小白自制Linux開發板二. u-boot移植小白自制Linux開發板一. 瞎抄原理圖與亂畫PCB

上一篇：小白自制Linux開發板一. 瞎抄原理圖與亂畫PCB 中我們做了一個小型而沒用的開發板，用的是Licheepi Nano的鏡像，那從本篇開始我們開始自己構建它的靈魂吧。

我們都知道，PC在啓動的時候，首先是進入BIOS，再根據BIOS中配置信息引導後續的啓動操作系統，比如配置Windows啓動。

而對於嵌入式linux中，並沒有BIOS，這時候就需要一種類似引導程序來處理。於是就有了BootLoader。

BootLoader是一段小程序，可以把它想象成PC機linux上的GRUB/LILO引導程序，可以直接從flash或TF卡中運行，來裝載內核。它可以初始化硬件設備，從而將系統的軟硬件環境帶到一個合適的狀態，以便爲最終調用操作系統做好準備。

1. 嵌入式開發板的啓動過程

一個嵌入式系統從軟件角度來看分爲三個層次：

引導加載程序

包括固化在芯片中的boot程序（可選）和BootLoader兩大部分，對於固化的boot程序。主要是芯片通過外圍電路連接的實際情況選擇讀入程序的位置，比如：通過TF卡或是SPI以及其他方式啓動，至於優先順序這就要具體看芯片的數據手冊，個人沒做過具體測試。

linux內核

特定於嵌入式平臺的定製內核

文件系統

包括了系統命令和應用程序

BootLoader

Boot Parameters

Kernel

Root Filesystem

BootLoader啓動過程可分爲單階段和多階段(stage1、stage2),其中stage1完成初始化硬件，如CPU寄存器、內存控制器，爲stage2準備內存空間。一般stage1是可以直接在nor flash中運行的，並將stage2複製到內存RAM中，設置堆棧，然後跳轉到stage2(從這也可以看出stage2是在RAM中運行的，與stage1不同)

Boot Parameters 顧名思義，就是配置了要啓動內核的參數，包含要加載系統內核相關文件的位置，要加載到內存中的位置，定位到文件系統的位置，相關輸入輸出的呈現等一系列參數。

kernel 在存放在bootloader之後，對於SoC來說，代碼都需要在RAM中運行，這裏與MCU不一樣的地方就是引入了MMU（內存管理單元）。對於MCU而言，由於其執行速度低，因此運行代碼都在ROM中直接運行，而對於Flash而言，其讀取速度遠不及RAM的速度，因此對於運行速度非常快的SoC而言，所有的代碼都需要在RAM中運行。但是這裏有一個問題，RAM掉電數據將會丟失，故代碼保存不可能放在RAM中，當前所有的嵌入式設備而言，代碼保存都是放在ROM中，因此在SoC中運行代碼需要將代碼搬運到RAM中然後再執行。

Root Filesystem 由於其執行過程需要對ROM進行讀寫操作，因此可以不用搬運到RAM中，但是實際過程中內核啓動後會產生一個虛擬的文件系統，該文件系統是掛在根文件系統的關鍵所在，這裏不詳細講解。整體來說，大致的過程爲，嵌入式設備上電後將執行bootloader，對硬件進行硬件和堆棧初始化，然後搬運內核到RAM中並啓動內核，緊接着掛載根文件系統。

2. 環境配置與參考項目

系統：Ubuntu 16

編輯器：VSCode

參考項目：Lichee-Pi Nano

地址：https://wiki.sipeed.com/soft/Lichee/zh/Nano-Doc-Backup/index.html

Lichee-Pi Nano

需要注意的是一定要選擇Nano版本，因爲我們開發板使用的主控芯片和Nano的主控是一致的，所以後續我們要編譯U-boot，內核都可以參考(bai piao)這裏面的配置。

主控芯片：F1c100s/F1c200s，100s內置32MB DDR1內存，200s內置64MB DDR1內存，200s貴一點，他們都是QFN88封裝。

ARM926ejs內核，主頻默認408MHz，據瞭解做產品出貨的一般在600M左右。

帶有100M的SPI接口2個，SDIO接口1個，USB OTG接口，還有CSI攝像頭接口，LCD RGB顯示屏接口，音頻接口，I2C I2S UART PWM等等。

