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ARM 为什么要有uboot

滨边美波她男友 2023-04-09 原文

一、为什么要有uboot

1、计算机系统的主要部件

(1) 计算机系统就是有 CPU 来做核心进行运行的系统。典型的计算机系统有:PC 机(台式机+笔记本)、嵌入式设备(手机、平板电脑、游戏机)、单片机(家用电器像电饭锅、空调)。

(2) 计算机系统的组成部件非常多,不同的计算机系统组成部件也不同。但是所有的计算机系统运行时需要的主要核心部件都是 3 个东西:CPU + 外部存储器(Flash / 硬盘) + 内部存储器(DDR SDRAM / SDRAM / SRAM)。


2、PC 机的启动过程

(1) 典型的 PC 机的部署:BIOS 程序部署在 PC 机主板上(随主板出厂时已经预制了),操作系统部署在硬盘上,内存在掉电时无作用,CPU在掉电时不工作。

(2) 启动过程:PC 上电后先执行 BIOS 程序(实际上 PC 的 BIOS 就是 NorFlash),BIOS 程序负责初始化 DDR 内存,负责初始化硬盘,然后从硬盘上将 OS 镜像读取到 DDR 中,然后跳转到 DDR 内存中去执行 OS ,直到启动(OS 启动后,BIOS 就无用了)。


3、典型嵌入式 linux 系统启动过程

(1) 嵌入式系统的部署和启动都是参考 PC 机的。只是设备上有一些差别。

(2) 典型嵌入式系统的部署:uboot 程序部署在 Flash(能作为启动设备的 Flash)上、OS 部署在 Flash (嵌入式系统中用 Flash 代替了硬盘)上、内存在掉电时无作用,CPU在掉电时不工作。

(3) 启动过程:嵌入式系统上电后先执行 uboot、然后 uboot 负责初始化 DDR 内存,初始化 Flash,然后将 OS 从 Flash 中读取到 DDR 内存中,然后启动 OS(OS 启动后 uboot 就无用了)。


总结:嵌入式系统和 PC 机的启动过程几乎没有两样,只是 BIOS 成了 uboot,硬盘成了 Flash。


4、android 系统启动过程

(1) android 系统的启动和 linux 系统(前面讲的典型的嵌入式系统启动)几乎一样。几乎一样意思就是前面完全一样,只是在内核启动后加载根文件系统后不同了。

(2) 可以认为启动分为 2 个阶段:第一个阶段是 uboot 到 OS 启动;第二个阶段是 OS 启动后到 rootfs 加载到命令行执行;现在我们主要研究第一个阶段,android 的启动和 linux 的差别在第二阶段。


5、总结:uboot 到底是干嘛的

(1) uboot 主要作用是用来启动操作系统内核。
(2) uboot 还要负责部署整个计算机系统。
(3) uboot 中还有操作Flash等板子上硬盘的驱动。
(4) uboot 还得提供一个命令行界面供人来操作。


二、为什么是 uboot

1、uboot 从哪里来的?

(1) uboot 是 SourceForge 上的开源项目。

(2) uboot 项目的作者:一个德国人最早发起的项目。

(3) uboot 就是由一个人发起,然后由整个网络上所有感兴趣的人共同维护发展而来的一个 bootloader。


2、uboot 的发展历程

(1) 自己使用的小开源项目。

(2) 被更多人认可使用。

(3) 被 SoC 厂商默认支持。

总结:uboot 经过多年发展,已经成为事实上的业内 bootloader 标准。现在大部分的嵌入式设备都会默认使用 uboot 来作为 bootloader。


3、uboot 的版本号问题

(1) 早期的 uboot 的版本号类似于这样:uboot1.3.4。后来版本号便成了类似于 uboot-2010.06。

(2) uboot 的核心部分几乎没怎么变化,越新的版本支持的开发板越多而已,对于一个老版本的芯片来说,新旧版本的 uboot 并没有差异。


4、uboot 的可移植性的正确理解

(1) uboot 就是 universal bootloader(通用的启动代码),通用的意思就是在各种地方都可以用。所以说 uboot 具有可移植性。

(2) uboot 具有可移植性并不是说 uboot 在哪个开发板都可以随便用,而是说 uboot 具有在源代码级别的移植能力,可以针对多个开发板进行移植,移植后就可以在这个开发板上使用了。


5、总结:时势造英雄,任何牛逼的东西都是时代的产物

uboot 的出现是一种必然,如果没有 uboot 也会有另一个 bootloader 来代替。


三、uboot 必须解决哪些问题

1、自身可开机直接启动

(1) 一般的 SoC 都支持多种启动方式,譬如 SD 卡启动、NorFlash 启动、NandFlash 启动等····· uboot 要能够开机启动,必须根据具体的 SoC 的启动设计来设计 uboot。

(2) uboot 必须进行和硬件相对应的代码级别的更改和移植,才能够保证可以从相应的启动介质启动。uboot 中第一阶段的 start.S 文件中具体处理了这一块。


2、能够引导操作系统内核启动并给内核传参

(1) uboot 的终极目标就是启动内核。
(2) linux 内核在设计的时候,设计为可以被传参。也就是说,我们可以在 uboot 中事先给 linux 内核准备一些启动参数,放在内存中特定位置,然后传给内核,内核启动后会到这个特定位置去取 uboot 传给他的参数,然后在内核中解析这些参数,这些参数将被用来指导 linux 内核的启动过程。


