本文簡明扼要的介紹了嵌入式 Linux 的引導過程，X86 體系的引導過程以及幾種常見嵌入式處理器的引導過程，U-Boot 的移植的基本步驟、常用命令如何使用。通過本文可以對嵌入式 Linux 的引導從概念到實際操作有一個總體清晰的認識

1. 啟動順序
1.1 Bootloader

Bootloader（引導加載程序）本質上是一小段程序，其基本功能在于：

基本的硬件初始化

從閃存存儲，網絡或其他類型的非易失性存儲中加載應用程序二進制文件（通常是操作系統內核）。

可能會對應用程序二進制文件進行解壓縮

執行申請

除此基本功能之外，大多數 Bootloader（引導加載程序）實現了 Shell 命令集以執行不同操作。

從存儲或網絡中加載數據，內存檢查，硬件診斷和測試等

1.2 基于 BIOS-X86 的引導

x86 處理器通常安裝在在一塊包含 BIOS 程序的非易失性存儲器主板上。

在基于 BIOS 的舊 x86 平臺上：BIOS 負責基本的硬件初始化和從非易失性存儲中加載一小段代碼。

這段代碼通常是第一階段的引導程序 bootloader，它將加載完整的引導程序 bootloader 本身。

bootloader 可以解析文件系統，因此內核映象可以直接從普通文件系統中加載。

此順序與現代基于 EFI 的系統不同。

用于 X86 體系 Linux 的 bootloader 常用的有以下兩種：

GNU GRUB（GRand UnifiedBootloader 簡稱“GRUB”）是一個來自 GNU 項目的多操作系統啟動程序。GRUB 是多啟動規范的實現，它允許用戶可以在計算機內同時擁有多個操作系統，并在計算機啟動時選擇希望運行的操作系統。GRUB 可用于選擇操作系統分區上的不同內核，也可用于向這些內核傳遞啟動參數。

在 X86 架構的機器中，Linux、BSD 或其它 Unix 類的操作系統中 GRUB、LILO 是大家最為常用，應該說是主流。

詳細信息請參考：http://www.gnu.org/software/grub/

syslinux 是一個功能強大的引導加載程序，而且兼容各種介質。它的目的是簡化首次安裝 Linux 的時間，并建立修護或其它特殊用途的啟動盤。它的安裝很簡單，一旦安裝 syslinux 好之后，sysLinux 啟動盤就可以引導各種基于 DOS 的工具，以及 MS-DOS/Windows 或者任何其它操作系統。不僅支持采用 BIOS 結構的主板，而且從 6.0 版也開始支持采用 EFI 結構的新型主板。

Syslinux 常被用于自網絡或者可移動存儲介質（如 USB/CD-ROM）引導 Linux

詳細信息請參考：https://kernel.org/pub/linux/utils/boot/syslinux/

1.3 嵌入式 CPU 的引導

Case 1：CPU 內部無引導代碼

CPU 上電后，CPU 開始在固定地址入口執行代碼

CPU 沒有提供其他引導機制

硬件設計必須確保已連接存儲芯片（如 NOR 閃存芯片）這樣就可以在 CPU 啟動的地址訪問它并執行指令

第一級引導程序必須在此地址編程在該存儲芯片中（如 NOR）

NOR 是強制性的，因為它允許隨機訪問，NAND 不允許

注：這種方案已不常用，因為需要 NOR FLASH

Case2：CPU 內具有引導代碼

CPU 在 ROM 中具有集成的引導代碼。如：AT91 CPU 上的 BootROM，OMAP 上的“ ROM 代碼”，等等。具體細節取決于 CPU 體系結構

此引導代碼能夠將第一級引導加載程序從存儲設備加載到內部 SRAM（因為 DRAM 尚未初始化）。 存儲設備通常可以是：MMC，NAND，SPI 閃存，UART（通過串行線傳輸數據）等等。

