ARM開發板實現雙系統引導的一種方法——基於迅為iTOP-4412開發板
前言
本文所用的uboot程式碼為迅為官方提供，開發板是迅為iTOP-4412開發板。本文如有錯誤，歡迎指正。
首先，我們確定一下系統啟動的流程：首先啟動uboot，uboot啟動核心並掛載rootfs(根檔案系統)，核心啟動完成且rootfs工作完成後，掛載emmc上的檔案系統，作業系統正式開始工作。（讀者要弄懂根檔案系統和普通檔案系統的區別與聯絡，網上資料很多，本文不作贅述。）
本文實現的雙系統引導，都是基於Linux的，即兩個系統使用同一個核心、同一個根檔案系統，只是emmc上的檔案系統有所不同。第一個系統是一個最小Linux系統，第二個系統是一個帶Qt/E的Linux系統。uboot啟動後會從mmcblk0p4分割槽中讀取一定長度的字串，若字串是“qte”，則啟動帶Qt/E的Linux系統；若字串是“lin”，則啟動最小Linux系統。
1.分割槽資訊
上圖是emmc的分割槽資訊。可以看到，分成了兩個部分“Raw區域”和“主要分割槽”。Raw區域中我們主要關注bootloader、kernel、ramdisk這三個分割槽。ramdisk中存放根檔案系統(rootfs)，kernel中存放核心，bootloader中存放uboot。在主要分割槽中，mmcblk0p1指的是emmc的第一個分割槽，mmcblk0p2指的是emmc的第二個分割槽，mmcblk0p3指的是emmc的第三個分割槽，mmcblk0p4指的是emmc的第四個分割槽。mmcblk0指emmc，mmcblk1指SD卡。
(1) 開啟開發板和串列埠終端，摁回車進入uboot模式，在串列埠終端輸入命令“fdisk -p mmc”，可以看到開發板emmc的“主要分割槽”資訊，如下圖所示。
mmcblk0p1佔12536MB，mmcblk0p2佔1024MB，mmcblk0p3佔1024MB，mmcblk0p4佔300MB。
(2) 在串列埠終端輸入命令“fastboot”，可以看到“Raw區域”和“主要分割槽”的詳細資訊，如下圖所示。
其中，“bootloader”、“kernel”、“ramdisk”、“Recovery”分別對應“Raw區域”中的四個分割槽，“system”、“userdata”、“cache”、“fat”分別對應“主要分割槽”中的mmcblk0p2、mmcblk0p3、mmcblk0p4、mmcblk0p1四個分割槽。“system”中存放的就是作業系統的檔案系統，在預設情況下，uboot引導起核心，核心啟動完成後，會掛載位於“system”中的檔案系統。要實現雙系統引導，我們可以把第一個系統存放在“system”分割槽中，把第二個系統存放在“userdata”分割槽中，在啟動時，讓核心在兩個分割槽的檔案系統中進行選擇。
(3) 在串列埠終端輸入命令“printenv”，可以看到環境變數資訊，如下圖所示。
這裡我們主要分析“bootcmd=movi read kernel 40008000;movi read rootfs 40df0000 100000;bootm 40008000 40df0000”這個語句，該語句的作用是把“movi read kernel 40008000;movi read rootfs 40df0000 100000;bootm 40008000 40df0000”賦給bootcmd變數。
而bootcmd變數的值就是uboot啟動後要執行的命令：先把核心從kernel分割槽中讀取到記憶體的0x40008000處；再從ramdisk分割槽中（此處的rootfs分割槽實際就是指ramdisk分割槽，因為uboot判斷分割槽時只判斷首字母，所以即使寫rootfs，仍然會導向ramdisk分割槽，這裡寫成rootfs是為了方便使用者理解）讀取0x100000個位元組到記憶體的0x40df0000處；最後使用bootm命令，啟動(掛載)已經讀取到記憶體中的核心和根檔案系統。
在正常情況下，環境變數中還應有一個bootargs變數，bootargs的值就是uboot要傳遞給核心的引數，但是在上圖的環境變數資訊中並沒有發現它，所以我們猜測迅為給的uboot原始碼中並沒有給bootargs變數賦值。
2.uboot原始碼分析
(1) 在uboot原始碼的“iTop4412_uboot/include/movi.h”檔案中可以看到Raw區域的資訊，如下。
#define MAGIC_NUMBER_MOVI (0x24564236) #define SS_SIZE (16 * 1024) #define eFUSE_SIZE (1 * 512) // 512 Byte eFuse, 512 Byte reserved #define MOVI_BLKSIZE (1<<9) //mj defined #define FWBL1_SIZE (8* 1024) //IROM BL1 SIZE 8KB #define BL2_SIZE (16 * 1024)//uboot BL2 16KB /* partition information */ #define PART_SIZE_UBOOT (495 * 1024) #define PART_SIZE_KERNEL (6 * 1024 * 1024) #define PART_SIZE_ROOTFS (2 * 1024 * 1024)// 2M #define RAW_AREA_SIZE (16 * 1024 * 1024)// 16MB #define MOVI_RAW_BLKCNT (RAW_AREA_SIZE / MOVI_BLKSIZE) #define