Bootloader加载过程分析
注:由于全志A10和A20在加载Bootloader过程方面基本一致,下面仅以A20叙述,但同时也适用于A10。另外在不需要区分Cubieboard1和Cubieboard2的情况下,统称为Cubieboard;另现在市面上一般所说的SD卡即为Micro SD Card,也就是TF卡,为区别于一般传统的SD卡,本文一般使用TF卡描述,但同于平时所说的SD卡。
A20的启动过程大概可分为5步:Boot ROM,SPL,Uboot,Kernel,RootFileSystem。本文关注的是镜像的加载和启动过程,分析Boot ROM→SPL→Uboot→Kernel的启动流程。
系统上电后,ARM处理器在复位时从地址0x000000开始执行指令,把板上ROM或Flash映射到这一地址。A20将启动设备选择程序固化在CPU内部的一个32KB ROM中,默认的启动时序为SD Card0,NAND FLASH,SD Card2,SPI NOR FLASH。另外通过外部的一个启动选择引脚可以使其跳转到USB启动模式。通常情况下,启动选择引脚状态连接50K内部上拉电阻。在上电后,执行存储在Boot ROM中的启动代码,将自动检测启动选择引脚状态。只有当该引脚状态为低电平时才选择USB启动模式。
在选择启动设备后将加载并执行bootloader程序,CPU通过拷贝或映射bootloader程序到内存,然后执行bootloader的第一条指令。通过阅读官方的uboot烧写方法,发现A20通过uboot引导系统之前先载入了uboot SPL。什么是SPL?通过查阅uboot的官网资料得知,SPL是一个迷你版的uboot,全拼为Second Program Loader。适用于SOC的内部SRAM<64K的情况,用它来加载完整的uboot程序到SDRAM,并通过完整uboot加载内核来启动系统。其中SRAM一般指CPU内部的L1/L2或外部的L2高速缓存,这里即为Boot ROM,而SDRAM一般指内存。
SPL程序流程如下:
- 初始化ARM处理器
- 初始化串口控制台
- 配置时钟和最基础的分频
- 初始化SDRAM
- 配置引脚多路复用功能
- 启动设备初始化(即上面选择的启动设备)
- 加载完整的uboot程序并转交控制权
启动设备选择程序的流程图:
搞清楚了上面的概念,可以知道Cubieboard出厂已经烧写了NandFlash中的程序,即在启动时使用的是NandFlash。现在根据全志A20上述步骤,我们尝试用SD Card0(即Cubieboard上卡槽中的TF卡)来启动系统。
环境准备
本文所使用的主机环境为kubuntu 12.10,然而一般情况下,下面涉及到的命令对基于Debian的(X)ubuntu系列都应该适用。
为不引起混淆,我们作如下约定:
- 工作目录为 $WORK_DIR
- 命令均以root用户执行
笔者的设定如下:
<span class="re2">WORK_DIR</span>=<span class="sy0">/</span>home<span class="sy0">/</span>itviewer<span class="sy0">/</span>src
下载必须的工具软件
<span class="kw2">apt-get install</span> build-essential libncurses5-dev u-boot-tools qemu-user-static debootstrap <span class="kw2">git</span> binfmt-support libusb-<span class="nu0">1.0</span>-<span class="nu0">0</span>-dev pkg-config <span class="kw2">apt-get install</span> gcc-arm-linux-gnueabihf
下载源码
从 github 下载 SPL,U-BOOT,Linux 内核源码。注意 linux-sunxi 超过 3.8G ,耗时最长。如果您曾经下载过这些代码,记得分别用 git pull 更新后再进行后续操作,因为代码仓库每天都有变化。
<span class="kw3">cd</span> <span class="re1">$WORK_DIR</span> <span class="kw2">git clone</span> git:<span class="sy0">//</span>github.com<span class="sy0">/</span>linux-sunxi<span class="sy0">/</span>u-boot-sunxi.git <span class="kw2">git clone</span> git:<span class="sy0">//</span>github.com<span class="sy0">/</span>cubieboard2<span class="sy0">/</span>linux-sunxi <span class="kw2">git clone</span> git:<span class="sy0">//</span>github.com<span class="sy0">/</span>linux-sunxi<span class="sy0">/</span>sunxi-tools.git <span class="kw2">git clone</span> git:<span class="sy0">//</span>github.com<span class="sy0">/</span>linux-sunxi<span class="sy0">/</span>sunxi-boards.git
编译uboot
