2. Uboot的介绍

2.1. uboot简介

uboot是从FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步发展演化而来的。uboot发展至今，已经可以实现非常多的功能， 在操作系统方面，它不仅支持嵌入式Linux系统的引导，还支持NetBSD,VxWorks, QNX, RTEMS, ARTOS, LynxOS, Android等嵌入式操作系统的引导。在CPU架构方面， uboot支持PowerPC、MIPS、x86、ARM、NIOS、XScale等诸多常用系列的处理器。

一般来说BootLoader必须提供系统上电时的初始化代码，在系统上电时初始化相关环境后， BootLoader需要引导完整的操作系统，然后将控制器交给操作系统。 简单来说BootLoader是一段小程序，它在系统上电时执行，通过这段小程序可以将硬件 设备进行初始化，如CPU、SDRAM、Flash、串口、网络等，初始化完毕后调用操作系统内核。

2.2. 启动uboot

以野火imx6ull 2020.10版本uboot为例，介绍uboot的使用， 在开发板上电uboot启动kernel之前按下键盘的空格或回车键, 进入uboot的命令模式。如下所示

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
uboot 2020.10-g4f79a1a2 (Feb 20 2021 - 11:25:18 +0800)

CPU:   Freescale i.MX6ULL rev1.1 792 MHz (running at 396 MHz)
CPU:   Industrial temperature grade (-40C to 105C) at 49C
Reset cause: WDOG
Model: Freescale i.MX6 UltraLiteLite 14x14 EVK Board
Board: MX6ULL 14x14 EVK
DRAM:  512 MiB
MMC:   FSL_SDHC: 0, FSL_SDHC: 1
Loading Environment from MMC... OK
In:    serial
Out:   serial
Err:   serial
Net:   eth1: ethernet@20b4000 [PRIME]Could not get PHY for FEC0: addr 2

Hit any key to stop autoboot:  0
=>

可以看出uboot打印出了板子的一些基本信息，包括CPU、内存等信息。

2.3. uboot命令

当不清楚uboot支持什么命令时， 可输入 help 或 ? 可查看uboot支持的命令列表，如下所示

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
?         - alias for 'help'
base      - print or set address offset
bdinfo    - print Board Info structure
blkcache  - block cache diagnostics and control
bmode     - sd1|sd2|qspi1|normal|usb|sata|ecspi1:0|ecspi1:1|ecspi1:2|ecspi1:3|esdhc1|esdhc2|esdhc3|esdhc4
bmode - getprisec
boot      - boot default, i.e., run 'bootcmd'
bootd     - boot default, i.e., run 'bootcmd'
bootefi   - Boots an EFI payload from memory
bootelf   - Boot from an ELF image in memory
bootm     - boot application image from memory
bootp     - boot image via network using BOOTP/TFTP protocol
bootvx    - Boot vxWorks from an ELF image
bootz     - boot Linux zImage image from memory
clocks    - display clocks
cmp       - memory compare
coninfo   - print console devices and information
cp        - memory copy
crc32     - checksum calculation
dcache    - enable or disable data cache
dhcp      - boot image via network using DHCP/TFTP protocol
dm        - Driver model low level access
dtfile    - dtoverlay utility commands
echo      - echo args to console
editenv   - edit environment variable
env       - environment handling commands
erase     - erase FLASH memory
exit      - exit script
ext2load  - load binary file from a Ext2 filesystem
ext2ls    - list files in a directory (default /)
ext4load  - load binary file from a Ext4 filesystem
ext4ls    - list files in a directory (default /)
ext4size  - determine a file's size
ext4write - create a file in the root directory
false     - do nothing, unsuccessfully
fatinfo   - print information about filesystem
fatload   - load binary file from a dos filesystem
fatls     - list files in a directory (default /)
fatmkdir  - create a directory
fatrm     - delete a file
fatsize   - determine a file's size
fatwrite  - write file into a dos filesystem
fdt       - flattened device tree utility commands
flinfo    - print FLASH memory information
fstype    - Look up a filesystem type
fstypes   - List supported filesystem types
fuse      - Fuse sub-system
go        - start application at address 'addr'
gpio      - query and control gpio pins
help      - print command description/usage
i2c       - I2C sub-system
icache    - enable or disable instruction cache
iminfo    - print header information for application image
imxtract  - extract a part of a multi-image
itest     - return true/false on integer compare
ln        - Create a symbolic link
load      - load binary file from a filesystem
loadb     - load binary file over serial line (kermit mode)
loads     - load S-Record file over serial line
loadx     - load binary file over serial line (xmodem mode)
loady     - load binary file over serial line (ymodem mode)
loop      - infinite loop on address range
ls        - list files in a directory (default /)
md        - memory display
mm        - memory modify (auto-incrementing address)
mmc       - MMC sub system
mmcinfo   - display MMC info
mtest     - simple RAM read/write test
mw        - memory write (fill)
nfs       - boot image via network using NFS protocol
nm        - memory modify (constant address)
panic     - Panic with optional message
ping      - send ICMP ECHO_REQUEST to network host
pinmux    - show pin-controller muxing
printenv  - print environment variables
protect   - enable or disable FLASH write protection
random    - fill memory with random pattern
reset     - Perform RESET of the CPU
run       - run commands in an environment variable
save      - save file to a filesystem
saveenv   - save environment variables to persistent storage
setenv    - set environment variables
setexpr   - set environment variable as the result of eval expression
sf        - SPI flash sub-system
showvar   - print local hushshell variables
size      - determine a file's size
sleep     - delay execution for some time
source    - run script from memory
test      - minimal test like /bin/sh
tftpboot  - boot image via network using TFTP protocol
true      - do nothing, successfully
version   - print monitor, compiler and linker version