MOVI_FWBL1_BLKCNT (FWBL1_SIZE / MOVI_BLKSIZE) #define MOVI_BL2_BLKCNT (BL2_SIZE / MOVI_BLKSIZE) #define MOVI_ENV_BLKCNT (CONFIG_ENV_SIZE / MOVI_BLKSIZE) #define MOVI_UBOOT_BLKCNT (PART_SIZE_UBOOT / MOVI_BLKSIZE) #define MOVI_ZIMAGE_BLKCNT (PART_SIZE_KERNEL / MOVI_BLKSIZE) #define ENV_START_BLOCK (544*1024)/MOVI_BLKSIZE #define MOVI_UBOOT_POS ((eFUSE_SIZE / MOVI_BLKSIZE) + MOVI_FWBL1_BLKCNT + MOVI_BL2_BLKCNT) #define MOVI_ROOTFS_BLKCNT (PART_SIZE_ROOTFS / MOVI_BLKSIZE)
Raw區域總大小為16MB，包含了BL1、BL2、環境變數、核心、rootfs、uboot等資訊。我們主要關注kernel、rootfs、uboot這三部分。核心存放在kernel分割槽中，根檔案系統(rootfs)存放在ramdisk分割槽中、uboot存放在bootloader分割槽中。
(2) 而對“Raw區域”和“主要分割槽”的操作，則在“iTop4412_uboot/common/cmd_fastboot.c”檔案的“set_partition_table_sdmmc”函式中，如下(請看註釋)。
static int set_partition_table_sdmmc()
{
int start, count;
unsigned char pid;
pcount = 0;
#if defined(CONFIG_FUSED)
/* FW BL1 for fused chip */
strcpy(ptable[pcount].name, "fwbl1");
ptable[pcount].start = 0;
ptable[pcount].length = 0;
ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MOVI_CMD;
pcount++;
#endif
/* Bootloader */
strcpy(ptable[pcount].name, "bootloader"); //Raw區域中的bootloader分割槽，存放uboot
ptable[pcount].start = 0;
ptable[pcount].length = 0;
ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MOVI_CMD;
pcount++;
/* Kernel */
strcpy(ptable[pcount].name, "kernel"); //Raw區域中的kernel分割槽，存放核心
ptable[pcount].start = 0;
ptable[pcount].length = 0;
ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MOVI_CMD;
pcount++;
/* Ramdisk */
strcpy(ptable[pcount].name, "ramdisk"); //Raw區域中的ramdisk分割槽，存放rootfs(根檔案系統)
ptable[pcount].start = 0;
ptable[pcount].length = 0x300000;
ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MOVI_CMD;
pcount++;
/* Recovery*/
#ifdef CONFIG_RECOVERY //mj
strcpy(ptable[pcount].name, "Recovery"); //Raw區域中的Recovery分割槽
ptable[pcount].start = 0;
ptable[pcount].length = 0x600000; //6MB
ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MOVI_CMD;
pcount++;
/* System */
get_mmc_part_info((dev_number_write == 0)?"0":"1", 2, &start, &count, &pid); //主要分割槽中的mmcblk0p2分割槽
if (pid != 0x83) //預設情況下存放作業系統的檔案系統
goto part_type_error;
strcpy(ptable[pcount].name, "system"); //分割槽名稱為system
ptable[pcount].start = start * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
ptable[pcount].length = count * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MMC_CMD;
pcount++;
/* User Data */
get_mmc_part_info((dev_number_write == 0)?"0":"1", 3, &start, &count, &pid); //主要分割槽中的mmcblk0p3分割槽
