【Linux】嵌入式Linux系统的组成、u-boot编译

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前言

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一、嵌入式Linux系统的组成

1.1 嵌入式Linux系统和PC完整的操作系统的对比如下：

1. BIOS和UEFI的作用：

a. 进行硬件自检，检测内存，CPU，显卡，硬盘等设备的状态和配置。 
b. 设置启动顺序，选择从哪个设备加载引导程序，如硬盘，U盘等。
c. 加载引导程序，如bootmgr，grub2等，然后由引导程序加载操作系统，如Windows，Linux等。 
d. UEFI是BIOS的一种升级替代方案。UEFI本身已经相当于一个微型操作系统。

2. grub2和bootmgr:

a. grub2 是 GNU项目 开发的一种通用的引导加载器，它可以引导多种不同的操作系统，包括Linux，Windows，FreeBSD等。 
b. bootmgr 是 Windows版本 的引导加载器，它只能引导 Windows系统 或者其他使用 MBR分区表 的系统。 
c. grub2 和 bootmgr 都可以通过 chainloader命令 来加载对方的引导文件，从而实现多重引导。  
d. 加载引导程序，如 bootmgr，grub2 等，然后由引导程序加载操作系统，如 Windows，Linux 等。

3. U-boot：

a. uboot是一种用于嵌入式系统的引导加载器，它可以支持多种硬件平台和架构，如ARM，MIPS，PowerPC等.  	
b. uboot可以提供BIOS和grub2的功能，它可以初始化硬件设备，设置启动顺序，加载引导文件，启动操作系统，或者进入命令行模式

1.2 PC机—Windows系统启动流程（PC机—Linux系统、嵌入式ARM—linux系统的启动流程类似）

对应上面的系统流程图，这里以启动我们常用的windows操作系统为例，那么PC机从开机到运行程序的启动过程如下：

1. 预引导阶段：

   • 当我们按下电源按钮时，计算机会进行自检（POST），并执行一些基本的硬件初始化。
   • 然后，它会查找EFI分区，并加载EFI分区中的引导文件（通常是\EFI\Boot\bootx64.efi）。

2. 引导阶段：

   • 引导文件（如bootmgfw.efi）会启动Windows的引导管理器（bootmgr）。
   • 引导管理器会显示一个启动菜单，我们可以选择需要启动的操作系统或者让它进入安全模式等。

3. 载入内核阶段：

   • 接着引导管理器会选择适当的内核文件（如ntoskrnl.exe）并加载到内存中。
   • 同时，它还会加载一些必要的设备驱动程序和系统服务。

4. 初始化内核阶段：

   • 载入内核阶段完成后，Windows内核会进行自我初始化，包括设置内存管理、输入输出系统、进程管理等。
   • 内核还会创建系统进程（如SYSTEM和SMSS），并加载更多的设备驱动程序和系统服务。

5. 用户登录阶段（加载Windows用户环境和应用程序）：

   • 用户登录：内核初始化完成后，会启动Windows的登录管理器（winlogon），登录管理器会显示出登录界面，用户在登录界面输入用户名和密码，系统验证用户的身份。
   • 创建用户会话：如果用户身份验证成功，Windows系统会为该用户创建一个新的用户会话。这个过程包括加载用户的配置文件、设置用户的环境变量等。
   • 启动Windows的外壳程序（explorer），加载Windows用户环境：用户会话创建完成后，系统会自动启动 explorer 进程。explorer进程负责加载Windows用户环境，其中包括显示用户的桌面、任务栏和开始菜单等用户界面元素。
   • 用户交互、加载应用程序：用户可以通过桌面、任务栏和开始菜单等用户界面元素与操作系统进行交互，启动应用程序、管理文件等。当用户点击某个应用程序的图标时，系统会启动该应用程序的进程，并将应用程序的窗口显示在桌面上。

这就是Windows系统的启动流程。与Linux系统相比，Windows系统在引导阶段会加载更多的设备驱动程序和系统服务，因此在启动速度上可能会稍慢一些。

二、编译u-boot

2.1 u-boot简介

uboot是一种通用的引导加载程序，它可以用于多种嵌入式系统，支持多种操作系统，如Linux, Android, NetBSD等。
uboot的主要作用是将操作系统内核从存储设备（如Flash, SD卡等）加载到内存中，并执行内核代码。

