u-boot分析与使用

零、U-boot使用

uboot 命令中输入的数字均为十六进制，而非十进制，注意！！！

0.1信息查询命令

buinfo：查看板子信息

printenv：查看环境变量（直接输入print也行）

version：查看uboot版本号

0.2环境变量相关操作

  • setenv：新建、删除、设置或者修改环境变量的值

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    setenv [变量名] [变量值]

    如果变量值中有空格，可以用单引号'括起来：

    1
    setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw'

  • saveenv：保存修改后的环境变量

0.3内存操作

md

内存查看命令，用于显示内存值

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md[.b, .w, .l] address [# of objects]
#eg:
md.b 80000000 10

命令中的[.b .w .l]对应 byte、 word 和 long，即分别以 1 个字节、 2 个字节、 4 个字节来显示内存值。 address 就是要查看的内存起始地址， [# of objects]表示要查看的数据长度，这个长度和你所选择的显示格式有关。

nm

修改指定地址的内存值

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nm[.b, .w, .l] address
#eg:
nm.b 80000000

同样以.b、 .w 和.l 来指定操作格式。 address 就是要修改的内存起始地址。 值得注意的是该命令修改完后地址不会自增

mm

修改指定地址的内存值

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mm[.b, .w, .l] address
#eg:
mm.b 80000000

与nm命令类似，区别就是修改完后地址会自增

mw

使用一个指定的数据填充一段内存

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mw[.b, .w, .l] address value [count]
#eg:
md.b 80000000 fe 10

以.b、 .w 和.l 来指定操作格式。 address 表示要填充的内存起始地址，value为要填充的数据， count是填充的长度。

cp

数据拷贝命令，用于将 DRAM 中的数据从一段内存拷贝到另一段内存中，或者把 Nor Flash 中的数据拷贝到 DRAM 中

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cp[.b, .w, .l] source target count
#eg:
cp.b 80000000 80000100 10

以.b、 .w 和.l 来指定操作格式。source 为源地址， target 为目的地址， count 为拷贝的长度

cmp

比较命令，用于比较两段内存的数据是否相等

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cmp[.b, .w, .l] addr1 addr2 count
#eg:
cmp.b 80000000 80000100 10

以.b、 .w 和.l 来指定操作格式。addr1 为第一段内存首地址， addr2 为第二段内存首地址， count 为要比较的长度。

0.4网络操作

该部分命令需要有以下环境变量的支持：

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#板卡ip地址
setenv ipaddr 192.168.1.106
#板卡MAC地址
setenv ethaddr 00:34:9f:21:a0:56
#网关地址
setenv gatewayip 192.168.1.1
#子网掩码
setenv netmask 255.255.255.0
#服务器ip地址
setenv serverip 192.168.1.100
saveenv

ping

验证网络是否正常，不做过多解释

注意！只能在 uboot 中 ping 其他的机器，其他机器不能 ping uboot（uboot 没有对 ping命令做处理，如果用其他的机器 ping uboot 会失败）

dhcp

dhcp会自动获取 IP 地址，同时还会通过 TFTP 来启动 linux 内核，输入? dhcp可查看uboot中 dhcp 命令详细的信息，这里一般用于自动获取ip地址

nfs

通过nfs(Network File System，网络文件系统)使得板卡能够直接从服务器（服务器需要提前布置好NFS服务与NFS文件目录）上下载相关资源到DRAM中（如zImage、文件系统、设备树等）

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nfs [loadAddress] [[hostIPaddr:]bootfilename]
#eg:
nfs 80800000 192.168.1.100:/home/null/zImage
nfs 80800000 /home/null/zImage#如果环境变量中存在serverip

其中 loadAddress 是要保存的 DRAM 地址， [[hostIPaddr:]bootfilename]是要下载的文件地址（需要输入服务器中的完整路径）

tftp

与nfs类似，均用于通过网络下载文件到 DRAM 中（服务器需要提前布置好TFTP服务与TFTP文件目录）

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tftp [loadAddress] [[hostIPaddr:]bootfilename]
#eg:
tftp 80800000 192.168.1.100:zImage
tftp 80800000 zImage#如果环境变量中存在serverip

loadAddress 是 文 件 在 DRAM 中 的存 放 地 址 ，[[hostIPaddr:]bootfilename]是要从 Ubuntu 中下载的文件（这里不需要输入服务器中的完整路径，直接从TFTP文件目录中获取）