if (pid != 0x83) //預設情況下存放使用者資料，我們也可以在該分割槽存放另一個系統
goto part_type_error;
strcpy(ptable[pcount].name, "userdata"); //分割槽名稱為userdata
ptable[pcount].start = start * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
ptable[pcount].length = count * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MMC_CMD;
pcount++;
/* Cache */
get_mmc_part_info((dev_number_write == 0)?"0":"1", 4, &start, &count, &pid); //主要分割槽中的mmcblk0p4分割槽
if (pid != 0x83)
goto part_type_error;
strcpy(ptable[pcount].name, "cache"); //分割槽名稱為cache
ptable[pcount].start = start * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
ptable[pcount].length = count * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MMC_CMD;
pcount++;
/* Fat */
get_mmc_part_info((dev_number_write == 0)?"0":"1", 1, &start, &count, &pid); //主要分割槽中的mmcblk0p1分割槽
if (pid != 0xc)
goto part_type_error;
strcpy(ptable[pcount].name, "fat"); //分割槽名稱為fat
ptable[pcount].start = start * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
ptable[pcount].length = count * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MMC_CMD;
pcount++;
#if 1 // Debug
fastboot_flash_dump_ptn();
#endif
LCD_setleftcolor(0x8a2be2);
return 0;
part_type_error:
printf("Error: No MBR is found at SD/MMC.\n");
printf("Hint: use fdisk command to make partitions.\n");
return -1;
}
(3) 在“iTop4412_uboot/board/samsung/smdkc210/smdkc210.c”檔案的“board_late_init”函式中，可以看到關於bootcmd變數的資訊，如下。
int board_late_init (void)
{
int ret = check_bootmode();
if ((ret == BOOT_MMCSD || ret == BOOT_EMMC441 || ret == BOOT_EMMC43 )
&& boot_mode == 0) {
//printf("board_late_init\n");
char boot_cmd[100];
#if 0
sprintf(boot_cmd, "movi read kernel 40008000;movi read rootfs 40d00000 100000;bootm 40008000 40d00000"); //這條語句不會編譯
#else
#ifdef SMDK4412_SUPPORT_UBUNTU
sprintf(boot_cmd, "movi read kernel 40008000;bootm 40008000 40d00000"); //這條語句不會編譯
#else
sprintf(boot_cmd, "movi read kernel 40008000;movi read rootfs 40df0000 100000;bootm 40008000 40df0000"); //只有這條關於bootcmd變數的語句會編譯
#endif
#endif
/* end modify */
setenv("bootcmd", boot_cmd);
//setenv("bootargs", "root=/dev/mmcblk0p2");
}
return 0;
}
3.修改uboot原始碼
大概思路已經在前面講過，為了方便讀者理解，再詳述一下雙系統引導的思路。兩個系統共用同一套uboot、核心、rootfs(根檔案系統)，在mmcblk0p2分割槽中存放一個系統，在mmcblk0p3中存放另一個系統，uboot每次啟動時，會從mmcblk0p4分割槽中讀取定長的字串，根據字串的內容來決定該引導哪一個系統。
(1) 開啟“iTop4412_uboot/common/cmd_fastboot.c”檔案，修改“set_partition_table_sdmmc”函式中有關mmcblk0p2分割槽和mmcblk0p3分割槽的命名部分(只修改分割槽名稱，其他的不做修改)，將原先的“system”和“userdata”兩個分割槽名稱改為“system_linux”和“system_qte”，方便記憶。
