BeagleBone Black 移植U-Boot (2 MLO、U-Boot)

本是古典何须时尚 2022-05-13 15:44 212阅读 0赞

## 原文：jexbat.com/categories/BeagleBone/ ##

## 什么是 U-Boot ##

熟悉嵌入式开发的应该都听过它，U-boot 就是启动系统前的一段引导程序，虽然是引导程序，但是功能非常强大。

**这一篇主要讲解如何从无到有运行 U-Boot，关于 U-Boot 引导 Linux 的部分放在另外一篇文章讲解。**

U-Boot 之前的版本以版本号命名如：0.1.0, 0.2.0 这几年改为了以时间和日期命名：U-Boot 2016.03。

使用 git 获得 U-Boot 的源码：

git clone git://git.denx.de/u-boot.git

目前我使用的是 2016.02 的版本。

## MLO 及其启动过程 ##

[上一篇文章][Link 1]，我们了解了 BeagleBone 有个 SPL 过程，就在这个时候读取 MLO 文件，MLO 文件其实是个精简版的 U-Boot，也是由 U-Boot 生成，但是功能有限，只初始化了部分资源如 DDR，然后启动 U-Boot。

### MLO 文件是如何编译出来的 ###

分析 MLO 的编译过程之前需要知道编译原理和 Makefile 等相关知识。  
我们先找找 Makefile 看看能不能找到什么。建议使用 [Sublime][] 编辑器。用全局查找功能查找 MLO 关键字。

找到 `u-boot/scripts/Makefile.spl` 文件 **`117行`**：

u-boot/scripts/Makefile.spl

MLO MLO.byteswap: $(obj)/u-boot-spl.bin FORCE
    	$(call if_changed,mkimage)

可以看到 MLO 文件是由 `u-boot-spl.bin` 文件通过 `mkimage` 命令生成的。  
再查到 `u-boot/Makefile` 文件 **`1310 行`**：

u-boot/Makefile

spl/u-boot-spl.bin: spl/u-boot-spl
    	@:
    spl/u-boot-spl: tools prepare $(if $(CONFIG_OF_SEPARATE),dts/dt.dtb)
    	$(Q)$(MAKE) obj=spl -f $(srctree)/scripts/Makefile.spl all

`u-boot-spl.bin` 文件是还是由 `u-boot/scripts/Makefile.spl` 文件生成。  
文件 `u-boot/scripts/Makefile.spl` **`168 行`** 定义了 `u-boot-spl.bin` 的生成：

u-boot/scripts/Makefile.spl

ifeq ($(CONFIG_SPL_OF_CONTROL),y)
    $(obj)/$(SPL_BIN)-dtb.bin: $(obj)/$(SPL_BIN)-nodtb.bin $(obj)/$(SPL_BIN)-pad.bin \
    		$(obj)/$(SPL_BIN).dtb FORCE
    	$(call if_changed,cat)
    
    $(obj)/$(SPL_BIN).bin: $(obj)/$(SPL_BIN)-dtb.bin FORCE
    	$(call if_changed,copy)
    else
    $(obj)/$(SPL_BIN).bin: $(obj)/$(SPL_BIN)-nodtb.bin FORCE
    	$(call if_changed,copy)
    endif

因为 `SPL_BIN` 在 **`第32行`** 定义为 `u-boot-spl`:

u-boot/scripts/Makefile.spl

ifeq ($(CONFIG_TPL_BUILD),y)
    SPL_BIN := u-boot-tpl
    else
    SPL_BIN := u-boot-spl
    endi

由 **`168 行`** 上面的定义可以知道 `u-boot-spl.bin` 和 `u-boot-spl-nodtb.bin` 有关系。

接着查找到**第223行**：

u-boot/scripts/Makefile.spl

$(obj)/$(SPL_BIN)-nodtb.bin: $(obj)/$(SPL_BIN) FORCE
    	$(call if_changed,objcopy)

`u-boot-spl-nodtb.bin` 是通过 objcopy 命令由 `u-boot-spl` 生成。

再看**第246行**:

u-boot/scripts/Makefile.spl

$(obj)/$(SPL_BIN): $(u-boot-spl-init) $(u-boot-spl-main) $(obj)/u-boot-spl.lds FORCE
    	$(call if_changed,u-boot-spl)