第一階段的引導程序： 由于硬件限制，尺寸有限（SRAM 比較貴）， 由 CPU 供應商或社區項目提供

此第一階段引導程序必須初始化 DRAM 和其他硬件設備，并將第二階段的引導程序加載到 RAM

因為本文專注嵌入式領域，故接下來將描述幾種常見的嵌入式處理器的引導過程。

1.2.1 ARM Microchip AT91 的引導

RomBoot：嘗試從各種設備中找到有效的引導映像存儲源，然后將其加載到 SRAM 中（DRAM 還未初始化）。大小限制為 4 KB，無法進行用戶互動標準啟動模式。

AT91Bootstrap：從 SRAM 運行。初始化 DRAM，NAND 或 SPI 控制器，并將輔助引導程序加載到 RAM 并啟動它，此階段沒有用戶互動的可能。

U-Boot：從 RAM 運行。初始化其他一些硬件設備（網絡，USB 等）。從存儲或加載內核映像網絡到 RAM 并啟動它。此階段 Shell 命令可以使用。

Linux 內核：從 RAM 運行。完全接管系統（引導加載程序 bootloader 不再存在）。

1.2.2 ARM TI OMAP2+/AM33xx 的引導

ROM 代碼：嘗試從各種方法中找到有效的引導映像存儲源，并將其加載到 SRAM 或 RAM 中（RAM 可以是由 ROM 代碼通過配置標頭初始化）。尺寸限制為《64 KB。沒有用戶互動的可能。

X-Loader 或 U-Boot SPL：從 SRAM 運行。初始化 DRAM，NAND 或 MMC 控制器，并加載輔助將引導程序加載到 RAM 中并啟動它。沒有用戶互動的可能。文件名為 MLO。

U-Boot：從 RAM 運行。初始化其他一些硬件設備（網絡，USB 等）。從存儲或加載內核映像網絡到 RAM 并啟動它。具有提供的命令的 Shell。該文件一般名為 u-boot.bin 或 u-boot.img。

Linux 內核：從 RAM 運行。完全接管系統（引導程序不再存在）。

1.2.3 MarvellSoCs 的引導

ROM 代碼：嘗試從各種方法中找到有效的引導影像

存儲源，并將其加載到 RAM 中。RAM 配置為在特定于 CPU 的標頭中進行了描述，該標頭已添加到引導加載程序中圖片。

U-Boot：從 RAM 運行。初始化其他一些硬件設備（網絡，USB 等）。從存儲或加載內核映像網絡到 RAM 并啟動它。具有提供的命令的 Shell。文件名為 u-boot.kwb。

Linux 內核：從 RAM 運行。完全接管系統（引導程序不再存在）。

1.2.4 常見嵌入式處理器的 bootloader

本文將重點介紹通用部分，即主要的引導加載程序重要功能。有幾種開源的通用引導加載程序。以下是最受歡迎的：

U-Boot，Denx 的通用引導程序

最常用于 ARM，也可用于 PPC，MIPS，x86，m68k，NIOS 等。

如今已成為事實上的標準。我們將詳細研究它。

http://www.denx.de/wiki/U-Boot

Barebox，與體系結構無關的引導程序，是 U-Boot 的后繼產品。它尚不具備 U-Boot 的硬件支持。U-Boot 改善了非常感謝這位競爭對手。

http://www.barebox.org

還有很多其他開源或專有的引導程序，通常特定于架構。如 RedBoot，Yaboot，PMON 等

2. U-Boot

2.1 介紹

U-Boot 是一個典型的免費軟件項目

許可證：GPLv2（與 Linux 相同）

可從 http://www.denx.de/wiki/U-Boot 免費獲得

可從 http://www.denx.de/wiki/U-Boot/DocumentaTIon 獲得文檔

Git 存儲庫中提供了最新的開發源代碼：

http://git.denx.de/？p=u-boot.git;a=摘要

圍繞開放的郵件列表進行開發和討論，http://lists.denx.de/pipermail/u-boot/ 自 2008 年底開始，它遵循固定間隔的發布時間表。兩個幾個月，發布了新版本。版本名為 YYYY.MM。

2.2 配置文件

從網站獲取源代碼并解壓縮。configs/ 目錄為每個受支持的板包含一個配置文件，定義 CPU 類型，外圍設備及其配置，存儲器映射，應在其中編譯的 U-Boot 功能等。