0.5EMMC和SD卡操作

mmc info

mmc info命令和mmcinfo命令相同，均为输出当前选中的设备信息，不做过多解释

mmc rescan

用于扫描当前开发板上所有的 MMC 设备，包括 EMMC 和 SD 卡

mmc list

查看当前开发板一共有几个 MMC 设备，通过该命令可以查看当前选中的设备（一般来说0为SD卡，1为EMMC）

mmc dev

切换当前 MMC 设备

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mmc dev [dev] [part]
#eg:
mmc dev 0 # 切换到设备0（一般为SD卡，通过mmc list可以查看）的分区0

[dev]用来设置要切换的 MMC 设备号，[part]是分区号（可以不写，默认为分区 0）

mmc part

查看选中的设备对应的分区信息

mmc read

读取当前选中 mmc 设备的数据

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mmc read addr blk# cnt
#eg:
mmc read 80800000 600 10 # 从选中设备的第 1536(0x600)个块开始，读取 16(0x10)个块的数据到 DRAM 的0X80800000 地址处

addr 是数据读取到 DRAM 中的地址， blk# 是要读取的块起始地址(十六进制)，一个块是 512字节，这里的块和扇区是一个意思，在 MMC 设备中我们通常说扇区， cnt 是要读取的块数量(十六进制)。

mmc write

将数据写入到当前选中 mmc 设备中

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mmc write addr blk# cnt
#eg:
mmc write 80800000 600 10 # 从 DRAM 的0X80800000 地址处写入 16(0x10)个块的数据到选中设备的第 1536(0x600)个块开始处

addr 是数据写入到 DRAM 中的地址， blk# 是要写入的块起始地址(十六进制)，一个块是 512字节，这里的块和扇区是一个意思，在 MMC 设备中我们通常说扇区， cnt 是要写入的块数量(十六进制)。

mmc erase

擦除 MMC 设备的指定块，最好别用

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mmc erase blk# cnt

blk# 为要擦除的起始块， cnt 是要擦除的数量。

0.6FAT文件系统操作

需要在 uboot 中对 SD 卡或者 EMMC 中存储的文件进行操作时需要用到该部分操作命令（只支持FAT格式）

fatinfo

查询指定 MMC 设置指定分区的文件系统信息

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fatinfo <interface> [<dev[:part]>]
#eg:
fatinfo mmc 1:1 # 查询 EMMC 设备（一般emmc为1，sd卡为0，通过mmc list可以查看）的分区 1 的文件系统信息

interface 表示接口，比如 mmc。dev 是查询的设备号， part 是要查询的分区。

fatls

查询 FAT 格式设备的目录和文件信息

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fatls <interface> [<dev[:part]>] [directory]
#eg:
fatls mmc 1:1

interface 是要查询的接口，比如 mmc。dev 是要查询的设备号，part 是要查询的分区，directory是要查询的目录（默认为根目录/）

fstype

查看 MMC 设备某个分区的文件系统格式

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fstype <interface> <dev>:<part>
#eg:
fstype mmc 1:1

interface 是要查询的接口，比如 mmc。dev 是要查询的设备号，part 是要查询的分区

fatload

将指定的文件读取到 DRAM 中

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fatload <interface> [<dev[:part]> [<addr> [<filename> [bytes [pos]]]]]
#eg:
fatload mmc 1:1 80800000 zImage # 将 EMMC 分区 1 中的 zImage 文件读取到 DRAM 中的0X80800000 地址处

interface 为接口，比如 mmc。 dev 是设备号， part 是分区， addr 是保存在 DRAM 中的起始地址， filename 是要读取的文件名字。 bytes 表示读取多少字节的数据（0或者省略表示读取整个文件）。pos 是要读的文件相对于文件首地址的偏移（0或者省略表示从文件首地址开始读取）

fatwrite

uboot 默认没有使能 fatwrite 命令，需要修改板子配置头文件来使能宏CONFIG_FAT_WRITE。该命令用于将 DRAM 中的数据写入到 MMC 设备中

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fatwrite <interface> <dev[:part]> <addr> <filename> <bytes>
#eg:
fatwrite mmc 1:1 80800000 zImage 0x5c2720

interface 为接口，比如 mmc， dev 是设备号， part 是分区， addr 是要写入的数据在 DRAM中的起始地址， filename 是写入的数据文件名字， bytes 表示要写入多少字节的数据

0.7EXT文件系统操作

uboot 有 ext2 和 ext4 这两种格式的文件系统的操作命令，常用的就四个命令，分别为：ext2load、 ext2ls、 ext4load、 ext4ls 和 ext4write。 这些命令与FAT文件系统的类似，在此不做过多叙述。