<span class="kw3">cd</span> <span class="re1">$WORK_DIR</span><span class="sy0">/</span>u-boot-sunxi<span class="kw2">make</span> distclean <span class="re2">CROSS_COMPILE</span>=arm-linux-gnueabihf-<span class="kw2">make</span> Cubieboard2 <span class="re2">CROSS_COMPILE</span>=arm-linux-gnueabihf-
得到 u-boot-sunxi-with-spl.bin(同时生成的还有其它几个文件,这里我们只用该文件,注意上面Cubieboard2,最新代码需要首字母大写)
编译kernel
<span class="kw3">cd</span> <span class="re1">$WORK_DIR</span><span class="sy0">/</span>linux-sunxi<span class="kw2">make</span> <span class="re2">ARCH</span>=arm <span class="re2">CROSS_COMPILE</span>=arm-linux-gnueabihf- cubieboard2_defconfig<span class="kw2">make</span> <span class="re2">ARCH</span>=arm <span class="re2">CROSS_COMPILE</span>=arm-linux-gnueabihf- <span class="re5">-j4</span> uImage modules
得到内核文件 arch/arm/boot/uImage(还有其它内核模块,这里暂时没有用到)
生成 boot.scr和script.bin
在将uboot和kernel烧写到TF卡之前,我们需要先编译生成两个启动参数文件:boot.scr和script.bin。
生成 boot.scr
boot.scr是什么?
根据资料描述(https://github.com/linux-sunxi/u-boot-sunxi/wiki#bootscr-support),u-boot在启动的时候会在第一个分区(FAT/extX格式)寻找/boot.scr或者/boot/boot.scr文件,boot.scr中可以包含用于载入script.bin,kernel,initrd(可选)以及设置内核启动参数的uboot命令。
boot.scr如何生成?
在$WORK_DIR目录新建 boot.cmd 文件,添加以下内容:
setenv bootargs console<span class="sy0">=</span>ttyS0<span class="sy0">,</span><span class="nu0">115200</span> noinitrd disp<span class="sy0">.</span>screen0_output_mode<span class="sy0">=</span>EDID<span class="sy0">:</span>1280x1024p60 init<span class="sy0">=/</span>init root<span class="sy0">=/</span>dev<span class="sy0">/</span>mmcblk0p2 rootfstype<span class="sy0">=</span>ext4 rootwait panic<span class="sy0">=</span><span class="nu0">10</span> $<span class="br0">{</span>extra<span class="br0">}</span>
fatload mmc <span class="nu0">0</span> <span class="nu12">0x43000000</span> boot<span class="sy0">/</span>script<span class="sy0">.</span>bin
fatload mmc <span class="nu0">0</span> <span class="nu12">0x48000000</span> boot<span class="sy0">/</span>uImage
bootm <span class="nu12">0x48000000</span>
详细解释:
1.上述第一行设置uboot的bootargs启动参数,格式为 参数=值,不同参数使用空格分开,其中
- console=ttyS0,115200 含义为使用特定的串口ttyS0,波特率为 115200
- noinitrd 含义为不使用ramdisk(内存磁盘)
- init=/init 含义为内核启起来后,进入系统中运行的第一个脚本
- root=/dev/mmcblk0p2 含义为指定rootfs的位置为TF卡第二个分区
- rootfstype=ext4 含义为根文件系统类型
- rootwait 含义为等待设备/dev/mmcblk0p2就绪后才尝试挂载rootfs
- panic=10 传递内核参数,当遇到panic(内核严重错误)时等待10秒后重启
- screen0_output_mode 设置合适的屏幕显示分辨率
更多的参数可以通过查看Linux内核源码目录下Documentation/kernel-parameters.txt文件了解
2.第二行和第三行为将script.bin和内核uImage加载到指定内存地址。fatload是U-Boot中装载linux kernel 到内存的指令。
基本用法:fatload <interface> <dev[:part]> <addr> <filename> <bytes>
- interface:所用到接口,如:MMC、USB
- dev [:part]: 文件存放的设备 如:ide 0:1
- addr: 装载到内存的开始地址。
- filename: 装载的文件名称。
- bytes: copy的字节数.