所以`u-boot-spl` 是由 `u-boot-spl.lds` 链接文件生成的 ，但是目录下面有几个`u-boot-spl.lds`文件，到底是哪个 lds 文件呢，上面是 `$(obj)/u-boot-spl.lds`， `obj` 在 **`1310 行`** 编译 `u-boot-spl.bin` 的时候赋值为 `obj=spl`，所以我们需要看 `u-boot/spl/u-boot-spl.lds` 这个文件，但是如果你之前没有编译过这个文件是没有的。这个文件是如何生成的呢？我们稍后再看，先看 lds 文件的内容：

u-boot/spl/u-boot-spl.lds

MEMORY { .sram : ORIGIN = 0x402F0400, LENGTH = (0x4030B800 - 0x402F0400) }
    MEMORY { .sdram : ORIGIN = 0x80a00000, LENGTH = 0x80000 }
    OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
    OUTPUT_ARCH(arm)
    ENTRY(_start)
    SECTIONS
    {
     .text :
     {
      __start = .;
      *(.vectors)
      arch/arm/cpu/armv7/start.o (.text)
      *(.text*)
     } >.sram
     . = ALIGN(4);
     .rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(.rodata*)) } >.sram
     . = ALIGN(4);
     .data : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(.data*)) } >.sram
     .u_boot_list : {
      KEEP(*(SORT(.u_boot_list*)));
     } >.sram
     . = ALIGN(4);
     __image_copy_end = .;
     .end :
     {
      *(.__end)
     } >.sram
     .bss :
     {
      . = ALIGN(4);
      __bss_start = .;
      *(.bss*)
      . = ALIGN(4);
      __bss_end = .;
     } >.sdram
    }

链接文件里面说明了内存布局，`arch/arm/cpu/armv7/start.o` 代码段都放在 SRAM 中，所以 `arch/arm/cpu/armv7/start.S` 就是我们要找的东西了。

### lds 链接文件的生成 ###

`u-boot/spl/u-boot-spl.lds` 这个文件的生成在 `u-boot/scripts/Makefile.spl` 有解释:

u-boot/scripts/Makefile.spl

$(obj)/u-boot-spl.lds: $(LDSCRIPT) FORCE
    	$(call if_changed_dep,cpp_lds)

`LDSCRIPT` 的定义：

u-boot/scripts/Makefile.spl

# Linker Script
    ifdef CONFIG_SPL_LDSCRIPT
    # need to strip off double quotes
    LDSCRIPT := $(addprefix $(srctree)/,$(CONFIG_SPL_LDSCRIPT:"%"=%))
    endif
    
    ifeq ($(wildcard $(LDSCRIPT)),)
    	LDSCRIPT := $(srctree)/board/$(BOARDDIR)/u-boot-spl.lds
    endif
    ifeq ($(wildcard $(LDSCRIPT)),)
    	LDSCRIPT := $(srctree)/$(CPUDIR)/u-boot-spl.lds
    endif
    ifeq ($(wildcard $(LDSCRIPT)),)
    	LDSCRIPT := $(srctree)/arch/$(ARCH)/cpu/u-boot-spl.lds
    endif
    ifeq ($(wildcard $(LDSCRIPT)),)
    $(error could not find linker script)
    endif

可见 `Makefile.spl` 文件中先是判断有没有指定的 lds 文件，如果没有指定的，就查找 board 文件夹中目标板目录下面有没有 lds 文件，如果没有就查找相应的 cpu 目录，因为我们目标器件是 am335x，所以发现有 `u-boot/arch/arm/cpu/armv7/am33xx/u-boot-spl.lds` 再通过 `cpp_lds` 命令编译成，`cpp_lds` 是一组命令的集合，具体定义还是在 `Makefile.spl` 文件中，我们查看 `u-boot/arch/arm/cpu/armv7/am33xx/u-boot-spl.lds` 也发现 MLO 文件代码是在 `start.S` 文件中。

### MLO 程序分析 ###

查看 `start.S` 分析下 MLO 程序具体的执行流程，MLO 的 makefile 会根据 `CONFIG_SPL_BUILD` 编译不同的源文件，同样的在源码内也通过 `CONFIG_SPL_BUILD` 控制不同的代码执行，前面一部分 MLO 文件和 U-Boot 是类似的，进入到 `_main` 函数中两个程序的功能就开始出现差异了：