0.8BOOT操作

bootz

用于启动zImage镜像文件

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bootz [addr [initrd[:size]] [fdt]]
#eg:
bootz 80800000 – 83000000

addr 是 Linux 镜像文件在 DRAM 中的位置， initrd 是 initrd 文件在DRAM 中的地址（不使用该参数可以用-代替）， fdt 就是设备树文件在 DRAM 中的地址。

bootm

与上述命令类似，但是是启动uImage镜像文件，如果不使用设备树，则命令为：

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bootm addr

addr 是 uImage 镜像在 DRAM 中的首地址。如果要使用设备树则和bootz命令一致

boot

通过读取环境变量 bootcmd 来启动 Linux 系统

例子：

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setenv bootcmd 'tftp 80800000 zImage; tftp 83000000 imx6ull-alientek-emmc.dtb; bootz 80800000 - 83000000'
saveenv
boot

0.9其他命令

reset

复位命令，不做过多解释

go

用于运行裸机程序

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go addr [arg ...]

addr 是应用在 DRAM 中的首地址，arg是传入的参数

run

用于运行环境变量中定义的命令

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setenv mybootemmc 'fatload mmc 1:1 80800000 zImage; fatload mmc 1:1 83000000 imx6ullalientek-emmc.dtb;bootz 80800000 - 83000000'
setenv mybootnand 'nand read 80800000 4000000 800000;nand read 83000000 6000000 100000;bootz 80800000 - 83000000'
setenv mybootnet 'tftp 80800000 zImage; tftp 83000000 imx6ull-alientek-emmc.dtb; bootz 80800000 - 83000000'
saveenv
run mybootemmc
run mytoobnand
run mybootnet

一、Makefile结构分析

编译u-boot时，一般需要采取以下命令：

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make V=1 xxx_config # V=1输出全部内容
make -j8

下面依次介绍各命令的作用：

其中会用到以下命令，提前熟悉下：

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#搜索文件内的变量名
grep -nR "变量名"

1、make xxx_config

该命令会执行顶层Makefile中的目标%config，具体如下所示：

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%config: scripts_basic outputmakefile FORCE
    $(Q)$(MAKE) $(build)=scripts/kconfig $@

其中一些变量在其他地方定义过，总结如下：

  • 相关参数值：

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    #使用参数V=1时
    Q = # 输出详细信息
    #不使用参数V=1时
    Q = @ # 此时输出信息为精简版

    MAKE = make
    build = -f ./scripts/Makefile.bulid obj

  • outputmakefile为空，scripts_basic：

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    scripts_basic:
    	$(Q)$(MAKE) $(build)=scripts/basic
    	$(Q)rm -f .tmp_quiet_recordmcount

    展开后：

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    scripts_basic:
    	make -f ./scripts/Makefile.bulid obj=scripts/basic
    	rm -f .tmp_quiet_recordmcount

  • FORCE表示会让该依赖每次都执行

最后实际上运行的命令为：

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#依赖中：
make -f ./scripts/Makefile.bulid obj=scripts/basic
rm -f .tmp_quiet_recordmcount # 删除文件，不用管
#目标中：
make -f ./scripts/Makefile.bulid obj=scripts/kconfig xxx_defconfig

通过上述命令，可以看出都是调用./scripts/Makefile.bulid，该文件也可以视为Makefile，下面分析上述两条命令：

1、命令make -f ./scripts/Makefile.bulid obj=scripts/basic：

未指定目标，即采取./scripts/Makefile.bulid文件中PHONY指定的默认目标：__build：

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__build: $(if $(KBUILD_BUILTIN),$(builtin-target) $(lib-target) $(extra-y)) \
	 $(if $(KBUILD_MODULES),$(obj-m) $(modorder-target)) \
	 $(subdir-ym) $(always)
	@:

利用echo输出各变量，有：

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#顶层Makefile中：
KBUILD_MODULES :=
KBUILD_BUILTIN := 1
#echo直接输出：
builtin-target = 
lib-target = 
extra-y = 
subdir-ym = 
always = /scripts/basic/fixdep

综上，有：

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__build: /scripts/basic/fixdep
	@:

所以这条命令只是编译可执行文件/scripts/basic/fixdep

2、命令make -f ./scripts/Makefile.bulid obj=scripts/kconfig xxx_defconfig：

在Makefile.bulid中通过include $(kbuild-file)，即调用include ./scripts/kconfig/Makefile，在这里边指定目标：

