bootloader 与 uboot的区别

Posted 2022-02-06 bobuddy

1. bootloader 与 uboot的区别

BootLoader是嵌入式设备中用来启动操作系统内核的一段程序。 
uboot（universal bootloader）是一种可以用于多种嵌入式CPU的BootLoader程序，换言之，uboot是bootloader的一个子集。 
uboot的核心作用就是启动操作系统内核，uboot的本质就是一段裸机程序。

2. uboot的特性

2.1 硬件管理

uboot要能够进行Soc级（Soc内部外设）和板级（Soc外部外设）硬件管理。

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。

2.2 能够完成镜像烧录（刷机）

uboot要能够被借助完成刷机操作。参考下SD卡刷机的步骤：

1. 烧录uboot到SD卡中。 
   有2种烧写方法：一种是在windows中用刷卡工具去制作启动SD卡；另一种是在linux中用dd命令。制作完SD后将SD卡插入开发板，然后开机就可以进入uboot界面。
2. 使用uboot的fastboot命令，并借助PC中的fastboot软件完成包括uboot、kernel、rootfs等的镜像的烧录。

从上面就可以看出，刷机依靠的是uboot的fastboot命令，将镜像写到相应的FLASH中。

2.3 uboot的“生命周期”

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。

2.4 uboot要提供命令式shell界面

shell是用户操作接口的意思。shell有命令行的shell，如windows下的cmd，如linux下的终端；也有GUI式的shell，比如常用的windows下的各种界面。shell是一种封装后留出来的接口，uboot也要有这样的一个接口。

shell的原理是：由消息接收、解析、执行构成的一个死循环。我之前用过3D打印机的固件（firmware）也是这样的模式。

uboot的shell使用的也是行缓冲的模式。也就是以回车键（换行键）作为一个命令输入的结束。对应的其他缓冲模式还有无缓冲和全缓冲：无缓冲就是输入一个字符就当做一个命令处理；全缓冲就是无论输入什么都缓冲起来知道缓冲区满了才做一次处理。

3. uboot的常用命令

3.1 环境变量介绍与操作命令

环境变量：就是整个系统的一个全局变量。其余全局变量不同的就是，全局变量在一次程序结束后下一次要重新开始；而全局变量可以保存在FLASH中，继续使用上次修改的值。

• printenv(或print) 
  打印出环境变量。
• setenv(或set) 
  新建一个环境变量，使用 set var value 
  更改一个环境变量，使用set var value 
  删除一个环境变量，使用 set var
• saveenv(或save) 
  保存环境变量。保存环境变量这一指令的意义在于用set指令更改了环境变量之后，只是在DDR内存中做了改变，用save即命令将环境变量从DDR中写入FLASH。从这里也可以看出，环境变量在整个系统中是有两套的，FLASH中一套，DDR中一套。

具体的uboot的各项环境变量的意思在后面详细讲述。

3.2 网络测试指令：ping命令

ping是测试开发板和主机之间的网络链接，其使用格式为：ping ip地址 

如上图所示，ping指令要想成功，三个环节要做好：

1. 主机IP地址设置正确；
2. 网线连接正常；
3. 开发板IP地址设置正确。注意，主机IP和开发板IP应该位于同一网段才可以（如下图，子网掩码相同的IP地址位于同一网段）。设置开发板IP地址的方法就是更改uboot中的环境变量ipaddr。

值得一提的是当主机使用的是linux虚拟机时，设置其IP地址的方式如下：

1. 虚拟机设置成桥接方式。虚拟机的网卡设置可以选择好几种方式，常用的就是NAT和桥接（bridged）。虚拟机要和开发板进行网络通信，只能通过桥接方式连接。
2. 虚拟机的菜单“虚拟网络编辑器”，设置为“桥接到有线网卡”。（默认是自动的，自动的一般会影响ping通。因为电脑一般都有2个网卡：一个有线的，一个无线的。如果选了自动，那么虚拟机会自动桥接到无线网卡上）
3. 在虚拟机ubuntu中设置IP地址（可以通过/etc/network/interfaces文件来设置静态的然后重启；也可以直接命令行ifconfig去设置）。

3.3 SD卡/iNand操作指令：movi

movi指令是movi read和movi write一组的，movi read用来读取iNand到DDR上，movi write用来将DDR中的内容写入iNand中。理解这些指令时一定要注意涉及到的2个硬件：iNand和DDR内存。

如movi read的使用方法为：movi read u-boot | kernel addr

其中，u-boot | kernel代表的是SD卡或iNAND中的一个分区。 addr代表DDR中的地址。上面的意思就是把uboot的某一个分区写到DDR的地址addr处。