当 U-Boot 重定位好代码、向量表之后，运行 `board_init_r` 函数，此函数会调用 `init_sequence_r` 列表里面的函数初始化各种外设驱动，最后在 `main_loop()` 函数中运行，U-Boot 有个 `bootdelay` 延时启动，如果不手动停止 U-Boot 会自动运行 `bootcmd` 包含的命令。

**内核引导这部分放在另外一篇文章详细讲解。**

## U-Boot 编译 ##

### 编译 U-Boot ###

编译 U－Boot 前我们需要安装交叉编译器：

# sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabihf

下载 U-Boot 源码：

# git clone git://git.denx.de/u-boot.git

因为 U-Boot 官方已经支持了 Beaglebone Black 所以配置文件也已经自带了，编译输入如下命令：

# make distclean
    # make am335x_boneblack_defconfig
    # ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- make

片刻后会生成 `MLO` 和 `u-boot.img` 文件。

### 配置 U-Boot 参数 ###

有两种方式可以配置 U-Boot 的一些参数，分别是 `uEnv.txt` 和 `boot.src` 文件。  
U-Boot 启动的时候会在启动分区寻找这两个文件。

> boot.scr: This file is a U-Boot script. It contains instructions for U-Boot. Using these instruction, the kernel is loaded into memory, and (optionally) a ramdisk is loaded. boot.scr can also pass parameters to the kernel. This file is a compiled script, and cannot be edited directly. In some cases, boot.scr loads further instructions and configuration parameters from a text file.
> 
> uEnv.txt: A file with additional boot parameters. This file can be read by boot.scr, or by the boot sequence if there is no script file. uEnv.txt is a regular text file that can be edited. This file should have Unix line ending, so a compatible program must be used when editing this file.

U-Boot 启动的时候如果不打断会调用 `bootcmd` 包含的命令来执行，通常 `bootcmd` 会调用 bootscript 脚本也就是 `boot.scr`里面的命令进行执行， `boot.scr` 通常也会先读取 `uEnv.txt` 确定额外参数，因为 `boot.src` 文件必须通过 `boot.cmd` 文件编译而来， `uEnv.txt` 则是可以任意编辑，这样可配置性就大大提高了。如果没有 `boot.src` 文件，U-Boot 有默认配置的 `bootcmd` 命令。

在 Beagelbone Black 中我们不需要额外的 `boot.scr` 文件，用默认的命令即可，默认的命令为：

#define CONFIG_BOOTCOMMAND \
    	"run findfdt; " \
    	"run distro_bootcmd"

`run distro_bootcmd` 最终会调用 `run mmcboot` 命令加载 `uEnv.txt` 文件，并且会运行 `uEnv.txt` 文件里面 `uenvcmd` 指代的命令。

`uEnv.txt` 从网络启动例子：

console=ttyO0,115200n8
    ipaddr=192.168.23.2
    serverip=192.168.23.1
    rootpath=/exports/rootfs
    netargs=setenv bootargs console=${console} ${optargs} root=/dev/nfs nfsroot=${serverip}:${rootpath},${nfsopts} rw ip=${ipaddr}:${serverip}:192.168.23.1:255.255.255.0:beaglebone:eth0:none:192.168.23.1
    netboot=echo Booting from network ...; tftp ${loadaddr} ${bootfile}; tftp ${fdtaddr} ${fdtfile}; run netargs; bootz ${loadaddr} - ${fdtaddr}
    uenvcmd=run netboot

## 制作 U-Boot 的 SD 启动卡 ##

制作 SD 启动卡之前首先需要为 SD 卡分区， ROM Code 启动的时候如果是从 MMC 设备加载启动代码，ROM Code 会从第一个活动分区寻找名为 “MLO” 的文件，并且此分区必须为 FAT文件系统。所以制作 U-Boot 的启动卡只需要一个带有 MLO 和 U-Boot 镜像的 FAT 格式的 SD 卡，**如果需要启动 Linux 内核还需要别的分区**，我们以后再讲。

