【树莓派4b的uboot编译移植】

树莓派4b的uboot编译移植

引言

0.1、什么是uboot

OS跑起来前，需要的一段引导程序
负责部署整个计算机系统，引导操作系统内核启动并给内核传参
提供一个命令行界面供人操作
是一个开源项目，uboot就是universal bootloader（通用的启动代码）
命令行用的行缓存，linux终端设计有3种缓冲机制：无缓冲、行缓冲、全缓冲

0.2、uboot命令

printenv/print 打印出系统中所有的环境变量
setenv/set 设置环境变量
set 环境变量值
saveenv/save 保存环境变量到flash
ping 网络测试指令

一、原理图

1.1、树莓派4b引脚图

树莓派4B Raspberry Pi 4代B 8G开发板

1.2、串口接线

USB转串口接在TXD和RXD，交叉接线，也就是GPIO14和GPIO15

二、uboot 编译

2.1、uboot源码下载

官网下载地址：

GitHub - u-boot/u-boot: "Das U-Boot" Source Tree 国外

u-boot: UBoot 是由开源项目PPCBoot发展起来的，ARMboot并入了PPCBoot，和其他一些arch的Loader合称U-Boot 国内

安装下载：

版本使用2022.01版本：

Release v2022.01 · u-boot/u-boot · GitHub

.gitignore：git工具的文件
config.mk：是一个Makefile文件
MAINTAINERS：维护者
Makefile：uboot源代码的主Makefile
README：所有的软件都有README，简单的使用说明书。

api：硬件无关的功能函数的API
board：文件夹下每一个文件都代表一个开发板
common：放的是一些与具体硬件无关的普遍适用的一些代码
disk：磁盘有关的
doc：文档目录，里面存放了很多uboot相关文档
drivers：驱动，这里面放的就是从linux源代码中的linux设备驱动，如网卡驱动、Inand/SD卡、NandFlash等的驱动
examples：示例代码
fs：filesystem，文件系统
include：头文件目录
lib：（典型的lib_arm和lib_generic）架构相关的库文件
net：网络相关的代码
tools：里面是一些工具类的代码
arch：这个目录是SoC相关的，里面存放的代码都是SoC相关初始化和控制代码（譬如CPU的、中断的、串口等SoC内部外设的，包括起始代码start.S也在这里）

2.2、主Makefile

2.2.1、Makefile配置编译

u-boot.lds，就是uboot的链接脚本
configs文件夹，uboot 配置文件，xxx_defconfig

安装依赖项

sudo apt-get install libssl-dev
sudo apt-get install bison
sudo apt-get install flex

编译生成u-boot.bin

export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- #export 设置环境变量
cd u-boot

make distclean # 清除上次的make命令所产生文件以及配置文件
make rpi_4_defconfig # 使用树莓派4的配置文件，执行完这步会生成.config文件
生成.config文件
make # 编译uboot

三、启动uboot

3.1、格式化SD卡

Windows上直接格式化FAT32

Linux上：删除分区、新建分区、挂载、格式化、挂载分区

sudo fdisk /dev/sdb 根据提示进行即可
sudo mkfs.vfat /dev/sdb1 格式化FAT32
sudo mount /dev/sdb1 /mnt 挂载分区