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%_defconfig: $(obj)/conf
	$(Q)$< $(silent) --defconfig=arch/$(SRCARCH)/configs/$@ $(Kconfig)

这里替换掉各个变量后有：

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%_defconfig: scripts/kconfig/conf
	scripts/kconfig/conf --defconfig=arch/../configs/xxx_defconfig Kconfig

即有：

  1. 编译生成软件scripts/kconfig/conf
  2. 调用编译好的软件scripts/kconfig/conf生成配置输出文件.config

2、make

未指定目标，即采取Makefile文件中PHONY指定的默认目标，这里PHONY依赖有点多，但是重心为以下依赖：

PHONY->_all->$(ALL-y)

其中$(ALL-y)中的依赖也很多，但是重点是u-boot.bin依赖，且u-boot.bin依赖的文件也比较多，只需关注以下依赖即可：

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u-boot.bin: u-boot-nodtb.bin FORCE
	$(call if_changed,copy)

#依赖u-boot-nodtb.bin：
u-boot-nodtb.bin: u-boot FORCE
	$(call if_changed,objcopy)
	$(call DO_STATIC_RELA,$<,$@,$(CONFIG_SYS_TEXT_BASE))
	$(BOARD_SIZE_CHECK)

#依赖u-boot：
u-boot:	$(u-boot-init) $(u-boot-main) u-boot.lds FORCE
	$(call if_changed,u-boot__)
ifeq ($(CONFIG_KALLSYMS),y)
	$(call cmd,smap)
	$(call cmd,u-boot__) common/system_map.o
endif

#上述依赖中：
u-boot-init := $(head-y)
u-boot-main := $(libs-y)
#其中head-y和CPU架构相关，在arch/arm/Makefile中：
head-y := arch/arm/cpu/$(CPU)/start.o # 这里CPU = armv7
#libs-y有很多，基本上为各种源码库，如lib

  • libs-y会包括很多，但是基本上均为各种源码所对应的.o文件

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    libs-y += lib/
    libs-$(HAVE_VENDOR_COMMON_LIB) += board/$(VENDOR)/common/
    libs-$(CONFIG_OF_EMBED) += dts/
    libs-y += fs/
    libs-y += net/
    libs-y += disk/
    libs-y += drivers/
    ...
    libs-y		:= $(patsubst %/, %/built-in.o, $(libs-y))
    • 最后的libs-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(libs-y))调用了patsubst函数，将libs-y中的/替换为/built-in.o，即将原来的各个目录替换为了对应目录下的built-in.o文件
    • built-in.o文件是通过相同文件夹下.built-in.o.cmd文件生成的

综上，最后简化后的makefile如下：

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u-boot:	arch/arm/cpu/armv7/start.o lib/built-in.o ...(大量的built-in.o文件) u-boot.lds FORCE
	$(call if_changed,u-boot__)
  • u-boot.lds为编译出的链接脚本（真正的链接脚本来自arch/arm/cpu/u-boot.lds）

3、链接脚本

链接地址

通过make V=1 -j8编译U-boot时，最后会输出Entry Point: xxxxxxxx，此地址即为链接地址

该地址可以通过编译输出时的log信息发现，在最后链接时，会加入-Ttext xxxxxxxx，即在链接过程中即指定了链接地址

通过grep -nR "xxxxxxxx"可以发现最后的链接地址来自于include/configs/mx6_common.h中的**CONFIG_SYS_TEXT_BASE**宏

