轉 A10/A20 Bootloader加載過程分析
A10/A20 Bootloader加載過程分析
註：由於全誌A10和A20在加載Bootloader過程方面基本一致，下面僅以A20敘述，但同時也適用於A10。另外在不需要區分Cubieboard1和Cubieboard2的情況下，統稱為Cubieboard；另現在市面上一般所說的SD卡即為Micro SD Card，也就是TF卡，為區別於一般傳統的SD卡，本文一般使用TF卡描述，但同於平時所說的SD卡。
A20的啟動過程大概可分為5步：Boot ROM，SPL，Uboot，Kernel，RootFileSystem。本文關註的是鏡像的加載和啟動過程，分析Boot ROM→SPL→Uboot→Kernel的啟動流程。
系統上電後，ARM處理器在復位時從地址0x000000開始執行指令，把板上ROM或Flash映射到這一地址。A20將啟動設備選擇程序固化在CPU內部的一個32KB ROM中，默認的啟動時序為SD Card0，NAND FLASH，SD Card2，SPI NOR FLASH。另外通過外部的一個啟動選擇引腳可以使其跳轉到USB啟動模式。通常情況下，啟動選擇引腳狀態連接50K內部上拉電阻。在上電後，執行存儲在Boot ROM中的啟動代碼，將自動檢測啟動選擇引腳狀態。只有當該引腳狀態為低電平時才選擇USB啟動模式。
在選擇啟動設備後將加載並執行bootloader程序，CPU通過拷貝或映射bootloader程序到內存，然後執行bootloader的第一條指令。通過閱讀官方的uboot燒寫方法，發現A20通過uboot引導系統之前先載入了uboot SPL。什麽是SPL？通過查閱uboot的官網資料得知，SPL是一個迷你版的uboot，全拼為Second Program Loader。適用於SOC的內部SRAM<64K的情況，用它來加載完整的uboot程序到SDRAM，並通過完整uboot加載內核來啟動系統。其中SRAM一般指CPU內部的L1/L2或外部的L2高速緩存，這裏即為Boot ROM，而SDRAM一般指內存。
SPL程序流程如下：
- 初始化ARM處理器
- 初始化串口控制臺
- 配置時鐘和最基礎的分頻
- 初始化SDRAM
- 配置引腳多路復用功能
- 啟動設備初始化（即上面選擇的啟動設備）
- 加載完整的uboot程序並轉交控制權
啟動設備選擇程序的流程圖：
搞清楚了上面的概念，可以知道Cubieboard出廠已經燒寫了NandFlash中的程序，即在啟動時使用的是NandFlash。現在根據全誌A20上述步驟，我們嘗試用SD Card0（即Cubieboard上卡槽中的TF卡）來啟動系統。
環境準備
本文所使用的主機環境為kubuntu 12.10，然而一般情況下，下面涉及到的命令對基於Debian的(X)ubuntu系列都應該適用。
為不引起混淆，我們作如下約定：
- 工作目錄為 $WORK_DIR
- 命令均以root用戶執行
筆者的設定如下:
WORK_DIR=/home/itviewer/src
下載必須的工具軟件
apt-get install build-essential libncurses5-dev u-boot-tools qemu-user-static debootstrap git binfmt-support libusb-1.0-0-dev pkg-config
apt-get install gcc-arm-linux-gnueabihf
下載源碼
從 github 下載 SPL,U-BOOT,Linux 內核源碼。註意 linux-sunxi 超過 3.8G ,耗時最長。如果您曾經下載過這些代碼,記得分別用 Git pull 更新後再進行後續操作,因為代碼倉庫每天都有變化。
cd $WORK_DIR
git clone git://github.com/linux-sunxi/u-boot-sunxi.git
git clone git://github.com/cubieboard2/linux-sunxi
git clone git://github.com/linux-sunxi/sunxi-tools.git
git clone git://github.com/linux-sunxi/sunxi-boards.git
編譯uboot
cd $WORK_DIR/u-boot-sunxi
make distclean CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
make Cubieboard2 CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
得到 u-boot-sunxi-with-spl.bin（同時生成的還有其它幾個文件，這裏我們只用該文件，註意上面Cubieboard2，最新代碼需要首字母大寫）
編譯kernel
cd $WORK_DIR/linux-sunxi
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- cubieboard2_defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j4 uImage modules
得到內核文件 arch/arm/boot/uImage（還有其它內核模塊，這裏暫時沒有用到）
生成 boot.scr和script.bin
在將uboot和kernel燒寫到TF卡之前，我們需要先編譯生成兩個啟動參數文件：boot.scr和script.bin。
生成 boot.scr