還有就是他們不支持硬件浮點，所以浮點運算使用軟浮點方式。

F1c100s/F1c200s芯片功能

3.交叉編譯器

我們通過PC版的Linux自帶的gcc編譯的程序只能在當前系統架構下的cpu架構(x86)下運行，如果我們想要編寫的程序在嵌入式Linux下運行，那麼就需要用到對應的編譯器。

我們做的開發板主控芯片F1C200S，內核爲ARM9，其架構使用的是ARMv5架構，所以我們也要選用對應的編譯器，同樣，這樣的編譯器很多，這裏我們使用最常用的arm-linux-gnueabi- ，因爲交叉編譯器F1C200S必須高於6.0版本，這裏我們使用7.2版本

點擊下載

下載較慢時使用下載工具

下載完成後解壓文件：

tar -vxjf gcc-linaro-7.2.1-2017.11-x86_64_arm-linux-gnueabi.tar.xz

然後在/usr/local目錄下新建arm-linux-gcc目錄

sudo mkdir /usr/local/arm-linux-gcc

進入解壓目錄下：

cd gcc-linaro-7.2.1-2017.11-x86_64_arm-linux-gnueabi/

sudo cp -rd * /usr/local/arm-linux-gcc/

最後需要添加該工具鏈的環境變量使其可以在任何目錄下執行，打開/etc/profile文件

sudo nano /etc/profile

在文件末尾添加以下內容

PATH=$PATH:/usr/local/arm-linux-gcc/bin

添加完畢，使路徑生效

source /etc/profile

接下來在終端輸入：

arm-linux-

然後連按兩次Tab鍵，如圖在表示成功：

如果沒有出現，則進行下面操作，安裝必要的動態鏈接庫

sudo apt-get install lib32ncurses5 lib32z1

至此，我們完成了編譯工具的配置。

4. 編譯U-boot

當Arm開發板上電以後第一個要加載到內存並運行的程序就是BootLoader，BootLoader的同類型程序很多，如U-boot、X-boot、Rt-Thread，這裏我們依然選中最常用的U-boot作爲目標(因爲其他的我也不會呀)，

最新版本的uboot幾乎包含當前主流的SoC芯片，前面提到本開發板使用的芯片和licheePI nano相同，大部分硬件也是兼容的，爲了快速移植該部分，這裏採用licheePI nano的u-boot來進行移植。在終端輸入如下命令克隆u-boot：

git clone https://github.com/Lichee-Pi/u-boot.git -b nano-v2018.01

克隆完畢文件會保存在當前目錄下，進入該目錄，

cd u-boot

在該文件夾下有很多分支，我們可以查看所有分支，使用如下命令：

git branch -a

現在我們使用的是nano開發板，所以將當前分支切換到nano分支，命令如下：

git checkout nano-v2018.01u-boot

切換到Nano分支

默認的沒有指定交叉工具鏈和架構，因此在編譯之前需要指定交叉工具鏈和芯片架構，u-boot的交叉編譯器在u-boot 的根目錄下中的Makefile文件中定義了。打開文件找到CROSS_COMPILE變量，修改爲如下：

ARCH=arm
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

配製交叉編譯環境

這樣我們就能使用我們指定的編譯器來編譯u-boot了。

在u-boot項目的config目錄下存在對多種板子的配置描述文件，由於每個板子的外設不同，因此編譯之前必須要對u-boot進行配置。然而配置是一件比較繁瑣的事情，特別是像u-boot這種比較複雜的項目而言，初學者幾乎無法完成。幸運的是對於大部分開發板而言，config目錄下有其配置好的默認配置文件。進入config目錄中，然後執行ls查看當前所有的配置文件

cd config
ls

查看配製文件

找到licheepi_nano_defconfig 和 licheepi_nano_spiflash_defconfig，前者表示爲TF卡啓動，後者表示從SPI 設備啓動，因爲我們做的小板只有從TF卡啓動，所以我們需要使用 licheepi_nano_defconfig 。

