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万丈高楼平地起，勿在浮沙筑高台

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认识 bootloader

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本文字数： 5k 阅读时长 ≈ 5 分钟

重新整理引导的构建相关知识。

bootloader 的职责

bootloader 主要就是用于依次做两件事：

  1. 初始化系统的硬件环境
  2. 载入内核

在系统最开始上电时，能用的资源只有：

  1. 一个单核
  2. 有限的内部 SRAM
  3. 一个 boot ROM

启动顺序

对于现代 SOC 而言，其通常的启动顺序如下。

初始阶段：ROM code

ROM code便是 SOC 启动时的初始代码，它通过单核运行。

根据启动配置引脚从对应的接口载入代码到内部 SRAM 中，然后运行该代码。

由于 SRAM 中运行的代码是第二阶段运行的代码，所以它也叫做 SPL（secondary program loader）

ROM code 读取 SPL 有多种方式，但从数据的角度讲有两种：

  1. ROM code 不支持文件系统，只能在设备存储底层固定位置偏移处进行读取

  2. ROM code 支持文件系统，根据设置中的文件名获取

bbb 上的 AM335X 则可以支持两种方式的读出 SPL

imx8mm的 ROM code

imx8mm 上电后最开始当然也是先运行 ROM code，它根据寄存器BOOT_MODE[1:0]、eFUSEs 状态 和 GPIO 的设定来决定启动的行为。

ROM code 还可以从启动设备的代码中获取配置信息，根据该配置来配置 DDR 等外设。

ROM code 还可以对启动代码进行验证，如果是未经授权的代码则不会被执行。

imx8mm 的 BOOT_MODE 寄存器

BOOT_MODE 寄存器的[1:0] 两位是在上电时，根据管脚BOOT_MODE0和BOOT_MODE1来决定的：

BOOT_MODE[1:0] Boot Type
00 Boot From Fuses
01 Serial Downloader
10 Internal Boot
11 Reserved

Boot From Fuses：

ROM code 从 eFUSE 读取的 BT_FUSE_SEL来决定如何启动，GPIO 配置会被忽略：

  • BT_FUSE_SEL = 0：通过Serial Downloader启动
  • BT_FUSE_SEL = 1：通过 eFUSE 的设定的启动设备启动

在产品出厂时，一般会选择这种模式来启动：

由于一开始 BT_FUSE_SEL = 0，会通过Serial Downloader模式启动。这部分代码启动后完成多个镜像的烧写，然后配置 BT_FUSE_SEL = 1，并设置对应启动设备。

下次再次启动设备时，ROM code 就会从指定的启动设备启动。

Serial Downloader：

这里的Serial Downloader其实指的就是通过 USB 来启动设备。

如果在USDHC2端口上有 SD 卡/EMMC，那么 ROM code 会先尝试从它们启动。

可以通过配置 fuse 来关闭这种启动。

Internal Boot：

ROM code 会从 GPIO 指定的引脚来确定启动设备，如果启动失败会尝试Serial Downloader。

如果BT_FUSE_SEL = 1，则会从 eFUSE 设定的设备启动。

管脚SAI1_RXD0~7,SAI1_TXD0~7依次决定了BOOT_CFG寄存器的 0~15 位。

其中，BOOT_CFG的 12~14 位用于选择启动设备：

BOOT_CFG[14:12] Boot device
001 SD/eSD
010 MMC/eMMC
011 NAND
100 Serial NOR boot via FlexSPI
110 Serial(SPI) NOR

当选择对应设备时，BOOT_CFG的 0~11，15 用于指定设备的配置细节。比如操作频率，等待时间等。

米尔科技将BOOT_CFG的 0~13 位以及 BOOT_MODE0和BOOT_MODE1都引了到拨码开关 SW1,2。那么就可以灵活的配置其启动模式。

第二阶段：SPL

SPL 的主要目标就是初始化 SDRAM ，然后将下一阶段的 bootloader 拷贝进 SDRAM，跳转后运行。

SDRAM 的 bootloader 属于第三阶段，所以也叫做 TPL（Tertiary Program Loader）。

imx8mm 具有 256 + 32 KB 的 SRAM，其中 256 KB 用于载入 SPL，而 32 KB 是备用区。

  • 256KB SRAM 的地址范围是 0x00910000 ~ 0x0091FFFF
  • 32KB SRAM 的起始地址是 0x0090000

所以 imx8mm 的 SPL 大小不能超过 256 KB.