boot.scr是什麽？
根據資料描述（https://github.com/linux-sunxi/u-boot-sunxi/wiki#bootscr-support），u-boot在啟動的時候會在第一個分區（FAT/extX格式）尋找/boot.scr或者/boot/boot.scr文件，boot.scr中可以包含用於載入script.bin，kernel，initrd（可選）以及設置內核啟動參數的uboot命令。
boot.scr如何生成？
在$WORK_DIR目錄新建 boot.cmd 文件，添加以下內容：
setenv bootargs console=ttyS0,115200 noinitrd disp.screen0_output_mode=EDID:1280x1024p60 init=/init root=/dev/mmcblk0p2 rootfstype=ext4 rootwait panic=10 ${extra}
fatload mmc 0 0x43000000 boot/script.bin
fatload mmc 0 0x48000000 boot/uImage
bootm 0x48000000
詳細解釋：
1.上述第一行設置uboot的bootargs啟動參數，格式為 參數=值，不同參數使用空格分開，其中
- console=ttyS0,115200 含義為使用特定的串口ttyS0，波特率為 115200
- noinitrd 含義為不使用ramdisk（內存磁盤）
- init=/init 含義為內核啟起來後，進入系統中運行的第一個腳本
- root=/dev/mmcblk0p2 含義為指定rootfs的位置為TF卡第二個分區
- rootfstype=ext4 含義為根文件系統類型
- rootwait 含義為等待設備/dev/mmcblk0p2就緒後才嘗試掛載rootfs
- panic=10 傳遞內核參數，當遇到panic（內核嚴重錯誤）時等待10秒後重啟
- screen0_output_mode 設置合適的屏幕顯示分辨率
更多的參數可以通過查看Linux內核源碼目錄下Documentation/kernel-parameters.txt文件了解
2.第二行和第三行為將script.bin和內核uImage加載到指定內存地址。fatload是U-Boot中裝載linux kernel 到內存的指令。
基本用法：fatload <interface> <dev[:part]> <addr> <filename> <bytes>
- interface：所用到接口，如：MMC、USB
- dev [:part]: 文件存放的設備 如：ide 0:1
- addr: 裝載到內存的開始地址。
- filename: 裝載的文件名稱。
- bytes: copy的字節數.
3.第四行bootm 用於將內核映像加載到指定的地址
保存文件後，執行以下命令生成boot.scr：
mkimage -C none -A arm -T script -d boot.cmd boot.scr
生成 script.bin
script.bin是什麽？
script.bin是被全誌SOC內核驅動或LiveSuit使用的針對特定目標板的二進制配置文件，包含如何設置基於A10/A20目標版的各種外設，端口，I/O針腳信息。
其對應的可讀文本文件格式為FEX，可以利用 Sunxi-tools在二進制和文本文件之間進行轉換。更多關於FEX配置的信息可以參考http://linux-sunxi.org/Fex_Guide
script.bin如何生成？
首先需要編譯sunxi-tools：
cd $WORK_DIR/sunxi-tools
make
得到fex2bin、bin2fex等文件，其中fex2bin能把 *.fex 文件生成 *.bin文件。反之bin2fex可以將得到的*.bin文件生成可讀的*.fex文件。
然後編譯生成script.bin：
cd $WORK_DIR/sunxi-boards/sys_config/a20
$WORK_DIR/sunxi-tools/fex2bin cubieboard2.fex script.bin
燒寫uboot和kernel到TF卡
上面羅嗦了這麽多，其實就是為了將uboot和kernel燒寫到TF卡上並能夠啟動，OK，讓我們先從分區開始：
A20 芯片上電啟動的時候，會讀取SD卡最前面的 1M 內容，從而得到 bootloader，所以我們需要把 u-boot 寫到SD卡的前1M區間。
其中詳細的SD卡布局如下：
| 起始 | 大小 | 用途 |
|---|---|---|
| 0 | 8KB | 存放分區表等內容 |
| 8 | 24KB | SPL loader |
| 32 | 512KB | u-boot |
| 544 | 128KB | environment |
| 672 | 352KB | 保留 |
| 1024 | - | 用於剩余分區 |
接下來，我們開始使用fdisk進行分區（由於sfdisk對部分TF不兼容，故除非你真的知道怎麽用sfdisk，否則不要使用）：
將TF卡插到電腦上並確認設備名，為不至於混淆，我們使用sdX代替，您需要根據自己的情況修改，如sdb：
card=/dev/sdX
dd if=/dev/zero of=${card} bs=1M count=1 # 把SD卡前1M的區域填充為0，預留給 u-boot
sfdisk -R ${card} # 重新讀取${card}
fdisk ${card} #使用fdisk進行分區
具體分區步驟如下：
建立第一個分區