現在回到上級目錄，然後執行

make licheepi_nano_defconfig
cd ..
make make licheepi_nano_defconfig

這樣我們把licheepi_nano_defconfig 作爲默認配置項。

接下來我們就可以用圖形界面進行配置了，執行

make menuconfig

此時出現圖形配置選項，如下圖所示

u-boot Menuconfig配製，注意紅框中的配置，我們後續要用到。

至此我們的u-boot環境配置就完成了，但是我們還有個問題要解決：如何讓u-boot引導系統

我們在PC端安裝Windows系統的時候往往需要選擇啓動順序，比如需要優先通過光驅或u盤啓動等。

同樣在u-boot中也需要這樣的配置，當然u-boot比PC配置稍微複雜一丟丟。我們前面提到Linux嵌入式系統結構分佈中有個Boot Parameters 部分，這部分就是做引導配置的，那怎麼配置呢，總體來說可以分爲兩部分：

bootcmd，主要用於描述控制Linux內核文件以及其他描述文件加載到內存中位置以及啓動Linux內核系統等
bootargs，用於配製文件系統、串口信息等。

bootcmd

在最開始提到過，內核一般不在flash中運行，這樣就需要將內核搬運到內存中，這個過程需要u-boot來完成。對於mmc (TF卡)而言，在u-boot有專門的命令load mmc，該命令可以將mmc中的代碼從flash搬運到指定的地址處。

當u-boot中環境變量bootdelay計數到0時，此時uboot就會開始執行bootcmd中的命令。

bootdelay這個環境變量是一個計數器，當u-boot主體運行完畢後，此時bootdelay該變量的值將會開始遞減，遞減時間爲1s，當遞減到0時，此時u-boot將會跳轉到bootcmd處開始執行bootcmd命令，（你可以簡單理解爲PC啓動後有一兩秒時間等待，你可以可以通過F8或Enter鍵打斷進入Bios設置的過程，這個等待時間就由u-boot中的bootdelay來控制）。

下面我們需要記住這句指令，這就是我們當前製作的開發板需要用到的bootcmd全部內容

load mmc 0:1 0x80008000 zImage;load mmc 0:1 0x80c08000 suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb;bootz 0x80008000 - 0x80c08000;

如果你需要詳細瞭解這句話那就接着往下看，如果不需要則可以跳到下面的u-boot參數配置環節

對於上面命令，我們根據分號拆分爲3部分:

1> load mmc 0:1 0x80008000 zImage;
2> load mmc 0:1 0x80c08000 suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb;
3> bootz 0x80008000 - 0x80c08000;

其中兩個 load mmc 命令、一個bootz 命令。

先看第一條：

load mmc 0:1 0x80008000 zImage

load mmc有三個參數：第一個參數是mmc(TF卡)分區，第二個參數是內存中目標地址，第三個參數是源文件。

即上面的命令意思是將mmc的0:1 分區中的zImage複製到內存中的0x80008000地址處。這裏的zimage就是Linux內核，後續會提到該文件編譯，0:1這個可以這樣理解0表示TF卡(TF卡屬於mmc存儲器的一種)，1這表示TF卡的第一個分區(boot分區)後面會提到。

而對於內存位置 0x80008000 地址位置，將其理解爲默認值就行了。這樣完成了zImage的加載。

下面分析第二條命令：

load mmc 0:1 0x80c08000 suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb

有了上面的加載zImage的說明，可以很輕鬆的理解上面的命令意思是將mmc的0:1分區中的suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb文件加載到內存中的0x80c08000地址處。對於suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb 這個文件，叫做設備樹文件，簡單來說就是當前開發板上面所有外設備描述文件，這部分將會在後續內核編譯部分進行詳細說明。

對於第三條命令：

bootz 0x80008000 - 0x80c08000

的意思是告訴內核鏡像的起始地址爲0x80008000，加載的設備樹地址爲0x80c08000。這裏是告訴cpu從這裏開始啓動Linux， bootz命令的格式是：bootz空格0x80008000空格-空格0x80c08000,注意-左右有空格。

除了bootz 命令外，有些系統裏面還可能存在一個叫做bootm命令，這是是對沒有使用設備樹內核的鏡像啓動命令，早期版本的內核沒有引入設備樹，因此對於早期的內核一般使用的是bootm，其命令格式爲bootm內核地址，比如bootm x0x30008000，意思是從0x30008000開始啓動內核，啓動內核的過程其實是將pc指針指向該地址，這樣處理器就會從該地址處運行代碼。