脚本分析

编译成功后会生成一个u-boot.map文件，其中包括了各段的具体地址，结合该.lds文件分析可以得到各段的地体地址

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OUTPUT_FORMAT("elf32-littlearm", "elf32-littlearm", "elf32-littlearm")
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start) //入口地址 0x87800000 具体标号在arch/arm/lib/vectors.S
SECTIONS
{
	. = 0x00000000;
	. = ALIGN(4);
	.text : //代码段
	{
		*(.__image_copy_start) //镜像起始地址 0x87800000
		*(.vectors) //中断向量表地址
		arch/arm/cpu/armv7/start.o (.text*) //start.o
		*(.text*)
	}
	. = ALIGN(4);
	.rodata : { *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*))) }
	. = ALIGN(4);
	.data : { //data段
		*(.data*)
	}
	. = ALIGN(4);
	. = .;
	. = ALIGN(4);
	.u_boot_list : {
		KEEP(*(SORT(.u_boot_list*))); //uboot命令存放段
	}
	. = ALIGN(4);
	.image_copy_end :
	{
		*(.__image_copy_end) //镜像结束地址 0x8785dc6c 300k+
	}
	.rel_dyn_start :
	{
		*(.__rel_dyn_start) //rel段（重定位用）起始地址 0x8785dc6c
	}
	.rel.dyn : {
		*(.rel*)
	}
	.rel_dyn_end :
	{
		*(.__rel_dyn_end) //rel段（重定位用）结束地址 0x878668a4 35k+
	}
	.end :
	{
		*(.__end) //总的代码结束地址 0x878668a4
	}
	_image_binary_end = .; //0x878668a4
	. = ALIGN(4096);
	.mmutable : {
		*(.mmutable)
	}
	.bss_start __rel_dyn_start (OVERLAY) : {
		KEEP(*(.__bss_start)); //bss段起始地址 0x8785dc6c
		__bss_base = .;
	}
	.bss __bss_base (OVERLAY) : {
		*(.bss*)
		 . = ALIGN(4);
		 __bss_limit = .;
	}
	.bss_end __bss_limit (OVERLAY) : {
		KEEP(*(.__bss_end)); //bss段结束地址 0x878a8d74
	}
	.dynsym _image_binary_end : { *(.dynsym) }
	.dynbss : { *(.dynbss) }
	.dynstr : { *(.dynstr*) }
	.dynamic : { *(.dynamic*) }
	.plt : { *(.plt*) }
	.interp : { *(.interp*) }
	.gnu.hash : { *(.gnu.hash) }
	.gnu : { *(.gnu*) }
	.ARM.exidx : { *(.ARM.exidx*) }
	.gnu.linkonce.armexidx : { *(.gnu.linkonce.armexidx.*) }
}

二、初始化流程

详见思维导图：U-Boot启动流程.xmind

U-Boot启动流程

三、u-boot命令实现

  1. 所有命令通过结构体cmd_tbl_t进行封装（在include/command.h中定义）

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    struct cmd_tbl_s {
    	char		*name;		/* Command Name			*/
    	int		maxargs;	/* maximum number of arguments	*/
    	int		repeatable;	/* autorepeat allowed?		*/
    					/* Implementation function	*/
    	int		(*cmd)(struct cmd_tbl_s *, int, int, char * const []);
    	char		*usage;		/* Usage message	(short)	*/
    #ifdef	CONFIG_SYS_LONGHELP
    	char		*help;		/* Help  message	(long)	*/
    #endif
    #ifdef CONFIG_AUTO_COMPLETE
    	/* do auto completion on the arguments */
    	int		(*complete)(int argc, char * const argv[], char last_char, int maxv, char *cmdv[]);
    #endif
    };

    typedef struct cmd_tbl_s	cmd_tbl_t;

  2. 所有命令通过结构体中的name成员进行查找

  3. 这些结构体存在一个uboot自定义的段内：

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    SECTIONS
    {
    	...
    	.u_boot_list : {
    		KEEP(*(SORT(.u_boot_list*))); //uboot命令存放段
    	}
    	...
    }

  4. 通过宏U_BOOT_CMD可以快速定义这些命令结构体：

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U_BOOT_CMD(
名字,最大参数,是否可重复,cmd函数,
短字符串,
长字符串
);

例子：

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U_BOOT_CMD(
 	bootm,	CFG_MAXARGS,	1,	do_bootm,
 	"bootm   - boot application image from memory\n",
 	"[addr [arg ...]]\n    - boot application image stored in memory\n"
 	"\tpassing arguments 'arg ...'; when booting a Linux kernel,\n"
 	"\t'arg' can be the address of an initrd image\n"
#ifdef CONFIG_OF_FLAT_TREE
	"\tWhen booting a Linux kernel which requires a flat device-tree\n"
	"\ta third argument is required which is the address of the of the\n"
	"\tdevice-tree blob. To boot that kernel without an initrd image,\n"
	"\tuse a '-' for the second argument. If you do not pass a third\n"
	"\ta bd_info struct will be passed instead\n"
#endif
);

四、一般的移植思路

  1. 芯片厂商或者uboot官网找到uboot的源码
  2. 直接在configs/下复制类似芯片或板卡的xxx_defconfig默认配置文件
  3. 在include/configs下找到类似芯片或板卡的配置头文件，直接复制
  4. 在board/下找到类似芯片或板卡的板级文件夹，直接复制