[email protected]:~/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 #鍵入n然後回車
Partition type:
p primary (0 primary, 0 extended, 4 free)
e extended
Select (default p): #直接回車
Using default response p
Partition number (1-4, default 1): #直接回車
Using default value 1
First sector (2048-15278079, default 2048): #直接回車
Using default value 2048
Last sector, +sectors or +size{K,M,G} (2048-15278079, default 15278079): +64M #鍵入+64M後回車，即分區大小為64M
建立第二個分區
Command (m for help): n #鍵入n然後回車
Partition type:
p primary (1 primary, 0 extended, 3 free)
e extended
Select (default p): #直接回車
Using default response p
Partition number (1-4, default 2): #直接回車
Using default value 2
First sector (133120-15278079, default 133120): #直接回車
Using default value 133120
Last sector, +sectors or +size{K,M,G} (133120-15278079, default 15278079): #直接回車，即第二個分區使用全部剩余空間
Using default value 15278079
接下來指定分區類型：
Command (m for help): t #鍵入t然後回車 Partition number (1-4): 1 #鍵入1然後回車，即指定第一個分區 Hex code (type L to list codes): c #鍵入c然後回車，即指定第一個分區為vfat Changed system type of partition 1 to c (W95 FAT32 (LBA)) Command (m for help): w #鍵入w然後回車,保存分區表 The partition table has been altered! Calling ioctl() to re-read partition table. Syncing disks.
格式化分區：
mkfs.vfat ${card}1
mkfs.ext4 ${card}2 #需要稍等片刻
然後寫入bootloader：
cd $WORK_DIR/u-boot-sunxi
dd if=u-boot-sunxi-with-spl.bin of=$card bs=1024 seek=8
最後安裝內核 uImage，設置啟動參數：
mount ${card}1 /mnt
mkdir /mnt/boot
cp $WORK_DIR/linux-sunxi/arch/arm/boot/uImage /mnt/boot
cp $WORK_DIR/sunxi-boards/sys_config/a20/script.bin /mnt/boot
cp $WORK_DIR/boot.scr /mnt/
sync && umount /mnt
至此，啟動到linux內核的工作已經完成，接下來我們就可以觀看linux內核啟動過程、進行內核調試了。
打印串口調試信息
通過查看串口輸出信息，可以方便我們判斷問題所在，進而找到解決問題的方法。
在linux和windows下有多種串口調試工具可供使用，這裏僅給出兩篇參考文章：
- http://linux-sunxi.org/Cubieboard/TTL
- http://cn.cubiebook.org/index.php?title=Cubieboard/串口調試
這裏附上筆者的串口輸出信息：http://mer.jolladev.net/data/media/cutecom.txt
信息結尾由於無法掛載根文件系統、啟動init而等待10秒後重啟。
總結
本文參考了眾多網絡內容，在後面列出了主要文章地址，在此一並感謝。
之所以寫這篇內容，是因為從本人入手cubieboard2以來，通過苦尋資料，在各種痛苦與錯誤的嘗試中不斷走上了”正道“，深知對於一個沒有嵌入式開發基礎或開發經驗的普通玩家而言，想把各種環節搞清楚是一件很難的事情，故通過大量引用、參考網絡內容加上自己的摸索，總結出該文，以期望對新的玩家能夠有所幫助；就嵌入式linux而言，整個 加電——啟動bootloader——啟動內核——加載rootfs流程對於新手會感到非常的模糊，而不知如何下手。本篇內容盡可能詳細的描述了利用cubieboard從加電到啟動linux內核的整個操作過程，為進一步學習如何構建一個可運行的linux系統打下了基礎。後面，將會在此基礎上繼續介紹如何進一步掛載跟文件系統，啟動到shell甚至GUI圖形界面，從而構建一個完整、可用的linux系統。
參考
- 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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