3.2、树莓派4b的启动流程

rpi4的启动分区依旧是使用FAT32文件系统，并采用如下三阶段启动方式：

树莓派复位上电时，CPU处于复位状态，由GPU来负责启动系统。

第一阶段引导程序(ROM程序)： GPU首先启动固化在rpi4中的BootRom程序。这一阶段非常简单，BootRom主要支持读取SD中FAT32文件系统中的第二阶段引导程序bootcode.bin；注意：树莓派4B已经把bootcode.bin引导程序固化到SPI Boot EEPROM里。
第二阶段引导程序(bootcode.bin)： GPU加载并执行启动分区中的bootcode.bin。bootcode.bin主要功能是解析elf格式文件，并加载并解析同样位于分区中的start4.elf文件；
第三阶段引导程序(start4.elf)：运行start4.elf，读取并解析config.txt配置文件，并加载执行真正的u-boot程序。start4.elf这是一个包含VideoCore（视频/HDMI模式、内存、控制台帧缓冲区等）和Linux内核（加载地址、设备树、UART/控制台波特率等）的配置参数的文本文件。一旦解析了config.txt文件，第三阶段引导程序将加载cmdline.txt【一个包含要传递给内核的内核命令行参数的文件】和kernel.img【 Linux内核】。两者都加载到分配给ARM处理器的共享内存中。完成后，第三阶段引导程序将释放ARM处理器的复位。您的内核现在应该开始启动。

因此，Linux内核可以在不需要U-Boot的情况下启动。然而，正如所示，U-Boot提供了许多有用的工具，用于开发和调试嵌入式系统，例如通过网络上的TFTP加载新编译的内核进行测试。这消除了在每次微调和编译之间将内核复制到SD卡的缓慢和痛苦的过程。

同时，由于u-boot中没有预置rpi4的dts文件（device tree source），因此采用了在u-boot运行时动态传入硬件描述dtb(device tree blob)文件的方式，用于u-boot启动时枚举硬件。这里对于rpi来说就是bcm2711-rpi-4-b.dtb文件。

注意：

1、rpi4这里的启动elf文件由start.elf变成了start4.elf，和之前版本的树莓派不同。

2、rpi4b已经把bootcode.bin引导程序固化到板载SPI Boot EEPROM里，没用外部文件。

3、在rpi4上运行过64位u-boot的都知道，如果在config.txt中没有特别指明kernel的位置，那么start.elf（或start4.elf）默认需要并启动的文件是kernel8.img:

kernel8.img：64位的Raspberry Pi 4和Raspberry Pi 4；

kernel7l.img：32位的Raspberry Pi 4（使用LPAE）；

kernel7.img：32位的Raspberry Pi 4、Raspberry Pi 3和Raspberry Pi 2（未使用LPAE）；

kernel.img：其他版本的树莓派。

3.3、启动文件复制到SD卡

bootcode.bin：引导程序。树莓派复位上电时，CPU处于复位状态，由GPU来负责启动系统。GPU首先会启动固化在芯片内部的固件（BootROM代码），读取MicroSD卡中的bootcode.bin文件，并装载和运行bootcode.bin中的引导程序。(树莓派4B已经把bootcode.bin引导程序固化到SPI Boot EEPROM里)。

start4.elf：树莓派4上的GPU固件。bootcode.bin引导程序检索MicroSD卡中的GPU固件，加载固件并启动GPU。

start.elf：树莓派3上的GPU固件。

config.txt：配置文件。GPU启动后读取config.txt配置文件，读取Linux内核映像（比如kernel8.img等）以及内核运行参数等，然后把内核映像加载到共享内存中并启动CPU，CPU结束复位状态开始运行Linux内核。如果在config.txt中没有特别指明kernel的位置，那么start.elf（或start4.elf）默认需要并启动的文件是kernel8.img。

bcm2711-rpi-4-b.dtb: 设备树。由于u-boot中没有预置rpi4的dts文件（device tree source），因此采用了在u-boot运行时动态传入硬件描述dtb(device tree blob)文件的方式，用于u-boot启动时枚举硬件。这里对于rpi4来说就是bcm2711-rpi-4-b.dtb文件。

fixup4.dat：这些是链接器文件，与 start*.elf 列出的文件配对。

3个文件在线下载地址

sudo wget https://raw.githubusercontent.com/raspberrypi/firmware/master/boot/bcm2711-rpi-4-b.dtb

sudo wget https://raw.githubusercontent.com/raspberrypi/firmware/master/boot/start4.elf

sudo wget https://raw.githubusercontent.com/raspberrypi/firmware/master/boot/fixup4.dat

1个文件u-boot是前面生成复制过来即可。