STM32MP157系列教程连载-Linux系统移植篇4：STM32MP1微处理器之Bootloader移植

STM32MP157系列教程连载-Linux系统移植篇4：STM32MP1微处理器之Bootloader移植

第 1 章 BootLoader（Uboot）移植

1.1 实验原理

1.1.1 概念
简单地说，Bootloader就是在操作系统内核运行之前运行的一段程序，它类似于PC机中的BIOS程序。通过这段程序，可以完成硬件设备的初始化，并建立内存空间的映射图的功能，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，为最终调用系统内核做好准备。

通常，Bootloader是严重地依赖于硬件实现的，特别是在嵌入式中。因此，在嵌入式世界里建立一个通用的Bootloader几乎是不可能的。尽管如此，仍然可以对Bootloader归纳出一些通用的概念来指导用户特定的Bootloader设计与实现。

（1）Bootloader所支持的CPU和嵌入式开发板

每种不同的CPU体系结构都有不同的Bootloader。有些Bootloader也支持多种体系结构的CPU，如后面要介绍的U-Boot就同时支持ARM体系结构和MIPS体系结构。除了依赖于CPU的体系结构外，Bootloader实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。

（2）Bootloader的安装媒介

系统加电或复位后，所有的CPU通常都从某个由CPU制造商预先安排的地址上取指令。而基于CPU构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备（比如ROM、EEPROM或FLASH等）被映射到这个预先安排的地址上。因此在系统加电后，CPU将首先执行Bootloader程序。

（3）Bootloader的启动过程分为单阶段和多阶段两种。通常多阶段的Bootloader能提供更为复杂的功能，以及更好的可移植性。

（4）Bootloader的操作模式。大多数Bootloader都包含两种不同的操作模式：“启动加载”模式和“下载”模式，这种区别仅对于开发人员才有意义。

• 启动加载模式：这种模式也称为“自主”模式。也就是Bootloader从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程并没有用户的介入。这种模式是嵌入式产品发布时的通用模式。

• 下载模式：在这种模式下，目标机上的Bootloader将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机（Host）下载文件，比如：下载内核映像和根文件系统映像等。从主机下载的文件通常首先被Bootloader保存到目标机的RAM中，然后再被Bootloader写到目标机上的FLASH类固态存储设备中。Bootloader的这种模系统是在更新时使用。工作于这种模式下的Bootloader通常都会向它的终端用户提供一个简单的命令行接口。

（5）Bootloader与主机之间进行文件传输所用的通信设备及协议，最常见的情况就是，目标机上的Bootloader通过串口与主机之间进行文件传输，传输协议通常是xmodem/ ymodem/zmodem协议中的一种。但是，串口传输的速度是有限的，因此通过以太网连接并借助TFTP协议来下载文件是个更好的选择。

1.1.2 Bootloader启动流程

Bootloader的启动流程一般分为两个阶段：stage1和stage2，下面分别对这两个阶段进行讲解：

（1）Bootloader的stage1

在stage1中Bootloader主要完成以下工作。

• 基本的硬件初始化，包括屏蔽所有的中断、设置CPU的速度和时钟频率、RAM初始化、初始化LED、关闭CPU内部指令和数据cache灯。
• 为加载stage2准备RAM空间，通常为了获得更快的执行速度，通常把stage2加载到RAM空间中来执行，因此必须为加载Bootloader的stage2准备好一段可用的RAM空间范围。
• 拷贝stage2到RAM中，在这里要确定两点：①stage2的可执行映像在固态存储设备的存放起始地址和终止地址；②RAM空间的起始地址。
• 设置堆栈指针sp，这是为执行stage2的C语言代码做好准备。

（2）Bootloader的stage2

在stage2中Bootloader主要完成以下工作。

由于stage2的代码通常用C语言来实现，目的是实现更复杂的功能和取得更好的代码可读性和可移植性。但是与普通C语言应用程序不同的是，在编译和链接Bootloader这样的程序时，不能使用glibc库中的任何支持函数。
• 初始化本阶段要使用到的硬件设备，包括初始化串口、初始化计时器等。在初始化这些设备之前、可以输出一些打印信息。
• 检测系统的内存映射，所谓内存映射就是指在整个4GB物理地址空间中有指出哪些地址范围被分配用来寻址系统的RAM单元。
• 加载内核映像和根文件系统映像，这里包括规划内存占用的布局和从Flash上拷贝数据。
• 设置内核的启动参数。