這裏我們就完成了bootcmd的說明，接下來我們看另外一個參數。

bootargs

bootargs也是u-boot環境變量中一個非常重要的變量，上面已經講解了內核的啓動可以通過bootcmd來完成，那接下來內核啓動完畢後必須掛在根文件系統(rootfs)。但是內核並不知道根文件系統的具體位置，我們必須要告訴根文件的位置後內核才能將其掛載，這時就需要有bootargs變量。該變量的作用是告訴內核根文件系統的位置和屬性以及必要的配置，

console=ttyS0,115200 panic=5 rootwait root=/dev/mmcblk0p2 earlyprintk rw

同上面分析的方法一樣，我們依然將這部分命令拆成幾部分來說明。這裏需要說明的是，這部分配置信息是由u-boot 直接按照參數字符串方式提供給Linux內核，然後由Linux內核進行執行的，這也說明裏爲什麼格式與bootcmd配置方式不一致。

console=ttyS0,115200 表示終端爲ttyS0即串口0,波特率爲115200；

panic=5 字面意思是恐慌，即linux內核恐慌，其實就是linux不知道怎麼執行了，此時內核就需要做一些相關的處理，這裏的5表示超時時間，當Linux卡住5秒後仍未成功就會執行Linux恐慌異常的一些操作。

rootwait 該參數是告訴內核掛在文件系統之前需要先加載相關驅動，這樣做的目的是防止因mmc驅動還未加載就開始掛載驅動而導致文件系統掛載失敗，所以一般bootargs中都要加上這個參數。

root=/dev/mmcblk0p2 表示根文件系統的位置在mmc的0:2分區處，/dev是設備文件夾，內核在加載mmc中的時候就會在根文件系統中生成mmcblk0p2設備文件，這個設備文件其實就是mmc的0:2分區(這裏對應TF卡的第二個分區：rootfs)，這樣內核對文件系統的讀寫操作方式本質上就是讀寫/dev/mmcblk0p2該設備文件。

earlyprintk 參數是指在內核加載的過程中打印輸出信息，這樣內核在加載的時候終端就會輸出相應的啓動信息。rw表示文件系統的操作屬性，此處rw表示可讀可寫。

5.u-boot參數配置

 make menuconfig

選中 Enable boot arguments 按空格選中，下面會顯示：() Boot arguments

然後選中Boot arguments ,按回車，進入配置窗口，接下來上面解釋過的bootargs 參數信息：

console=ttyS0,115200 panic=5 rootwait root=/dev/mmcblk0p2 earlyprintk rw

配置bootargs信息

然後按Tab鍵選中<OK>，保存並進入主菜單。

同理配置：Enable a default value for bootcmd 按空格選中，下面會顯示：() bootcmd value 配置項，

選中bootcmd value 進入配置界面，輸入bootcmd命令：

load mmc 0:1 0x80008000 zImage;load mmc 0:1 0x80c08000 suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb;bootz 0x80008000 - 0x80c08000;

配置bootcmd參數

按Tab鍵選中<OK>，保存並進入主菜單。

6.u-boot編譯與燒錄

先保存圖形配置界面後推出界面，在終端執行make -j4即可對整個u-boot進行編譯。

make -j4

編譯u-boot

make -j4後面的-j4表示4個核心進行編譯，若電腦的處理器是2核心，請使用make -j2進行編譯。

編譯完成後會在當前目錄生成u-boot-sunxi-with-spl.bin燒錄文件。

根目錄下找到 u-boot-sunxi-with-spl.bin 文件

該文件就是我們最終要燒錄的二進制文件。

在當前目錄下會有一個隱藏的文件.config，該文件是u-boot編譯後根據各個選項產生的配置文件，這個配置文件記錄了所有配置選項的宏開關，編譯的時候是根據最終的.config文件來進行編譯的，當然編譯前是需要有腳本解析.config文件然後進行相應的編譯。