bbb 上的 AM335X 的 SPL 大小不能超过 128KB。

第三阶段：TPL

第三阶段的 bootloader 就可以与用户交互，并具备了诊断硬件的功能。

最终还是为了将内核和文件系统载入进 SDRAM，然后跳转去运行内核。

一旦进入到内核，该阶段 bootloader 所占用的内存就被释放了。

在有了设备树后，需要传递给内核的参数基本上由设备树来设定了。

bootloader 只需要告诉内核，设备树所位于的地址。

设备树复习

现在再回过头来看设备树，其实它也就是一个配置文件而已，只是配置的目标是硬件，并且符合设备树标准。

而面对已有的设备，需要修改设备树。那么就可以参考其对应文档的说明，文档位于Documentation/devicetree/bindings

设备树基础

设备树的起始源文件存储于：

  • Linux：arch/${ARCH}/boot/dts
  • U-boot：arch/${ARCH}/dts

设备树从根节点开始，向下以树的形式扩展子节点，节点的内容由属性=值的方式组成。

简单的示例如下：

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/dts-v1/;
/{
    model = "TI AM335x BeagleBone";
    compatible = "ti,am33xx";
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;
    cpus {
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
        cpu@0 {
            compatible = "arm,cortex-a8";
            // 指定节点的类型
            device_type = "cpu";
            reg = <0>;
        };
    };
    memory@0x80000000 {
        // 指定节点的类型
        device_type = "memory";
        // 起始地址和大小
        reg = <0x80000000 0x20000000>; /* 512 MB */
    };
};

reg 属性

reg 属性中值的规则由其父节点的#address-cells和#size-cells来确定：

  • #address-cells：代表由多少个 cells 来表示一个完整的地址
  • #size-cells：代表由多少个 cells 来表示大小

比如上面的 cpu节点，由于只需要表示地址而无需表示大小，所以：

#address-cells = <1>;

#size-cells = <0>;

而对于 32 位内存空间，就需要一个 cell 表示地址，一个 cell 表示大小，所以：

#address-cells = <1>; #size-cells = <1>;

// 起始地址是 0x80000000 ，大小是 0x20000000，也就是 512 MB

reg = <0x80000000 0x20000000>; /* 512 MB */

而如果是 64 位地址空间，那么就必然需要两个 cell 表示地址，两个 cell 表示大小：

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/{
    #address-cells = <2>;
    #size-cells = <2>;
    memory@80000000 {
        device_type = "memory";
        // 前两个 cells 表示起始地址，后两个 cells 表示大小
        reg = <0x00000000 0x80000000 0 0x80000000>;
    };
};

label 和中断

通常一个节点的名称是包含其字符串和地址，很多时候我们需要引用这个节点或对其内容进行修改或增加，那么为其添加一个 label ，以便于以后引用方便。这个 label 就被称为 phandles：

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/dts-v1/;
{    
    intc: interrupt-controller@48200000 {
        compatible = "ti,am33xx-intc";
        interrupt-controller;
        #interrupt-cells = <1>;
        reg = <0x48200000 0x1000>;
    };
    lcdc: lcdc@4830e000 {
        compatible = "ti,am33xx-tilcdc";
        reg = <0x4830e000 0x1000>;
        interrupt-parent = <&intc>;
        interrupts = <36>;
        ti,hwmods = "lcdc";
        status = "disabled";
    };
};

上面为中断控制器设定了intc为其phandle，所以在 lcdc 节点中就可以通过&intc的方式来引用。

中断控制器中的#interrupt-cells = <1>;代表使用该中断控制器的节点需要在其interrupts属性中填入一个值即可。

设备树包含

设备树的公有部分的文件后缀是.dtsi，以被其他设备树文件以/include/的方式包含：

/include/ "vexpress-v2m.dtsi"

除了上面这种方式，设备树还可以包含 c 头文件，以获取其文件内部的宏定义：

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#include <dt-bindings/gpio/gpio.h>
#include <dt-bindings/pinctrl/am33xx.h>
#include <dt-bindings/clock/am3.h>

编译设备树

使用设备树编译器dtc，将设备树源文件dts，编译为设备树二进制文件dtb：

$ dtc simpledts-1.dts -o simpledts-1.dtb

U-Boot

为了使这个步骤尽量简单，我们不使用原本的U-boot，而是使用米尔科技的 U-boot 分支。

imx8mm 在 ROM code 之后的启动流程

前面说过，在 ROM code 之后便是根据配置选择启动设备，从中读出代码，代码依次分为这么几部分：

  1. i.MX ARM Trusted firmware：用于配置是否使用安全启动

  2. imx-uboot：uboot 就分为了 SPL 和 TPL

    U-boot 的 falcon 模式可以直接从 SPL 装载内核然后运行，节约开机时间

  3. controller firmware：用于 uboot 的 SPL 调用，来初始化 ddr

编译 imx-atf

首先需要将交叉编译工具链，加入当前 SHELL 的环境变量中：

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export PATH=/home/cec/x-tools/aarch64-unknown-linux-gnu/bin:${PATH}