**有两种方式可以制作包含 U-Boot 的可启动的 SD 卡，一种是用 RAW Mode 的方式，还有一种是用 FTA 的方式。**

RAW Mode 和烧写方式在这篇文章里面有讲：[解析 BeagleBone Black 官方镜像][BeagleBone Black]。

FTA 模式下只要建立一个 FTA 分区再把 MLO 和 uboot.img 文件拷贝进去即可。

我是使用的 USB 读卡器，插入后 Linux `/dev/` 目录会显示 `/dev/sd*` 设备，我这里多出两个设备分别显示 `/dev/sdb` 和 `/dev/sdb1` ，其中 `/dev/sdb` 表示一整个物理磁盘， `/dev/sdb1` 表示的是具体的分区。

使用命令 `sudo fdisk /dev/sdb` 管理磁盘:

`a` : toggle a bootable flag（设置或取消启动表示）

`b` : edit bsd disklabel（编辑 bsd disklabel)

`c` : toggle the dos compatibility flag

`d` : delete a partition （删除一个分区）

`l` : list known partition types （列出已知的分区类型）

`m` : print this menu （打印次列表）

`n` : add a new partition （增加一个新分区）

`o` : create a new empty DOS partition table （建立一个新的空 DOS 分区表）

`p` : print the partition table （打印分区表）

`q` : quit without saving changes （不保存退出）

`s` : create a new empty Sun disklabel

`t` : change a partition’s system id

`u` : change display/entry units

`v` : verify the partition table （验证分区表）

`w` : write table to disk and exit （把分区表写入磁盘）

`x` : extra functionality (experts only) （额外的功能）

新建启动分区：

Command (m for help): p
    
    Disk /dev/sdb: 7746 MB, 7746879488 bytes
    24 heads, 20 sectors/track, 31522 cylinders, total 15130624 sectors
    Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
    Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
    I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
    Disk identifier: 0x00000000
    
       Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
    /dev/sdb1   *        2048    15130623     7564288    c  W95 FAT32 (LBA)
    
    Command (m for help): m
    Command action
       a   toggle a bootable flag
       b   edit bsd disklabel
       c   toggle the dos compatibility flag
       d   delete a partition
       l   list known partition types
       m   print this menu
       n   add a new partition
       o   create a new empty DOS partition table
       p   print the partition table
       q   quit without saving changes
       s   create a new empty Sun disklabel
       t   change a partition's system id
       u   change display/entry units
       v   verify the partition table
       w   write table to disk and exit
       x   extra functionality (experts only)
    
    Command (m for help): d
    Selected partition 1
    
    Command (m for help): p
    
    Disk /dev/sdb: 7746 MB, 7746879488 bytes
    24 heads, 20 sectors/track, 31522 cylinders, total 15130624 sectors
    Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
    Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
    I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
    Disk identifier: 0x00000000
    
       Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
    
    Command (m for help): n
    Partition type:
       p   primary (0 primary, 0 extended, 4 free)
       e   extended
    Select (default p): p
    Partition number (1-4, default 1): 
    Using default value 1
    First sector (2048-15130623, default 2048): 
    Using default value 2048
    Last sector, +sectors or +size{K,M,G} (2048-15130623, default 15130623): 
    Using default value 15130623
    
    Command (m for help): p
    
    Disk /dev/sdb: 7746 MB, 7746879488 bytes
    24 heads, 20 sectors/track, 31522 cylinders, total 15130624 sectors
    Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
    Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
    I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
    Disk identifier: 0x00000000
    
       Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
    /dev/sdb1            2048    15130623     7564288   83  Linux
    
    Command (m for help): t
    Selected partition 1
    Hex code (type L to list codes): c
    Changed system type of partition 1 to c (W95 FAT32 (LBA))
    
    Command (m for help): a
    Partition number (1-4): 1
    
    Command (m for help): p
    
    Disk /dev/sdb: 7746 MB, 7746879488 bytes
    24 heads, 20 sectors/track, 31522 cylinders, total 15130624 sectors
    Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
    Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
    I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
    Disk identifier: 0x00000000
    
       Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
    /dev/sdb1   *        2048    15130623     7564288    c  W95 FAT32 (LBA)
    
    Command (m for help): w
    The partition table has been altered!
    
    Calling ioctl() to re-read partition table.
    