1.1.3 Bootloader的种类

嵌入式系统世界已经有各种各样的Bootloader，种类划分也有多种方式。除了按照处理器体系结构不同划分以外，还有功能复杂程度的不同。

首先区分一下“Bootloader”和“Monitor”的概念。严格来说，“Bootloader”只是引导设备并且执行主程序的固件；而“Monitor”还提供了更多的命令行接口，可以进行调试、读写内存、烧写Flash、配置环境变量等。“Monitor”在嵌入式系统开发过程中可以提供很好的调试功能，开发完成以后，就完全设置成了一个“Bootloader”。所以，习惯上大家把它们统称为Bootloader。

下表列出了Linux的开放源码引导程序及其支持的体系结构。表中给出了X86、ARM、PowerPC体系结构的常用引导程序，并且注明了每一种引导程序是不是“Monitor”。

对于每种体系结构，都有一系列开放源码Bootloader可以选用。

（1）X86

X86的工作站和服务器上一般使用LILO和GRUB。LILO是Linux发行版主流的Bootloader。不过Redhat Linux发行版已经使用了GRUB，GRUB比LILO有更友好的显示接口，使用配置也更加灵活方便。
在某些X86嵌入式单板机或者特殊设备上，会采用其他的Bootloader，如ROLO。这些Bootloader可以取代BIOS的功能，能够从Flash中直接引导Linux启动。现在ROLO支持的开发板已经并入U-Boot，所以U-Boot也可以支持X86平台。

（2）ARM

ARM处理器的芯片商很多，所以每种芯片的开发板都有自己的Bootloader。结果ARM Bootloader也变得多种多样。最早有为ARM720处理器的开发板的固件，又有了armboot，StrongARM平台的BLOB，还有S3C2410处理器开发板上的vivi等。现在armboot已经并入了U-Boot，所以U-Boot也支持ARM/XSCALE平台。U-Boot已经成为ARM平台事实上的标准Bootloader。

（3）PowerPC

PowerPC平台的处理器有标准的Bootloader，就是PPCBOOT。PPCBOOT在合并armboot等之后，创建了U-Boot，成为各种体系结构开发板的通用引导程序。U-Boot仍然是PowerPC平台的主要Bootloader。

（4）MIPS

MIPS公司开发的YAMON是标准的Bootloader，也有许多MIPS芯片商为自己的开发板写了Bootloader。现在，U-Boot也已经支持MIPS平台。

（5）SH

SH平台的标准Bootloader是sh-boot。RedBoot在这种平台上也很好用。

（6）M68K

M68K平台没有标准的Bootloader。RedBoot能够支持M68K系列的系统。

值得说明的是RedBoot，它几乎能够支持所有的体系结构，包括MIPS、SH、M68K等。RedBoot是以eCos为基础，采用GPL许可的开源软件工程。现在由core eCos的开发人员维护，源码下载网站是http://www.ecoscentric.com/snapshots。RedBoot的文档也相当完善，有详细的使用手册《RedBoot User’s Guide》。

1.1.4 U-Boot概述

U-Boot（UniversalBootloader），是遵循GPL条款的开放源码项目。它是从FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步发展演化而来。其源码目录、编译形式与Linux内核很相似，事实上，不少U-Boot源码就是相应的Linux内核源程序的简化，尤其是一些设备的驱动程序，这从U-Boot源码的注释中能体现这一点。但是U-Boot不仅仅支持嵌入式Linux系统的引导，而且还支持NetBSD、VxWorks、QNX、RTEMS、ARTOS、LynxOS嵌入式操作系统。其目前要支持的目标操作系统是OpenBSD、NetBSD、FreeBSD、4.4BSD、Linux、SVR4、Esix、Solaris、Irix、SCO、Dell、NCR、VxWorks,LynxOS、pSOS、QNX、RTEMS、ARTOS。这是U-Boot中Universal的一层含义，另外一层含义则是U-Boot除了支持PowerPC系列的处理器外，还能支持MIPS、x86、ARM、NIOS、XScale等诸多常用系列的处理器。这两个特点正是U-Boot项目的开发目标，即支持尽可能多的嵌入式处理器和嵌入式操作系统。就目前为止，U-Boot对PowerPC系列处理器支持最为丰富，对Linux的支持最完善。