由于 imx-atf 使用的是 Makefile 编译，并且查看其源文件也可以看到它会使用变量CROSS_COMPILE，所以需要设定变量：

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export CROSS_COMPILE=aarch64-unknown-linux-gnu-
# 按照惯例，先 clean 一次
make clean

然后可以使用make help查看编译说明：

usage: make PLAT=<a70x0|a70x0_amc|a80x0|a80x0_mcbin|fvp|hikey|hikey960|imx8dx|imx8dxl|imx8mm|imx8mn|imx8mp|imx8mq|imx8qm|imx8qx|juno|k3|ls1043|mt6795|mt8173|poplar|qemu|rk3328|rk3368|rk3399|rpi3|sgi575|sgm775|stm32mp1|sun50i_a64|sun50i_h6|synquacer|tegra|uniphier|warp7|zynqmp> [OPTIONS] [TARGET]

PLAT is used to specify which platform you wish to build. If no platform is specified, PLAT defaults to: fvp

可以看到需要为其指定 SOC，那么我们自然是指定 imx8mm：

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make PLAT=imx8mm

最后生成文件build/imx8mm/release/bl31.bin。

编译 U-boot

编译 U-boot 的步骤和编译内核都差不多：

  1. 使用一个最接近当前硬件的配置
  2. 使用menuconfig进行进一步细节配置
  3. 使用make编译
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# 按照惯例先 clean 一次
make distclean
# 指定配置文件
# 对于 bbb 而言，就是 am335x_evm_defconfig
make myd_imx8mm_defconfig
# 开始编译
make -j8

然后会生成以下几个文件：

  • u-boot：U-boot 的 ELF 目标文件，里面包含了调试信息
  • u-boot.map：符号表
  • u-boot.bin：去掉调试信息的二进制文件
  • u-boot.img：在 u-boot.bin之上包含 U-boot 头信息
  • u-boot.srec：U-boot 的 SRC 格式，可以通过串口传输
  • spl/u-boot-spl.bin：SPL 阶段运行的代码

对于 bbb 而言，如果是以文件系统的方式启动 SPL，它需要的 SPL 叫做 MLO，这也会在编译 uboot 时顺带编译了。

启动 U-boot

查看脚本文件make-uboot-emmc.sh内容：

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cp myir-imx-uboot/tools/mkimage                      ./imx-mkimage/iMX8M/mkimage_uboot
cp myir-imx-uboot/arch/arm/dts/myb-imx8mm-base.dtb   ./imx-mkimage/iMX8M/fsl-imx8mm-ddr4-evk.dtb
cp myir-imx-uboot/spl/u-boot-spl.bin                 ./imx-mkimage/iMX8M/
cp myir-imx-uboot/u-boot-nodtb.bin                   ./imx-mkimage/iMX8M/

# firmware-imx-8.7 
cp firmware-imx-8.7/firmware/ddr/synopsys/ddr4_dmem_1d.bin                     ./imx-mkimage/iMX8M/
cp firmware-imx-8.7/firmware/ddr/synopsys/ddr4_dmem_2d.bin                     ./imx-mkimage/iMX8M/
cp firmware-imx-8.7/firmware/ddr/synopsys/ddr4_imem_1d.bin                     ./imx-mkimage/iMX8M/
cp firmware-imx-8.7/firmware/ddr/synopsys/ddr4_imem_2d.bin                     ./imx-mkimage/iMX8M/

# imx8mm-atf
cp imx-atf/build/imx8mm/release/bl31.bin                                    ./imx-mkimage/iMX8M/

cd imx-mkimage
make SOC=iMX8MM clean
make SOC=iMX8MM flash_ddr4_evk

可以看到，其主要是将之前编译的文件拷贝到imx-mkimage文件夹中，然后运行make开始制作。

imx-mkimage是 IMX 做的打包工具，最终生成文件flash.bin。

那这个flash.bin应该放在哪里，在imx_linux_users_guide中有说明：

Execute the following command to copy the U-Boot image to the SD/MMC card:

$ sudo dd if= of=/dev/sdx bs=1k seek= conv=fsync

Where offset is:

  • 1 - for i.MX 6 or i.MX 7
  • 33 - for i.MX 8QuadMax A0, i.MX 8QuadXPlus A0, and i.MX 8M Quad
  • 32 - for i.MX 8QuadXPlus B0, i.MX 8QuadMax B0, i.MX 8DualX, i.MX 8DXL,i.MX 8M Nano, i.MX 8M Mini, and i.MX 8M Plus

The first 16 KB of the SD/MMC card, which includes the partition table, is reserved.