    WARNING: If you have created or modified any DOS 6.x
    partitions, please see the fdisk manual page for additional
    information.
    Syncing disks.

建立好新的分区之后需要命名并格式化：

# sudo mkfs.vfat -F 32 -n boot /dev/sdb1

格式化之后挂载磁盘并把 `MLO` 文件和 `u-boot.img` 文件拷贝进去：

# sudo mount /dev/sdb1 /media/jg/boot 
    # sudo cp MLO /media/jg/boot/MLO
    # ls /media/jg/boot             
    MLO
    # sudo cp u-boot.img /media/jg/boot/u-boot.img
    # ls /media/jg/boot 
    MLO  u-boot.img
    # sync 
    # sudo umount /media/jg/boot

接着把 SD 卡插入 Beaglebone Black 并且按着 S2 按钮上电，从串口打印出的信息我们可以看到 U-Boot 已经可以正常启动了：

U-Boot SPL 2016.03-rc2-00084-g595af9d (Feb 29 2016 - 22:21:20)
    Trying to boot from MMC
    Card doesn't support part_switch
    MMC partition switch failed
    *** Warning - MMC partition switch failed, using default environment
    
    reading u-boot.img
    reading u-boot.img
    
    U-Boot 2016.03-rc2-00084-g595af9d (Feb 29 2016 - 22:21:20 +0800)
    
           Watchdog enabled
    I2C:   ready
    DRAM:  512 MiB
    MMC:   OMAP SD/MMC: 0, OMAP SD/MMC: 1
    *** Warning - bad CRC, using default environment
    
    Net:   <ethaddr> not set. Validating first E-fuse MAC
    cpsw, usb_ether
    Press SPACE to abort autoboot in 2 seconds
    switch to partitions #0, OK
    mmc0 is current device
    Scanning mmc 0:1...
    switch to partitions #0, OK
    mmc0 is current device
    SD/MMC found on device 0
    reading boot.scr
    ** Unable to read file boot.scr **
    reading uEnv.txt
    ** Unable to read file uEnv.txt **
    ** File not found /boot/zImage **
    switch to partitions #0, OK
    mmc1(part 0) is current device
    Scanning mmc 1:1...
    switch to partitions #0, OK
    mmc1(part 0) is current device
    SD/MMC found on device 1
    reading boot.scr
    ** Unable to read file boot.scr **
    reading uEnv.txt
    ** Unable to read file uEnv.txt **
    ** File not found /boot/zImage **
    ## Error: "bootcmd_nand0" not defined
    cpsw Waiting for PHY auto negotiation to complete......... TIMEOUT !
    BOOTP broadcast 1
    BOOTP broadcast 2
    BOOTP broadcast 3
    BOOTP broadcast 4

启动之后，前面一段打印信息是 MLO 程序打印出来的，读取 U-Boot 之后开始运行完整的 U-Boot，之后程序扫描各个设备读取 `boot.scr` 和 `uEnv.txt` 文件，接着再读取是否有 Linux 内核可以运行。

## 参考资料 ##

*  [Beaglebone Black——制作自己的SD启动卡][Beaglebone Black_SD]
 *  [U-Boot on BeagleBone Black][]
 *  [AM335x U-Boot User’s Guide][AM335x U-Boot User_s Guide]
 *  [Pandaboard bootload(uboot) 启动流程探究][Pandaboard bootload_uboot_]
 *  [u-boot启动流程][u-boot]

[Link 1]: http://jexbat.com/2016/BBB-bootmode/
[Sublime]: https://www.sublimetext.com/
[BeagleBone Black]: http://jexbat.com/2016/BeagleBone-Image/
[Beaglebone Black_SD]: http://blog.csdn.net/zy812248258/article/details/39120799
[U-Boot on BeagleBone Black]: http://www.twam.info/hardware/beaglebone-black/u-boot-on-beaglebone-black
[AM335x U-Boot User_s Guide]: http://processors.wiki.ti.com/index.php/AM335x_U-Boot_User%27s_Guide#U-Boot
[Pandaboard bootload_uboot_]: http://blog.kfatso.com/articles/2015/08/15/pandaboard-bootload-process/
[u-boot]: http://blog.csdn.net/zsy2020314/article/details/9824035