燒錄到TF卡

只要將u-boot-sunxi-with-spl.bin燒錄到tf卡的8k偏移處地址就可以了，燒錄步驟如下：使用dd命令進行塊搬移：

sudo dd if=u-boot-sunxi-with-spl.bin of=/dev/sdb bs=1024 seek=8

該命令中：

if 文件名：輸入文件名，缺省爲標準輸入。即指定源文件。< if=input file >

of 文件名：輸出文件名，缺省爲標準輸出。即指定目的文件。< of=output file >

bs bytes：同時設置讀入/輸出的塊大小爲bytes個字節。

seek blocks：從輸出文件開頭跳過blocks個塊後再開始複製。

這裏的輸出文件(of)爲主機電腦的/dev/sdb文件，也就是TF卡，這裏也體現了Linux一切皆文件的思想。

/dev/sdb 這個可以用gparted 軟件查看，該軟件可以直接用命令安裝即可：

sudo apt-get install gparted

此時在Ubuntu下面可以看到如下軟件：

安裝好GParted軟件

打開軟件

GParted

在右上角可以看到兩個硬盤，/dev/sda 爲本地硬盤，/dev/sdb 是我們將要寫數據的TF(當然這只是墨雲自己的配置使然，具體情況請根據實際情況而定)，因此這裏的of=/dev/sdb 燒錄到8k偏移地址處是指絕對地址，這個絕對地址指的是TF卡的物理地址。這8K的值是由F1C200S 中固化的啓動代碼決定的，所以照抄即可。

燒寫u-boot

然後我們正常退出TF卡，然後插入我們自制的開發板，通過USB線連接電腦，

連接開發板

打開電腦中的命令行工具，我這裏使用Xshell，

打開Xshell，新建連接：

配置名稱，協議選擇Serial,

配置串口

通過下拉選中com端口，波特率爲115200，其他默認即可，點擊確定，然後雙擊主界面左側會話管理中的剛建立的會話，此時進入連接狀態。

因爲在你插入USB通電的時候開發板就已經啓動了，所以當你打開串口連接的時候可能未必會看到信息，所以按一下重啓鍵，就可以看到如下的輸出信息了，這就是我們的u-boot，執行到u-bbot計數完成後會產生錯誤，那是因爲我們還沒有進行系統內核的移植，所以默認就會進入u-boot命令模式。

啓動信息

輸入pri命令打印環境變量的所有值，可以找到已經配置的bootcmd 和bootargs

pri命令結果

至此完成了u-boot移植的全部內容，對於u-boot的移植方法，在後續移植Linux內核和文件系統時都會用到，都是大同小異的，所以有了本篇的說明，之後操作將會非常簡單。

而關於u-boot的內容事實上非常的複雜繁瑣，有興趣的可以自行去了解到，畢竟作爲一個小白的我初衷只是先讓小板先跑起來。

參考資料

Lite200 (lishanwen) -- https://lishanwen.cn/index.php/2021/07/03/lite200/

全志F1C200S F1C100S 介紹 ( 迪卡魏曼依奇君 ) https://blog.csdn.net/tunqimai9331/article/details/95938903

荔枝派Nano 全流程指南 (矽速科技) https://wiki.sipeed.com/soft/Lichee/zh/Nano-Doc-Backup/index.html

小白自制Linux開發板二. u-boot移植小白自制Linux開發板一. 瞎抄原理圖與亂畫PCB

1. 嵌入式開發板的啓動過程

2. 環境配置與參考項目

3.交叉編譯器

4. 編譯U-boot

5.u-boot參數配置

6.u-boot編譯與燒錄

參考資料

小白自制Linux開發板(第二季 V3s篇) 一. 換個核心再來一次

小白自制Linux開發板十. NES遊戲玩起來

小白自制Linux開發板九. 修改開機Logo

小白自制Linux開發板八. Linux音頻驅動配置

小白自制Linux開發板七. USB驅動配置

https://yachay.unat.edu.pe/blog/index.php?comment_area=format_blog&comment_component=blog&comment_co

linux以太網驅動總結

小白自制Linux開發板 二. u-boot移植 小白自制Linux開發板 一. 瞎抄原理圖與亂畫PCB

1. 嵌入式開發板的啓動過程

2. 環境配置與參考項目

3.交叉編譯器

4. 編譯U-boot

5.u-boot參數配置

6.u-boot編譯與燒錄

參考資料

小白自制Linux開發板二. u-boot移植小白自制Linux開發板一. 瞎抄原理圖與亂畫PCB