注意：U-Boot 正在從頭文件中定義的主板配置遷移（include/configs/）改為 defconfig，就像在 Linux 內核（configs/）中一樣

并非所有電路板都已轉換為新的配置系統。硬件供應商提供的較舊的 U-Boot 版本可能尚未使用此新版本配置系統。

U-BOOT 配置文件 CHIP_defconfig 舉例如下：

CONFIG_ARM=y

CONFIG_ARCH_SUNXI=y

CONFIG_MACH_SUN5I=y

CONFIG_DRAM_TIMINGS_DDR3_800E_1066G_1333J=y

# CONFIG_MMC is not set

CONFIG_USB0_VBUS_PIN=“PB10”

CONFIG_VIDEO_COMPOSITE=y

CONFIG_DEFAULT_DEVICE_TREE=“sun5i-r8-chip”

CONFIG_SPL=y

CONFIG_SYS_EXTRA_OPTIONS=“CONS_INDEX=2”

# CONFIG_CMD_IMLS is not set

CONFIG_CMD_DFU=y

CONFIG_CMD_USB_MASS_STORAGE=y

CONFIG_AXP_ALDO3_VOLT=3300

CONFIG_AXP_ALDO4_VOLT=3300

CONFIG_USB_MUSB_GADGET=y

CONFIG_USB_GADGET=y

CONFIG_USB_GADGET_DOWNLOAD=y

CONFIG_G_DNL_MANUFACTURER=“Allwinner Technology”