可看到uboot支持很多的命令，功能十分强大，与linux类似，在执行某条uboot命令时， 可使用 tab 自动补全命令，在没有命令名冲突的情况下可以使用命令的前几个字母作为命令的输入， 例如想要执行 reset 命令，输入 res 或 re 即可。

当需要具体使用哪个命令时，可使用 “help 命令” 或 “? 命令” 的方式查看具体命令的使用说明。以 “help printenv” 为例，

1
2
3
4
5
6
7
8
=> help printenv
printenv - print environment variables

Usage:
printenv [-a]
    - print [all] values of all environment variables
printenv name ...
    - print value of environment variable 'name'

可以看到printenv命令的说明以及使用方法。

关于uboot命令的使用可参考uboot官方链接： http://www.denx.de/wiki/DULG/Manual 5.9. uboot Command Line Interface 部分。

2.3.1. uboot常见命令

uboot命令众多，下面介绍常用的uboot命令,详细的uboot命令使用方式请使用 help [命令] 查看。

常见命令

命令

说明

举例

help

列出当前uboot所有支持的命令

help [命令]

查看指定命令的帮助

help printenv

reset

重启uboot

printenv

打印所有环境参数的值

printenv [环境参数名]

查看指定的环境参数值

printenv bootdelay

setenv

设置/修改/删除环境参数的值

setenv bootdelay 3

saveenv

保存环境参数

ping

检测网络是否连通

ping 192.168.0.1

md

查看内存地址上的值

md.b 0x80000000 10

以字节查看0x80000000后0x10个数据

mw

用于修改内存地址上的值

mw.b 0x80000000 ff 10

以字节修改0x80000000后0x10个数据为ff

echo

打印信息，与linux下的echo类似

run

在执行某条环境参数命令

run bootcmd，执行bootcmd

bootz

在内存中引导内核启动

ls

查看文件系统中目录下的文件

load

从文件系统中加载二进制文件到内存

以上为用户较为常用使用的部分命令，具体的使用方式可使用 help [命令] 查看。

2.3.2. mmc命令

mmc命令能够对如sd卡以及emmc类的存储介质进行操作，以下进行简单说明， 对于mmc命令不熟悉可使用 help mmc 查看相关命令的帮助，常用功能如下所示

mmc命令功能

命令

说明

mmc list

查看板子上mmc设备

mmc dev

查看/切换当前默认mmc设备

mmc info

查看当前mmc设备信息

mmc part

查看当前mmc设备分区

mmc read

读取当前mmc设备数据

mmc write

写入当前mmc设备数据

mmc erase

擦除当前mmc设备数据

2.3.2.1. 查看mmc设备

使用 mmc list 查看板子上相关设备，本人使用的是emmc版本的开发板，并插入了sd卡， 可看到打印信息如下。

1
2
3
=> mmc list
FSL_SDHC: 0 (SD)
FSL_SDHC: 1

使用 mmc dev 查看当前使用的mmc设备，打印信息如下，可看到当前设备为mmc0即sd卡。

1
2
3
=> mmc dev
switch to partitions #0, OK
mmc0 is current device

提示

可使用 mmc dev 1 命令切换当前设备为emmc设备

使用 mmc info 查看当前使用的sd卡设备的信息。

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
=> mmc info
Device: FSL_SDHC
Manufacturer ID: 3
OEM: 5344
Name: SC16G
Bus Speed: 50000000
Mode: SD High Speed (50MHz)
Rd Block Len: 512
SD version 3.0
High Capacity: Yes
Capacity: 14.8 GiB
Bus Width: 4-bit
Erase Group Size: 512 Bytes