3.第四行bootm 用于将内核映像加载到指定的地址
保存文件后,执行以下命令生成boot.scr:
mkimage <span class="sy0">-</span>C none <span class="sy0">-</span>A arm <span class="sy0">-</span>T script <span class="sy0">-</span>d boot<span class="sy0">.</span>cmd boot<span class="sy0">.</span>scr
生成 script.bin
script.bin是什么?
script.bin是被全志SOC内核驱动或LiveSuit使用的针对特定目标板的二进制配置文件,包含如何设置基于A10/A20目标版的各种外设,端口,I/O针脚信息。
其对应的可读文本文件格式为FEX,可以利用 Sunxi-tools在二进制和文本文件之间进行转换。更多关于FEX配置的信息可以参考http://linux-sunxi.org/Fex_Guide
script.bin如何生成?
首先需要编译sunxi-tools:
<span class="kw3">cd</span> <span class="re1">$WORK_DIR</span><span class="sy0">/</span>sunxi-tools <span class="kw2">make</span>
得到fex2bin、bin2fex等文件,其中fex2bin能把 *.fex 文件生成 *.bin文件。反之bin2fex可以将得到的*.bin文件生成可读的*.fex文件。
然后编译生成script.bin:
<span class="kw3">cd</span> <span class="re1">$WORK_DIR</span><span class="sy0">/</span>sunxi-boards<span class="sy0">/</span>sys_config<span class="sy0">/</span>a20 <span class="re1">$WORK_DIR</span><span class="sy0">/</span>sunxi-tools<span class="sy0">/</span>fex2bin cubieboard2.fex script.bin
烧写uboot和kernel到TF卡
上面罗嗦了这么多,其实就是为了将uboot和kernel烧写到TF卡上并能够启动,OK,让我们先从分区开始:
A20 芯片上电启动的时候,会读取SD卡最前面的 1M 内容,从而得到 bootloader,所以我们需要把 u-boot 写到SD卡的前1M区间。
其中详细的SD卡布局如下:
起始 | 大小 | 用途 |
---|---|---|
0 | 8KB | 存放分区表等内容 |
8 | 24KB | SPL loader |
32 | 512KB | u-boot |
544 | 128KB | environment |
672 | 352KB | 保留 |
1024 | - | 用于剩余分区 |
接下来,我们开始使用fdisk进行分区(由于sfdisk对部分TF不兼容,故除非你真的知道怎么用sfdisk,否则不要使用):
将TF卡插到电脑上并确认设备名,为不至于混淆,我们使用sdX代替,您需要根据自己的情况修改,如sdb:
<span class="re2">card</span>=<span class="sy0">/</span>dev<span class="sy0">/</span>sdX <span class="kw2">dd</span> <span class="re2">if</span>=<span class="sy0">/</span>dev<span class="sy0">/</span>zero <span class="re2">of</span>=<span class="co1">${card}</span> <span class="re2">bs</span>=1M <span class="re2">count</span>=<span class="nu0">1</span> <span class="co0"># 把SD卡前1M的区域填充为0,预留给 u-boot</span> sfdisk <span class="re5">-R</span> <span class="co1">${card}</span> <span class="co0"># 重新读取${card}</span> <span class="kw2">fdisk</span> <span class="co1">${card}</span> <span class="co0">#使用fdisk进行分区</span>
具体分区步骤如下:
建立第一个分区
root@kubuntu:~/src/u-boot-sunxi# fdisk ${card} Device contains neither a valid DOS partition table, nor Sun, SGI or OSF disklabel Building a new DOS disklabel with disk identifier 0x911332e8. Changes will remain in memory only, until you decide to write them. After that, of course, the previous content won't be recoverable.Warning: invalid flag 0x0000 of partition table 4 will be corrected by w(rite)Command (m for help): n #键入n然后回车 Partition type:p primary (0 primary, 0 extended, 4 free)e extended Select (default p): #直接回车 Using default response p Partition number (1-4, default 1): #直接回车 Using default value 1 First sector (2048-15278079, default 2048): #直接回车 Using default value 2048 Last sector, +sectors or +size{K,M,G} (2048-15278079, default 15278079): +64M #键入+64M后回车,即分区大小为64M
建立第二个分区
Command (m for help): n #键入n然后回车 Partition type:p primary (1 primary, 0 extended, 3 free)e extended Select (default p): #直接回车 Using default response p Partition number (1-4, default 2): #直接回车 Using default value 2 First sector (133120-15278079, default 133120): #直接回车 Using default value 133120 Last sector, +sectors or +size{K,M,G} (133120-15278079, default 15278079): #直接回车,即第二个分区使用全部剩余空间 Using default value 15278079
接下来指定分区类型:
Command (m for help): t #键入t然后回车 Partition number (1-4): 1 #键入1然后回车,即指定第一个分区 Hex code (type L to list codes): c #键入c然后回车,即指定第一个分区为vfat Changed system type of partition 1 to c (W95 FAT32 (LBA))Command (m for help): w #键入w然后回车,保存分区表 The partition table has been altered!Calling ioctl() to re-read partition table. Syncing disks.
