector, +/-sectors or +/-size{K,M,G,T,P} (206848-60751871, default 60751871):
Created a new partition 2 of type ‘Linux’ and of size 28.9 GiB.

保存并退出：

Command (m for help): w

Command (m for help): w
The partition table has been altered.
Calling ioctl() to re-read partition table.
Syncing disks.

2.4 格式化分区

# 第一个分区初始化为fat32格式
sudo mkfs.vfat -F 32 -n boot /dev/sdc1
# 第二个分区初始化为ext4格式
sudo mkfs.ext4 -L root /dev/sdc2

注：其中sdc为2.1.1章节中获取的设备名称，需要更换为自己的设备名称

2.5 挂载分区

sudo mount /dev/sdc1 /mnt/boot
sudo mount /dev/sdc2 /mnt/root

注：其中sdc为2.1.1章节中获取的设备名称，需要更换为自己的设备名称。
如果boot和root目录不存在请事先创建一下

sudo mkdir /mnt/boot
sudo mkdir /mnt/root

3. 构建交叉工具链

通常我们的PC机一般是X86架构的，而树莓派4B是arm架构的，由于架构的差异导致在PC上编译生成的可执行文件无法在树莓派上直接运行。虽然我们也可以直接在树莓派4B上编译，但是通常PC相对树莓派来说有性能优势。交叉编译工具就是可以用PC的性能编译出树莓派上可直接运行的工具。
本例中使用crosstool-NG构建适用于树莓派ARM的交叉工具链。
建议在开始前一个树莓派专用的文件夹，用于存放所有工具及文件。

#在用户目录建立文件夹
mkdir ~/raspberry4B
#进入该文件夹
cd ~/raspberry4B

3.1 安装必要组件

# 安装必要的组件
$ sudo apt install gperf bison flex texinfo help2man gawk automake libncurses5-dev python3-dev -y

3.2 下载 crosstool-NG源码

运行以下命令时，可先进入想下载安装目录。

$ git clone https://github.com/crosstool-ng/crosstool-ng
$ cd crosstool-ng/
# 切换到1.25.0分支
$ git checkout crosstool-ng-1.25.0 -b 1.25.0

3.3 构建并安装crosstool-NG

$ ./bootstrap
$ ./configure --prefix=${PWD}
$ make
$ make install
# 将编译工具加入环境变量
$ export PATH="${PWD}/bin:${PATH}"

3.4 配置corsstool-NG

# 查看可构建的交叉编译器
$ ct-ng list-samples
# 使用aarch64-rpi4-linux-gnu编译器
$ ct-ng aarch64-rpi4-linux-gnu

3.5 构建工具链

$ ct-ng build

4. u-boot

u-boot是一种bootloader，类似于PC中的BIOS，用于引导linux内核的运行。本章主要介绍u-boot的源码下载，配置，编译与生成可执行文件的过程。

4.1 下载u-boot源码

# 回到树莓派目录
$ cd ~/raspberry4B
$ git clone git://git.denx.de/u-boot.git
$ cd u-boot
# 切换到v2021.10分支
$ git checkout v2021.10 -b v2021.10

4.2 配置并编译u-boot

# 将aarch64-rpi4-linux-gnu交叉编译器的路径作为环境变量
$ export PATH=${HOME}/x-tools/aarch64-rpi4-linux-gnu/bin/:$PATH
# 选择树莓派4的参数做配置
$ make CROSS_COMPILE=aarch64-rpi4-linux-gnu- rpi_4_defconfig
# 编译生成可执行文件
$ make CROSS_COMPILE=aarch64-rpi4-linux-gnu- -j4

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未完待续

下半篇内容：

• u-boot在树莓派上的运行
• linux内核的配置与编译
• 根文件系统的构建
• u-boot启动变量的设置
• 内核启动与串口控制台