2.3.2.2. 查看分区信息

使用 mmc part 列出当前mmc设备分区

1
2
3
4
5
6
7
 => mmc part

 Partition Map for MMC device 0  --   Partition Type: DOS

 Part    Start Sector    Num Sectors     UUID            Type
 1     8192            81920           2ba51413-01     0e Boot
 2     90112           31026176        2ba51413-02     83

2.3.2.3. mmc操作

可使用以下指令对mmc存储介质以block为操作单位进行读、写、擦除操作，根据上面sd的信息可知， 一个block为512字节。

1
2
3
 mmc read addr blk# cnt    #读
 mmc write addr blk# cnt   #写
 mmc erase blk# cnt        #擦除

简单实例：将mmc设备的的前10个block读取到0x80000000地址处: mmc read 0x80000000 0 10

2.3.3. 文件系统操作命令

uboot能够对ext2/3/4以及fat文件系统设备进行访问， 可使用fstype命令判断存储介质分区使用的是什么类型的文件系统。 以mmc介质为例，判断sd的两个分区的文件系统类型

1
2
3
4
=> fstype mmc 0:1
fat
=> fstype mmc 0:2
ext4

野火linux开发板具有U盘功能，能够通过PC以访问U盘的形式访问/boot目录下的文件， /boot目录对应的即是 mmc 0:1 分区。

而ext4分区对应的则是Debian根文件系统。

知道了文件系统的类型即可使用相对应的命令对分区内容进行操作了。

2.3.3.1. FAT格式文件系统

uboot提供了能够对于FAT格式文件系统操作的各个指令， 如下所示，详细可通过 help [命令] 查看

FAT格式文件系统命令

命令

说明

fatinfo

打印关于文件系统的信息

fatls

查看存储设备的fat分区里的内容

fatload

从fat分区里读出文件到指定的内存地址

fatwrite

把内存上的数据存储到fat分区的一个文件里

fatmkdir

创建文件夹

fatrm

删除文件
2.3.3.1.1. 查看文件系统信息

使用fatinfo查看文件系统信息，打印信息如下

1
2
3
4
5
6
=> fatinfo mmc 0:1
Interface:  MMC
  Device 0: Vendor: Man 000003 Snr 6d8b9601 Rev: 1.0 Prod: SC16G▒
            Type: Removable Hard Disk
            Capacity: 15193.5 MB = 14.8 GB (31116288 x 512)
Filesystem: FAT16 "BOOT       "
2.3.3.1.2. 查看分区下的文件目录

使用fatls查看分区下的文件目录，打印信息如下

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
 => fatls mmc 0:1
 38   ID.txt
         kernel/
 2418   uEnv.txt
 577   SOC.sh
         boot/
 34   autorun.inf
         System Volume Information/
         dtbs/
 1472   BOOTEX.LOG

 5 file(s), 4 dir(s)

若想要查看其它目录下的文件列表，只要加上文件路径即可，如下

1
2
3
4
5
6
7
8
9
 => fatls mmc 0:1 kernel/
 ./
 ../
 9187912   vmlinuz-4.19.35-imx6
 143341   config-4.19.35-imx6
 3104898   System.map-4.19.35-imx6
 5160838   initrd.img-4.19.35-imx6

 4 file(s), 2 dir(s)
2.3.3.1.3. 读取文件内容

使用fatload将FAT文件系统的文件加载到内存中，如下所示

1
2
 => fatload mmc 0:1 0x80000000 uEnv.txt
 2418 bytes read in 13 ms (181.6 KiB/s)