由于我们使用的是 IMX8MM，按照上面说明seek应该是32。

但实际测试发现需要设置33才行，米尔的手册上面也是 33……

最后就是熟悉的启动输出了：

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U-Boot SPL 2019.04-g65e4ca0a-dirty (Sep 03 2021 - 17:02:00 +0800)
power_bd71837_init
DDRINFO: start DRAM init
DDRINFO:ddrphy calibration done
DDRINFO: ddrmix config done
Normal Boot
Trying to boot from MMC1

U-Boot 2019.04-g65e4ca0a-dirty (Sep 03 2021 - 17:02:00 +0800)

CPU:   Freescale i.MX8MMQ rev1.0 1800 MHz (running at 1200 MHz)
CPU:   Commercial temperature grade (0C to 95C)CPU Temperature (43000C) has beyond alert (85000C), close to critical (95000C) at 43C
Reset cause: POR
Model: MYD i.MX8MM  board
DRAM:  2 GiB
MMC:   FSL_SDHC: 1, FSL_SDHC: 2
Loading Environment from MMC... Run CMD11 1.8V switch
*** Warning - bad CRC, using default environment

In:    serial
Out:   serial
Err:   serial

 BuildInfo:
  - ATF f1a195b
  - U-Boot 2019.04-g65e4ca0a-dirty

Run CMD11 1.8V switch
switch to partitions #0, OK
mmc1 is current device
flash target is MMC:1
Run CMD11 1.8V switch
Net:   
Error: ethernet@30be0000 address not set.

eth-1: ethernet@30be0000
Fastboot: Normal
Normal Boot
Hit any key to stop autoboot:  0 
Run CMD11 1.8V switch
switch to partitions #0, OK
mmc1 is current device
Run CMD11 1.8V switch
** Unrecognized filesystem type **

Booting from net ...

Error: ethernet@30be0000 address not set.

WARN: Cannot load the DT
u-boot=>

复习 U-boot 的基础知识

环境变量

U-boot 使用name=value的形式来表示环境变量，一些环境变量是最开始在头文件中已经配置了默认值。在启动后读入内存，便可以被修改了。

对环境变量的操作都在env命令中

载入内核

对于 u-boot 而言有多种方式可以载入内核，比如：

通过 mmc 载入并读取：

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# 扫描 mmc
mmc rescan
# 从 mmc0 的第一个分区读取文件 uImage 到物理内存 0x82000000 处
fatload mmc 0:1 82000000 uImage
# 分析文件
iminfo 82000000

通过tftp读取：

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# 设置本机和服务端（PC）的地址
setenv ipaddr 192.168.159.42
setenv serverip 192.168.159.99
# tftp 读取 uImage 到 0x82000000
tftp 82000000 uImage

启动内核

使用bootm启动内核，其语法如下：

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bootm <address of kernel> [address of ramdisk] [address of 
dtb]

其中address of kernel是必须的，后面两项不是必须的。

如果没有address of ramdisk但是有address of dtb，那么使用短横线代替即可:

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=> bootm 82000000 – 83000000

除了在调试阶段需要手动输入这些命令，实际使用阶段是经过脚本来完成，比如 imx8mm 默认环境变量如下：

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mmcdev=1
mmcpart=1
loadaddr=0x40480000
script=boot.scr
bootscript=echo Running bootscript from mmc ...; source
image=Image
fdt_addr=0x43000000
fdt_file=myb-imx8mm-lcd-hontron-7.dtb
boot_fdt=try
console=ttymxc1,115200 earlycon=ec_imx6q,0x30890000,115200
mmcroot=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw

mmcargs=setenv bootargs ${jh_clk} console=${console} root=${mmcroot}
loadfdt=fatload mmc ${mmcdev}:${mmcpart} ${fdt_addr} ${fdt_file}

loadbootscript=fatload mmc ${mmcdev}:${mmcpart} ${loadaddr} ${script};
loadimage=fatload mmc ${mmcdev}:${mmcpart} ${loadaddr} ${image}

mmcboot=\
echo Booting from mmc ...;\
run mmcargs;\
if test ${boot_fdt} = yes || test ${boot_fdt} = try;\
then if run loadfdt;\
     then booti ${loadaddr} - ${fdt_addr};\
     else echo WARN: Cannot load the DT;\
     fi;\
else echo wait for boot;\
fi;\

bootcmd=\
mmc dev ${mmcdev};\
if mmc rescan;\ # 扫描 mmc，发现有 mmc
then if run loadbootscript;\ 
     then run bootscript;\ # 如果从 mmc 读取文件成功，则运行启动脚本
     else if run loadimage;\ # 或者从 mmc 读取指定名称文件
          then run mmcboot;\ # 读取成功则运行启动脚本
          else run netboot;\ # 然后会尝试通过网络启动
          fi;\ 
     fi;\ 
else booti ${loadaddr} - ${fdt_addr};\ 
fi\

bootcmd将会是 U-boot 启动以后自动执行的命令。