这里也插播一个小知识：uboot是把iNAND分区管理的，一般有以下几个分区：

• uboot分区：uboot必须从Flash起始地址开始存放，一般设计为512KB或者1MB；
• 环境变量分区：环境变量分区一般紧贴着uboot来存放，大小为32KB或者更多一点。
• kernel分区：kernel可以紧贴环境变量存放，大小一般为3MB或5MB或其他。
• rootfs分区：剩下的就是自由分区，一般kernel启动后将自由分区挂载到rootfs下使用

一般分区规律如下：

• 各分区彼此相连，前面一个分区的结尾就是后一个分区的开头。
• 整个flash充分利用，从开头到结尾。
• uboot必须在Flash开头，其他分区相对位置是可变的。
• 各分区的大小由系统移植工程师自己来定；
• 分区在系统移植前确定好，在uboot中和kernel中使用同一个分区表。

3.4 内存操作指令

内存操作指令主要有三个：md(memory display 显示内存)、mw(memory write 写内存)、mm(memory modify 内存修改) 
使用help查看各个指令的用法： 
md [.b, .w, .l] address [# of objects] 
mw [.b, .w, .l] address value [count] 
mm [.b, .w, .l] address 
其中，可选项[.b .w .l]的意思是使用字节（b，8位，一个内存地址内容）还是字（w，16位，两个内存地址内容），还是长整型（l，32位，4个内存地址内容）来操作内存。[# of objects]、count 代表要操作内存的数目。

3.5 启动内核指令

uboot的终极目标就是启动操作系统内核，其指令为bootm addr

4 uboot环境变量详解

使用print命令打印出uboot环境变量如下所示：

1. <span style="color:#000000"><code>bootcmd=movi read kernel <span style="color:#006666 !important">30008000</span>; movi read rootfs <span style="color:#006666 !important">30</span>B00000 <span style="color:#006666 !important">300000</span>; bootm <span style="color:#006666 !important">30008000</span> <span style="color:#006666 !important">30</span>B00000

2. mtdpart=<span style="color:#006666 !important">80000</span> <span style="color:#006666 !important">400000</span> <span style="color:#006666 !important">3000000</span>

3. baudrate=<span style="color:#006666 !important">115200</span>

4. ethaddr=<span style="color:#006666 !important">00</span>:<span style="color:#006666 !important">40</span>:<span style="color:#006666 !important">5</span>c:<span style="color:#006666 !important">26</span>:<span style="color:#006666 !important">0</span>a:<span style="color:#006666 !important">5</span>b

5. ipaddr=<span style="color:#006666 !important">192.168</span>.<span style="color:#006666 !important">1.88</span>

6. serverip=<span style="color:#006666 !important">192.168</span>.<span style="color:#006666 !important">1.102</span>

7. gatewayip=<span style="color:#006666 !important">192.168</span>.<span style="color:#006666 !important">0.1</span>

8. netmask=<span style="color:#006666 !important">255.255</span>.<span style="color:#006666 !important">0.0</span>

9. bootdelay=<span style="color:#006666 !important">3</span></code></span>

4.1 bootdelay 与 bootcmd

在uboot开启之后，会有一个倒计时的操作，如果检测到按键输入就进入到uboot命令行下执行各种命令，否则将执行 bootcmd 这个环境变量中保存的命令集，而这个倒计时的秒数就是由环境变量 bootdelay 表示的。

分析一下bootcmd环境变量的内容，首先将内核和根文件系统读进内存中，然后使用bootm启动内核。在自己修改这个环境变量的时候，命令如下： 
set bootcmd 'movi read kernel 30008000; movi read rootfs 30B00000 300000; bootm 30008000 30B00000' 
注意两点，一是需要用单引号把值给引起来，表示是一个整体；二是单引号之间的命令间要有空格隔开！

4.2 网络相关

• ipaddr是开发板的本地IP地址
• serverip是开发板通过tftp指令去tftp服务器下载东西时，tftp服务器的IP地址。
• gatewayip是开发板的本地网关地址
• netmask是子网掩码
• ethaddr是开发板的本地网卡的MAC地址。

4.3 内核传参

linux内核启动时可以接收uboot给他传递的启动参数，这些启动参数是uboot和内核约定好的形式、内容，linux内核在这些启动参数的指导下完成启动过程。这样的设计是为了灵活，为了内核在不重新编译的情况下可以用不同的方式启动。 
我们要做的事情就是：在uboot的环境变量中设置bootargs，然后bootm命令启动内核时会自动将bootargs传给内核。

在我的环境变量中没有看到bootargs这个环境变量，但是mtdpart、baudrate都是bootargs的一部分。