格式化分区:
mkfs.vfat <span class="co1">${card}</span><span class="nu0">1</span> mkfs.ext4 <span class="co1">${card}</span><span class="nu0">2</span> <span class="co0">#需要稍等片刻</span>
然后写入bootloader:
<span class="kw3">cd</span> <span class="re1">$WORK_DIR</span><span class="sy0">/</span>u-boot-sunxi <span class="kw2">dd</span> <span class="re2">if</span>=u-boot-sunxi-with-spl.bin <span class="re2">of</span>=<span class="re1">$card</span> <span class="re2">bs</span>=<span class="nu0">1024</span> <span class="re2">seek</span>=<span class="nu0">8</span>
最后安装内核 uImage,设置启动参数:
<span class="kw2">mount</span> <span class="co1">${card}</span><span class="nu0">1</span> <span class="sy0">/</span>mnt <span class="kw2">mkdir</span> <span class="sy0">/</span>mnt<span class="sy0">/</span>boot <span class="kw2">cp</span> <span class="re1">$WORK_DIR</span><span class="sy0">/</span>linux-sunxi<span class="sy0">/</span>arch<span class="sy0">/</span>arm<span class="sy0">/</span>boot<span class="sy0">/</span>uImage <span class="sy0">/</span>mnt<span class="sy0">/</span>boot <span class="kw2">cp</span> <span class="re1">$WORK_DIR</span><span class="sy0">/</span>sunxi-boards<span class="sy0">/</span>sys_config<span class="sy0">/</span>a20<span class="sy0">/</span>script.bin <span class="sy0">/</span>mnt<span class="sy0">/</span>boot <span class="kw2">cp</span> <span class="re1">$WORK_DIR</span><span class="sy0">/</span>boot.scr <span class="sy0">/</span>mnt<span class="sy0">/</span> <span class="kw2">sync</span> <span class="sy0">&&</span> <span class="kw2">umount</span> <span class="sy0">/</span>mnt
至此,启动到linux内核的工作已经完成,接下来我们就可以观看linux内核启动过程、进行内核调试了。
打印串口调试信息
通过查看串口输出信息,可以方便我们判断问题所在,进而找到解决问题的方法。
在linux和windows下有多种串口调试工具可供使用,这里仅给出两篇参考文章:
- http://linux-sunxi.org/Cubieboard/TTL
- http://cn.cubiebook.org/index.php?title=Cubieboard/串口调试
这里附上笔者的串口输出信息:http://mer.jolladev.net/data/media/cutecom.txt
信息结尾由于无法挂载根文件系统、启动init而等待10秒后重启。
总结
本文参考了众多网络内容,在后面列出了主要文章地址,在此一并感谢。
之所以写这篇内容,是因为从本人入手cubieboard2以来,通过苦寻资料,在各种痛苦与错误的尝试中不断走上了”正道“,深知对于一个没有嵌入式开发基础或开发经验的普通玩家而言,想把各种环节搞清楚是一件很难的事情,故通过大量引用、参考网络内容加上自己的摸索,总结出该文,以期望对新的玩家能够有所帮助;就嵌入式linux而言,整个 加电——启动bootloader——启动内核——加载rootfs流程对于新手会感到非常的模糊,而不知如何下手。本篇内容尽可能详细的描述了利用cubieboard从加电到启动linux内核的整个操作过程,为进一步学习如何构建一个可运行的linux系统打下了基础。后面,将会在此基础上继续介绍如何进一步挂载跟文件系统,启动到shell甚至GUI图形界面,从而构建一个完整、可用的linux系统。
参考
- http://linux-sunxi.org/Bootable_SD_card
- http://linux-sunxi.org/Boot
- https://github.com/linux-sunxi/u-boot-sunxi/wiki
- http://cn.cubieboard.org/forum.php?mod=viewthread&tid=1108&extra=page%3D1
- http://blog.csdn.net/yichunjie/article/details/8661176
- http://blog.csdn.net/abc47bca/article/details/6306005
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