2.2 XIP设备

XIP设备是指一种可以直接在存储器中执行程序代码的设备，而不需要将代码复制到内存中。
XIP的全称是eXecute In Place，即芯片内执行。像片内的SRAM， NOR Flash， BROM等。 

2.3 为什么需要u-boot

因为嵌入式系统的硬件资源有限，CPU上电后只能执行一小段内置的代码（BROM System），
这段代码不足以完成内存初始化，文件系统访问，网络通信等复杂的任务。
因此，需要一个中间层的程序，来完成这些工作，并引导操作系统启动。

2.4 u-boot启动流程

以下官网有对U-Boot SPL大小限制的说明：
https://linux-sunxi.org/BROM

另《Allwinner_H616_Datasheet_v1.0.pdf》（3.1 Memory Mapping）章节对BROM大小的说明。

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根据上面图示，从设备上电（开机）到操作系统内核启动，U-Boot的启动过程可以分为几个详细的阶段 ：

总结

1. BROM (Boot ROM)：系统上电后，BROM自动执行自己出厂时烧录好的程序。
   根据芯片的引脚电平或寄存器设置，确定启动模式。
   根据启动模式，选择相应的设备驱动，初始化SD卡设备控制器，设置设备参数（如设置时钟频率，总线宽度，电压等级等）。
   从外部存储器（如SD卡、eMMC等）中找到并加载SPL程序到SRAM中。
2. U-Boot SPL：SPL在SRAM中执行，负责初始化最基本的硬件，特别是DDR（LDDR）内存控制器，然后加载U-Boot proper到LDDR中。
3. U-Boot Proper：U-Boot proper在LDDR（外部内存）中执行，进行更深入的硬件初始化、设备检测、操作系统内核加载和启动。
4. 操作系统内核启动并运行：U-Boot完成加载并启动内核后，交出控制权，操作系统开始运行。

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1. 设备上电，执行ROM代码 —— 加载U-Boot SPL（Secondary Program Loader）

• 执行位置: BROM (Boot ROM)
• 加载对象的来源：外部存储中的U-Boot SPL（在图中位于外部存储设备的8~40KB的分区）
  • 当设备上电后，H616 SOC中的BROM（64KB）开始执行程序。这段代码是SOC出厂时预烧录在内部的，它位于SOC的ROM中，且不可更改。
    BROM会根据芯片的引脚电平或寄存器设置，确定启动模式，比如从nand flash，spi flash，sd卡，usb等设备中启动。
    BROM会根据启动模式，选择相应的设备驱动，初始化SD卡设备控制器，设置设备参数（如设置时钟频率，总线宽度，电压等级等）。
  • BROM的任务非常简单，主要是寻找并加载更高级的引导程序，也就是U-Boot SPL。
    BROM会检测外部存储设备（如SD卡、eMMC等），根据预设的引导顺序从存储设备中查找U-Boot SPL并加载其到SOC内部的SRAM中以便执行。（在图中，外部存储设备的8KB~40KB位置的分区是用来存储SPL的）。

2. 执行SPL —— 初始化基本硬件

• 执行位置: SRAM
  • 当BROM成功查找并将其加载到SRAM后，SPL在SRAM中开始执行。
  • SPL作为一个精简的引导程序，主要任务是负责执行关键的硬件初始化任务，并决定是否加载 U-Boot Proper。
  • 初始化基本硬件资源：SPL通常会初始化CPU、PLL（生成时钟频率）、DDR（LDDR）内存控制器和最基础的外设gpio等。这其中包括的DDR（LDDR）内存控制器的初始化，便于系统拥有更多内存用于加载完整的U-Boot程序和操作系统。
  • 加载U-Boot Proper：SPL成功完成硬件初始化后，它会决定是否继续加载U-Boot proper（完整版本的U-Boot）。

3. 执行SPL —— 加载 U-Boot Proper

• 执行位置: SRAM
• 加载对象的来源：外部存储中的U-Boot Proper（在图中位于外部存储器40~1024KB的内存位置）
  • 在U-Boot SPL初始化完成后，U-Boot SPL就会去加载完整的U-Boot引导程序，这个U-Boot proper存放在外部存储器的另一个分区中（在图中位于存储器40~1024KB的内存位置）。
  • U-Boot SPL会将U-Boot proper从外部存储器中读取，将其加载到LDDR（外部内存）中，并将控制权转交给U-Boot Proper。
  • U-Boot proper的作用：U-Boot proper是一个功能更完整的引导程序，主要用于引导操作系统。
    ①它可以进行更多的硬件初始化，如设置网络、启动内核等。
    ②提供调试接口，它还为用户提供了一个可交互的引导环境，允许配置启动参数。
    ③加载操作系统内核并将控制权移交给内核。

