BeagleBone Black 从零到一 (2 MLO、U-Boot) 转

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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：

1	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，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

1 2	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

endif

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

1 2	$(obj)/$(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

1 2	$(obj)/$(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

1 2	$(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：

reset //(arch/arm/cpu/armv7/start.S)

save_boot_params_ret //(arch/arm/cpu/armv7/start.S)

  |- disable interrupts

  |- cpu_init_cp15 //(arch/arm/cpu/armv7/start.S)

  |   |- Invalidate L1 I/D

  |   |- disable MMU stuff and caches

  |- cpu_init_crit //(arch/arm/cpu/armv7/start.S)

  |   |- lowlevel_init //(arch/arm/cpu/armv7/lowlevel_init.S)

  |       |- Setup a temporary stack

  |       |- Set up global data

  |       |- s_init //(arch/arm/cpu/armv7/am33xx/board.c)

  |           |- watchdog_disable

  |           |- set_uart_mux_conf

  |           |- setup_clocks_for_console

  |           |- uart_soft_reset

  |- _main //(arch/arm/lib/crt0.S)

      |(MLO)如果是 MLO 文件

      |- board_init_f //(arch/arm/cpu/armv7/am33xx/board.c)

      |   |- board_early_init_f //(arch/arm/cpu/armv7/am33xx/board.c)

      |   |   |- prcm_init

      |   |   |- set_mux_conf_regs

      |   |- sdram_init //(board/ti/am335x/board.c) 初始化 DDR

      |- spl_relocate_stack_gd

      |- board_init_r //(common/spl/spl.c)

          |- ...

          |- spl_load_image //根据不同的启动方式加载 u-boot 镜像，

          |- jump_to_image_no_args //进入u-boot代码运行

      |(U-Boot)如果是U-Boot 镜像

      |- board_init_f //(common/board_f.c)

      |   |- ...

      |   |- initcall_run_list(init_sequence_f)

      |   |- ...

      |

      |- relocate_code //(arch/arm/lib/relocate.S) 代码重定位

      |- relocate_vectors //(arch/arm/lib/relocate.S) 向量表重定义

      |- Set up final (full) environment

      |- board_init_r //(common/board_r.c)

          |- initcall_run_list(init_sequence_r)//初始化各种外设

              |- main_loop()

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：

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

下载 U-Boot 源码：

1	# 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。

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：

1	# 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