3、能提供系统部署功能

(1) uboot 必须能够被人借助而完成整个系统(包括 uboot、kernel、rootfs 等的镜像)在 Flash 上的烧录下载工作。

(2) 裸机教程中刷机(ARM裸机第三部分)就是利用 uboot 中的 fastboot 功能将各种镜像烧录到 iNand 中,然后从 iNand 启动。


4、能进行 SoC 级和板级硬件管理

(1) uboot 中实现了一部分硬件的控制能力(uboot 中初始化了一部分硬件),因为 uboot 为了完成一些任务必须让这些硬件工作。 譬如 uboot 要实现刷机必须能驱动 iNand,譬如 uboot 要在刷机时 LCD 上显示进度条就必须能驱动 LCD,譬如 uboot 能够通过串口提供操作界面就必须驱动串口。譬如 uboot 要实现网络功能就必须驱动网卡芯片。

(2) SoC 级(譬如串口)就是 SoC 内部外设,板级就是 SoC 外面、开发板上面的硬件(譬如网卡、iNand)。


5、uboot 的“生命周期”

(1) uboot 的生命周期就是指:uboot 什么时候开始运行,什么时候结束运行。

(2) uboot 本质上是一个裸机程序(不是操作系统),一旦 uboot 开始, SoC 就会单纯运行 uboot(意思就是 uboot 运行的时候,别的程序是不可能同时运行的),一旦 uboot 结束运行,则无法再回到 uboot(所以 uboot 启动了内核后,uboot 自己本身就死了, 要想再次看到 uboot 界面只能重启系统。重启并不是复活了刚才的 uboot,重启只是 uboot 的另一生)。

(3) uboot 的入口和出口。uboot 的入口就是开机自动启动,uboot 的唯一出口就是启动内核。uboot 还可以执行很多别的任务(譬如烧录系统),但是其他任务执行完后都可以回到 uboot 的命令行继续执行 uboot 命令,而启动内核命令一旦执行就回不来了。


6、总结:一切都是为了启动内核


四、uboot 的工作方式

1、从裸机程序镜像 uboot.bin 说起

(1) uboot 的本质就是一个裸机程序,和我们裸机全集中写的那些裸机程序 xx.bin 并没有本质区别。 如果非说要有区别,那就是:我们写的大部分小于 16KB,而 uboot 大于 16KB(一般 uboot 在 180k-400k 之间)。

(2) uboot 本身是一个开源项目,由若干个 .c 文件和 .h 文件组成,配置编译之后会生成一个 uboot.bin ,这就是 uboot 这个裸机程序的镜像文件。 然后这个镜像文件被合理的烧录到启动介质中拿给 SoC 去启动。也就是说 uboot 在没有运行时表现为 uboot.bin ,一般躺在启动介质中。

(3) uboot 运行时会被加载到内存中,然后一条指令一条指令的拿给 CPU 去运行。


2、uboot 的命令式 shell 界面

(1) 普通的裸机程序运行起来就直接执行了,执行时效果和代码有关。

(2) 有些程序需要和人进行交互,于是乎程序中就实现了一个 shell(shell 就是提供人机交互的一个界面,回想 ARM 裸机全集第十六部分),uboot 就实现了一个 shell。
注意:shell 并不是操作系统,和操作系统一点关系都没有。linux 中打开一个终端后就得到了一个 shell ,可以输入命令回车执行。uboot 中的 shell 工作方式和 linux 中的终端 shell 非常像(其实几乎是一样的,只是命令集不一样。譬如 linux 中可以 ls,uboot 中 ls 就不识别)。


3、掌握 uboot 使用的 2 个关键点:命令和环境变量

(1) uboot 启动后,大部分时间和工作都是在 shell 下完成的(譬如 uboot 要部署系统,要在 shell 下输命令、要设置环境变量也得在命令行底下,要启动内核也要在命令行底下敲命令)。

(2) 命令就是 uboot 的 shell 中可以识别的各种命令。uboot 中有几十个命令,其中有一些常用,另一些不常用(我们还可以自己给 uboot 添加命令),后面会用几节课时间来依次学习 uboot 中常用命令。

(3) uboot 的环境变量和操作系统的环境变量工作原理和方式几乎完全相同。uboot 在设计时借助了操作系统的设计理念(命令行工作方式借鉴了 linux 终端命令行,环境变量借鉴了操作系统的环境变量,uboot 的驱动管理几乎完全照抄了 linux 的驱动框架)。

(4) 环境变量可以被认为是系统的全局变量,环境变量名都是系统内置的(认识就认识,不认识就不认识,这部分是系统自带的默认的环境变量,譬如 PATH;但是也有一部分环境变量是自己添加的,自己添加的系统就不认识,但是我们自己认识)。系统或者我们自己的程序在运行时可以通过读取环境变量来指导程序的运行。这样设计的好处就是灵活,譬如我们要让一个程序更改运行方法,不用去重新修改程序代码再重新编译运行,而只要修改相应的环境变量就可以了。

(5) 环境变量就是运行时的配置属性。


4、思考:结合 ARM 裸机部分进行理解和印证

(1) 及时复习 ARM 裸机中和现在讲到的相关的知识点,在复习中巩固 ARM 裸机中学到的。这过程中如果原来学习记了笔记非常容易容易好,如果没有记笔记那就难办了。

(2) 及时对照原来 ARM 裸机中讲到的相关部分,可以帮助理解当前讲到的知识点。

(3) 结合 ARM 裸机中和现在讲的,对比分析思考,会得到更多。


源自朱有鹏老师.

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