CONFIG_G_DNL_VENDOR_NUM=0x1f3a

CONFIG_G_DNL_PRODUCT_NUM=0x1010

CONFIG_USB_EHCI_HCD=y

2.3 配置并編譯

必須先配置 U-Boot，然后再進行編譯

1. 制作 BOARDNAME_defconfig

2. 其中 BOARDNAME 是配置名稱，如 configs/ 目錄。

3. 然后，您可以運行 make menuconfig 進一步自定義 U-Boot 的配置！

確保交叉編譯器在 PATH 中可用

通過指定交叉編譯器首選項來編譯 U-Boot。例如，如果交叉編譯器可執行文件是 arm-linux-gcc：CROSS_COMPILE= arm-linux-

主要結果是一個 u-boot.bin 文件，它是 U-Boot 映像。取決于您的特定平臺上，可能還有其他專用映像：u-boot.img

2.4 安裝 U-Boot

通常必須將 U-Boot 安裝在閃存中才能由硬件執行。取決于硬件，U-Boot 的安裝以不同的方式完成：

CPU 提供了某種特定的引導監視器，您可以使用特定的協議通過串行端口或 USB 與之進行通信

從固定媒體（NAND）引導之前，CPU 首先在可移動媒體（MMC）上引導。在這種情況下，請從 MMC 引導以刷新新版本

U-Boot 已經安裝，可以用來發布新版本的 U-Boot。但是請注意：如果新版本的 U-Boot 無法正常工作，則該主板將無法使用

該評估板提供了一個 JTAG 接口，該接口允許遠程寫入閃存，而無需在該評估板上運行任何系統。如果引導加載程序不起作用，它還可以挽救一塊板。

2.5 U-boot 啟動提示信息

通過串行控制臺將目標連接到主機。接通電路板電源。在串行控制臺上，您將看到類似以下內容：

U-Boot Shell 提供了一組命令。本文將研究最重要的內容，請參閱文檔以獲取完整參考或 help 命令。

2.5.1 基本信息命令

2.5.2 重要命令

具體的命令集取決于 U-Boot 配置

help 命令，將列出該配置的所有命令，help command，將列出具體命令的使用幫助

ext2load，將文件從 ext2 文件系統加載到 RAM，還有 ext2ls 列出文件，ext2info 以獲得信息

fatload，將文件從 FAT 文件系統加載到 RAM，還有 fatls 和 fatinfo

tftp，將文件從網絡加載到 RAM

ping，用于測試網絡的物理連通性

boot，運行默認的啟動命令，存儲在 bootcmd 中

bootz 《address》，啟動加載到 RAM 中給定地址的內核映像

loadb，加載，加載，將文件從串行線加載到 RAM

usb，用于初始化和控制 USB 子系統，主要用于 USB 存儲 USB 鑰匙等設備

mmc，用于初始化和控制 MMC 子系統，用于 SD 和 microSD 卡

nand，以擦除，讀取和寫入 NAND 閃存中的內容

erase， protect， cp，用于擦除，修改保護以及寫入 NOR 閃存

md，用于顯示內存內容。對檢查加載到內存中的內容或查看硬件寄存器很有用。

mm，用于修改存儲內容。出于測試目的，直接修改硬件寄存器常常在調試階段很有用。

2.5.3 環境變量

U-Boot 可以通過環境變量進行配置

1. 一些特定的環境變量會影響不同命令的行為

2. 可以添加自定義環境變量，并在腳本中使用

在 U-Boot 啟動時將環境變量從閃存加載到 RAM，可以對其進行修改并保存回閃存以實現持久性

閃存（或 MMC 存儲器）中有一個專用位置來存儲 U-Boot 環境，該位置在電路板配置文件中定義

環境變量相關的命令：

printenv 顯示所有變量

printenv 《變量名》 顯示變量的值

setenv 《變量名》 《變量值》 僅在 RAM 中更改變量的值

editenv 《變量名》 僅在 RAM 中編輯變量的值

saveenv 將環境的當前狀態保存在閃存中

舉例：

重要的 U-Boot 環境變量：

bootcmd，指定可配置延遲（bootdelay）后如果引導過程未中斷，U-Boot 將在引導時自動執行的命令

bootargs，包含傳遞給 Linux 內核的參數，稍后介紹

serverip，U-Boot 將與網絡相關命令聯系的服務器的 IP 地址

ipaddr，U-Boot 將使用的 IP 地址

netmask，用于與服務器聯系的網絡掩碼

ethaddr 設置（MAC 地址）通常只能設置一次

autostart，如果設置為 yes，則 U-Boot 在將圖像加載到內存后自動啟動圖像（tftp，fatload 等）

filesize，最新復制到內存的大小（來自 tftp，fatload，nand 讀取等）

為實現復雜的啟動，環境變量可以包含小腳本，以執行多個命令并測試命令結果。

腳本對于自動啟動或升級過程很有用

可使用鏈接多個命令，使用分號操作符;

條件表達式：if command ;then 。。。 ; else 。。。 ; fi

使用運行《variable-name》執行腳本

您可以使用${variable-name}引用其他變量

舉例：

setenv mmc-boot ‘if fatload mmc 0 80000000boot.ini; then source; else

if fatload mmc 0 80000000 zImage; then runmmc-do-boot; fi; fi’

2.5.4 傳送文件到目標板

U-Boot 主要用于加載和引導內核映像，但是它也允許更改內核映像和存儲在閃存中的根文件系統。必須在目標和開發工作站之間交換文件。

可能的方法：

如果目標設備具有以太網連接，并且 U-Boot 包含用于以太網芯片的驅動程序，則通過網絡。這是最快，最有效的解決方案。

如果 U-Boot 在使用的平臺支持 USB 控制器，則可以通過 U 盤

如果 U-Boot 在使用的平臺支持 MMC 控制器，則可以通過 SD 卡或 microSD 卡

通過串口，但一般效率較低

通過 TFTP：

將文件通過 TFTP 網絡從開發工作站（Host）傳輸到目標機（Target）上的 U-Boot。是一種普通文件傳輸協議，類似于 FTP，但是沒有身份驗證并且采用 UDP 傳輸層協議

開發工作站上需要配置 TFTP 服務器，可參照下列步驟進行配置

1.sudo apt install tftpd-hpa

2. 所有位于開發工作站上 /var/lib/tftpboot 中的文件對于 TFTP

3.tftp-hpa 軟件包中提供了 TFTP 客戶端，可用于測試

TFTP 服務器是否搭建成功 TFTP 客戶端已集成到 U-Boot 中，通過以下步驟進行配置測試

1. 配置 ipaddr 以及 serverip 環境變量

2. 使用 tftp 《address》《filename》 加載文件進行傳輸。

審核編輯 黃昊宇