U-Boot的特点如下。

• 开放源码；
• 支持多种嵌入式操作系统内核，如Linux、NetBSD、VxWorks、QNX、RTEMS、ARTOS、LynxOS；
• 支持多个处理器系列，如PowerPC、ARM、x86、MIPS、XScale；
• 较高的可靠性和稳定性；
• 高度灵活的功能设置，适合U-Boot调试，操作系统不同引导要求，产品发布等；
• 丰富的设备驱动源码，如串口、以太网、SDRAM、FLASH、LCD、NVRAM、EEPROM、RTC、键盘等；
• 较为丰富的开发调试文档与强大的网络技术支持。

U-Boot可支持的主要功能列表。

• 系统引导：支持NFS挂载、RAMDISK（压缩或非压缩）形式的根文件系统。支持NFS挂载，并从FLASH中引导压缩或非压缩系统内核。
• 基本辅助功能：强大的操作系统接口功能；可灵活设置、传递多个关键参数给操作系统，适合系统在不同开发阶段的调试要求与产品发布，尤其对Linux支持最为强劲；支持目标板环境参数多种存储方式，如FLASH、NVRAM、EEPROM；CRC32校验，可校验FLASH中内核、RAMDISK镜像文件是否完好。
• 设备驱动：串口、SDRAM、FLASH、以太网、LCD、NVRAM、EEPROM、键盘、USB、PCMCIA、PCI、RTC等驱动支持。
• 上电自检功能：SDRAM、FLASH大小自动检测；SDRAM故障检测；CPU型号。
• 特殊功能：XIP内核引导。

1.1.5 U-Boot的常用命令
U-Boot上电启动后，按任意键可以退出自动启动状态，进入命令行。

U-Boot 2020.01-stm32mp-r1 (Aug 05 2020 - 05:32:37 +0000)

CPU: STM32MP157AAA Rev.B
Model: HQYJ FS-MP1A Discovery Board
Board: stm32mp1 in trusted mode (st,stm32mp157a-fsmp1a)
DRAM:  512 MiB
Clocks:
- MPU : 650 MHz
- MCU : 208.878 MHz
- AXI : 266.500 MHz
- PER : 24 MHz
- DDR : 533 MHz
WDT:   Started with servicing (32s timeout)
NAND:  0 MiB
MMC:   STM32 SD/MMC: 0, STM32 SD/MMC: 1
Loading Environment from MMC... OK
In:    serial
Out:   serial
Err:   serial
Net:   eth0: ethernet@5800a000
Hit any key to stop autoboot:  0 
STM32MP>

在命令行提示符下，可以输入U-Boot的命令并执行。U-Boot可以支持几十个常用命令，通过这些命令，可以对开发板进行调试，可以引导Linux内核，还可以擦写Flash完成系统部署等功能。掌握这些命令的使用，才能够顺利地进行嵌入式系统的开发。