/* Linux System */
get_mmc_part_info((dev_number_write == 0)?"0":"1", 2, &start, &count, &pid); //主要分割槽中的mmcblk0p2分割槽，用於存放最小Linux系統
if (pid != 0x83)
goto part_type_error;
strcpy(ptable[pcount].name, "system_qte"); //分割槽名改為system_qte
ptable[pcount].start = start * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
ptable[pcount].length = count * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MMC_CMD;
pcount++;
/* Qt/E System */
get_mmc_part_info((dev_number_write == 0)?"0":"1", 3, &start, &count, &pid); //主要分割槽中的mmcblk0p3分割槽，用於存放Qt/E系統
if (pid != 0x83)
goto part_type_error;
//strcpy(ptable[pcount].name, "userdata");
strcpy(ptable[pcount].name, "system_linux"); //分割槽名改為system_linux
ptable[pcount].start = start * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
ptable[pcount].length = count * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MMC_CMD;
pcount++;
(2) 開啟“iTop4412_uboot/common/main.c”檔案，在“main_loop”函式中新增如下程式碼
char bootargstr[10];
run_command("mmc read 0 40008000 408000 10", 0); //從emmc的0x408000塊處讀取0x10個塊的資料到記憶體的0x40008000處，至於為什麼從emmc的0x408000處讀，請看後文的解析
memcpy(bootargstr, (char*)0x40008000, 3); //把讀取到的資料賦給bootargstr
if(!strncmp(bootargstr, "qte", 3)) //判斷bootargstr的內容，如果是字串“qte”
sprintf(bootargstr, "root=/dev/mmcblk0p2"); //把mmcblk0p2設定為系統的根，即啟動帶Qt/E的Linux系統
else
sprintf(bootargstr, "root=/dev/mmcblk0p3"); //把mmcblk0p3設定為根，即啟動最小Linux系統
setenv("bootargs", bootargstr); //設定環境變數bootargs，把bootargstr字串的內容賦給環境變數bootargs
新增位置如下圖所示。
為什麼要從emmc的0x408000塊處讀字串呢？首先我們明確一下“mmc read”命令的用法：mmc read <device num> addr blk# cnt [partition]，即從某裝置的第blk#個塊(一個塊為512B)開始，讀取cnt個塊的資料，將資料存放到記憶體的addr位置。其次，在前文中我們曾經獲取過emmc的“主要分割槽”資訊，如下圖
可以看到mmcblk0p4分割槽的起始塊(block start #)是4227072，這是個十進位制數，我們把它轉換為十六進位制，便得到了0x408000。
4.編譯和燒寫
(1) 編譯修改後的uboot，用fastboot工具將其燒寫到開發板中。
燒寫完成後，重啟開發板，並進入uboot模式。在串列埠終端輸入命令“printenv”，可以看到環境變數中又添加了一個bootargs變數，它是用來告訴核心要掛載哪個分割槽中的檔案系統的，掛載不同的檔案系統，就實現了不同系統的引導。根據bootargs變數的值可知，目前要引導的系統是位於mmcblk0p3分割槽中的系統，即最小Linux系統。
在串列埠終端輸入命令“fastboot”，可以看到原先的“system”和“userdata”分割槽名稱已經被修改為“system_qte”和“system_linux”，如下圖所示。
(2) 用fastboot工具把兩個系統分別燒寫進各自的分割槽中，如下圖所示。
(3) 重啟開發板（不要進入uboot模式），可以看到開發板進入到了最小Linux系統。
在串列埠終端輸入命令“echo "qte" > /dev/mmcblk0p4”，該命令表示向mmcblk0p4分割槽的起始位置寫入字串“qte”
然後重啟開發板，可以看到開發板進入到了Qt/E系統。
再在串列埠終端輸入命令“echo "lin" > /dev/mmcblk0p4”，該命令表示向mmcblk0p4分割槽的起始位置寫入字串“lin”
重啟開發板，可以看到開發板又回到了最小Linux系統。
雙系統引導成