4. 执行U-Boot Proper —— 进一步初始化硬件、加载操作系统内核

• 执行位置: LDDR（外部内存）
• 加载对象的来源：在图中位于外部存储器"kernel（内核）"的存储分区
  • 进一步初始化硬件：在执行过程中，U-Boot proper会进行更深入的硬件检测，确保所有的外设（例如网络、存储、显示等）已正确初始化。此时系统已经有足够的资源来运行更复杂的代码。
  • 加载环境变量：U-Boot会加载存储在设备上的环境变量。这些变量可以包括启动参数、设备树配置、内核位置等信息。
  • 查找操作系统内核：根据配置，U-Boot会从特定的存储设备或通过网络（如TFTP）查找并加载操作系统内核。例如，从外部存储设备的特定分区（图中“kernel”区域）中查找Linux内核。
  • 加载操作系统内核：U-Boot将内核加载到内存（LDDR）中，并根据设备树（device tree）的配置，为操作系统提供硬件布局和状态信息。

5. 启动操作系统内核

• 执行位置: LDDR（外部内存）
  • 启动内核：U-Boot完成所有加载工作后，U-Boot会通过“bootm”命令或者“bootz”命令启动操作系统内核。
  • 传递参数：在启动内核时，U-Boot将向内核传递启动参数、设备树以及内核命令行选项。
  • 控制权转交给内核：最终，U-Boot将控制权移交给操作系统内核，通常是Linux。此时，U-Boot的任务完成，系统转入操作系统的执行流程。

6. 操作系统运行

• 操作系统内核启动后，系统进入正常的操作系统级别运行。U-Boot的作用至此完成。

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疑问点

在这个图中，H616 SOC是主芯片（系统级芯片，System on Chip），它包括CPU、SRAM（静态随机存储器）和BROM（Boot ROM）。这个图描述了一个典型的嵌入式系统启动过程，涉及多个组件：

1. LDDR（内存）

• 这个应该是DDR内存的一种，可能是低功耗版的DDR（Low Power DDR），它是外挂的内存（外部的物理内存芯片），用于系统正常运行时的主要存储器。
• 在图中，LDDR连接到H616 SOC，用来加载并执行uboot proper。

2. 旁边的存储设备（带有mmcbblk1分区的部分）

• 这个部分表示的是一个存储设备，可能是一个eMMC或者SD卡等外部存储器，它通过接口连接到H616 SOC。上面的“mmcbblk1”是Linux下的分区表示方法，表示这个存储设备的第一个分区。
• 这个存储器中包含启动所需的关键组件：
  • MBR（主引导记录）：这是硬盘的主引导区，负责存储分区表信息和启动代码。
  • uboot SPL：这个是U-Boot的第一阶段引导程序（Secondary Program Loader），它是较小的引导程序，通常会放置在SRAM中运行。这个程序负责初始化基本的硬件环境。
  • uboot proper：这是U-Boot的完整引导程序，在SPL完成基本初始化后由它接管系统引导流程。它会被加载到外部内存（LDDR）中执行。
  • kernel：这是操作系统的内核，SPL和U-Boot proper完成引导后，最终会启动操作系统的内核。

3. 为什么需要这些东西？

• 外部存储器（带有mmcbblk1分区的部分）：H616 SOC内部存储有限，因此需要通过外部存储设备来保存更大的引导程序和操作系统镜像。SOC本身的BROM可能只有极小的容量，负责最基础的启动，而后面的SPL、U-Boot和kernel等更大、更复杂的软件都放在外部存储器中。
• LDDR内存：H616的内部SRAM容量很小，无法运行复杂的引导程序或操作系统。因此，复杂的引导程序（如U-Boot proper）和操作系统（kernel）需要加载到LDDR中，以确保足够的空间和性能。

综上所述，LDDR和外部存储设备都是外挂在H616 SOC上的硬件模块，主要是为了弥补H616内部存储和运行空间的不足，确保系统能够引导并运行复杂的操作系统。