输入help命令，可以得到当前U-Boot的所有命令列表。每一条命令后面是简单的命令说明。

STM32MP> help
?       - alias for 'help'
adc     - ADC sub-system
base    - print or set address offset
bdinfo  - print Board Info structure
blkcache- block cache diagnostics and control
bmp     - manipulate BMP image data
bootefi - Boots an EFI payload from memory
bootm   - boot application image from memory
bootp   - boot image via network using BOOTP/TFTP protocol
bootz   - boot Linux zImage image from memory
chpart  - change active partition
clk     - CLK sub-system
cls     - clear screen
cmp     - memory compare
coninfo - print console devices and information
cp      - memory copy
crc32   - checksum calculation
date    - get/set/reset date & time
dcache  - enable or disable data cache
dfu     - Device Firmware Upgrade
dhcp    - boot image via network using DHCP/TFTP protocol
dm      - Driver model low level access
dtimg   - manipulate dtb/dtbo Android image
echo    - echo args to console
editenv - edit environment variable
env     - environment handling commands
erase   - erase FLASH memory
exit    - exit script
ext2load- load binary file from a Ext2 filesystem
ext2ls  - list files in a directory (default /)
ext4load- load binary file from a Ext4 filesystem
ext4ls  - list files in a directory (default /)
ext4size- determine a file's size
ext4write- create a file in the root directory
false   - do nothing, unsuccessfully
fastboot- run as a fastboot usb or udp device
fatinfo - print information about filesystem
fatload - load binary file from a dos filesystem
fatls   - list files in a directory (default /)
fatsize - determine a file's size
fdt     - flattened device tree utility commands
flinfo  - print FLASH memory information
fstype  - Look up a filesystem type
fuse    - Fuse sub-system
go      - start application at address 'addr'
gpio    - query and control gpio pins
gpt     - GUID Partition Table
help    - print command description/usage
i2c     - I2C sub-system
icache  - enable or disable instruction cache
itest   - return true/false on integer compare
lcdputs - print string on video framebuffer
led     - manage LEDs
load    - load binary file from a filesystem
loadb   - load binary file over serial line (kermit mode)
loads   - load S-Record file over serial line
loadx   - load binary file over serial line (xmodem mode)
loady   - load binary file over serial line (ymodem mode)
loop    - infinite loop on address range
ls      - list files in a directory (default /)
md      - memory display
mdio    - MDIO utility commands
meminfo - display memory information
mii     - MII utility commands
mm      - memory modify (auto-incrementing address)
mmc     - MMC sub system
mmcinfo - display MMC info
mtdparts- define flash/nand partitions
mtest   - simple RAM read/write test
mw      - memory write (fill)
nand    - NAND sub-system
nboot   - boot from NAND device
nfs     - boot image via network using NFS protocol
nm      - memory modify (constant address)
part    - disk partition related commands
ping    - send ICMP ECHO_REQUEST to network host
pinmux  - show pin-controller muxing
pmic    - PMIC sub-system
poweroff- Perform POWEROFF of the device
printenv- print environment variables
protect - enable or disable FLASH write protection
pxe     - commands to get and boot from pxe files
regulator- uclass operations
reset   - Perform RESET of the CPU
rproc   - Control operation of remote processors in an SoC
run     - run commands in an environment variable
save    - save file to a filesystem
saveenv - save environment variables to persistent storage
setcurs - set cursor position within screen
setenv  - set environment variables
setexpr - set environment variable as the result of eval expression
sf      - SPI flash sub-system
showvar - print local hushshell variables
size    - determine a file's size
sleep   - delay execution for some time
source  - run script from memory
sspi    - SPI utility command
stboard - read/write board reference in OTP
stm32key- Fuse ST Hash key
stm32prog- <link> <dev> [<addr>] [<size>]
start communication with tools STM32Cubeprogrammer on <link> with Flashlayout at <addr>
sysboot - command to get and boot from syslinux files
test    - minimal test like /bin/sh
tftpboot- boot image via network using TFTP protocol
time    - run commands and summarize execution time
timer   - access the system timer
true    - do nothing, successfully
ubi     - ubi commands
ubifsload- load file from an UBIFS filesystem
ubifsls - list files in a directory
ubifsmount- mount UBIFS volume
ubifsumount- unmount UBIFS volume
ums     - Use the UMS [USB Mass Storage]
usb     - USB sub-system
usbboot - boot from USB device
version - print monitor, compiler and linker version
STM32MP>

U-Boot还提供了更加详细的命令帮助，通过help命令还可以查看每个命令的参数说明。由于开发过程的需要，有必要先把U-Boot命令的用法弄清楚。

1.2 实验目的

熟悉交叉工具链的使用、u-boot常用命令、u-boot的代码结构和移植方法。

1.3 实验平台

华清远见开发环境，FS-MP1A平台

1.4 实验步骤

本实验基于u-boot 2020.01版本，然后添加意法半导体提供的补丁文件。在意法半导体官方的u-boot中移植我们自己的u-boot。

1.4.1 导入源码

建立源码目录

linux@ubuntu:$ cd ~
linux@ubuntu:$ mkdir FS-MP1A

将【华清远见-FS-MP1A开发资料\02-程序源码\04-Linux系统移植\01-官方源码】下的en.SOURCES-stm32mp1-openstlinux-5-4-dunfell-mp1-20-06-24.tar.xz压缩包，导入到ubuntu下的${HOME}/FS-MP1A目录下。