可使用md命令查看0x80000000内存中的部分数据内容

1
2
3
4
5
6
7
8
9
=> md.b 0x80000000 0x80
80000000: 23 44 6f 63 73 3a 20 68 74 74 70 73 3a 2f 2f 65    #Docs: https://e
80000010: 6d 62 65 64 2d 6c 69 6e 75 78 2d 74 75 74 6f 72    mbed-linux-tutor
80000020: 69 61 6c 2e 72 65 61 64 74 68 65 64 6f 63 73 2e    ial.readthedocs.
80000030: 69 6f 2f 7a 68 5f 43 4e 2f 6c 61 74 65 73 74 2f    io/zh_CN/latest/
80000040: 52 45 41 44 4d 45 2e 68 74 6d 6c 0a 0a 75 6e 61    README.html..una
80000050: 6d 65 5f 72 3d 34 2e 31 39 2e 33 35 2d 69 6d 78    me_r=4.19.35-imx
80000060: 36 0a 23 75 75 69 64 3d 0a 6d 6d 63 5f 64 74 62    6.#uuid=.mmc_dtb
80000070: 3d 69 6d 78 36 75 6c 6c 2d 6d 6d 63 2d 6e 70 69    =imx6ull-mmc-npi

读取到的内容就是我们日常在/boot/uEnv.txt文件中的看到的内容了。

2.3.3.1.4. FAT文件系统其他操作

uboot还提供了FAT文件系统的其他操作命令，可用于创建目录、写入、删除等操作， 通常情况下在uboot中需要使用这类命令的场景很少，简单介绍如下：

  • fatmkdir：创建目录

  • fatrm：删除文件

  • fatwrite:把内存上的数据存储到FAT分区的一个文件里

2.3.3.2. ext4格式文件系统

ext4文件系统的命令使用方式和FAT使用方式相似，仅命令名不同， uboot提供的ext文件系统命令如下

ext4格式文件系统命令

命令

说明

ext4ls

查看存储设备的ext4分区里的内容

ext4load

从ext4分区里读出文件到指定的内存地址

ext4write

把内存上的数据存储到ext4分区的一个文件里
2.3.3.2.1. ext4文件系统操作

下面以将/etc/apt/sources.list的内容读取到内存实例，简单说明uboot对ext4文件系统操作。

1.查看/etc/apt目录中的文件内容，

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
 => ext4ls mmc 0:2 /etc/apt/
 <DIR>       1024 .
 <DIR>       5120 ..
 <DIR>       3072 trusted.gpg.d
             865 sources.list
             2175 trusted.gpg
 <DIR>       1024 auth.conf.d
 <DIR>       1024 apt.conf.d
 <DIR>       1024 sources.list.d
 <DIR>       1024 preferences.d
             382 trusted.gpg~

2.将/etc/apt/sources.list 文件读取到内存地址0x8000 0000处

1
2
=> ext4load mmc 0:2  0x80000000  /etc/apt/sources.list
865 bytes read in 30 ms (27.3 KiB/s)

3.查看内存0x8000 0000的部分数据内存

1
2
3
4
5
6
7
8
9
=> md.b 0x80000000 0x80
80000000: 64 65 62 20 68 74 74 70 3a 2f 2f 6d 69 72 72 6f    deb http://mirro
80000010: 72 73 2e 74 75 6e 61 2e 74 73 69 6e 67 68 75 61    rs.tuna.tsinghua
80000020: 2e 65 64 75 2e 63 6e 2f 64 65 62 69 61 6e 20 62    .edu.cn/debian b
80000030: 75 73 74 65 72 20 6d 61 69 6e 20 63 6f 6e 74 72    uster main contr
80000040: 69 62 20 6e 6f 6e 2d 66 72 65 65 0a 23 64 65 62    ib non-free.#deb
80000050: 2d 73 72 63 20 68 74 74 70 3a 2f 2f 6d 69 72 72    -src http://mirr
80000060: 6f 72 73 2e 74 75 6e 61 2e 74 73 69 6e 67 68 75    ors.tuna.tsinghu
80000070: 61 2e 65 64 75 2e 63 6e 2f 64 65 62 69 61 6e 20    a.edu.cn/debian

2.4. uboot启动内核过程

bootcmd与bootargs可以说是uboot最重要的两个环境参数， uboot执行完毕之后，如果没有按下回车，则会自动执行bootcmd命环境参数里的内容， 而bootargs则是传递给内核的启动参数。

使用 printenv bootcmd 可查看bootcmd的内容。

1
2
 => printenv bootcmd
 bootcmd=run distro_bootcmd

bootcmd执行了distro_bootcmd，同样可以使用 printenv distro_bootcmd 查看distro_bootcmd的内容如下

1
2
3
4
5
=> printenv distro_bootcmd
distro_bootcmd=for target in ${boot_targets}; do run bootcmd_${target}; done

#boot_targets的值如下
boot_targets=mmc0 mmc1

也就是说distro_bootcmd会执行 bootcmd_mmc0、bootcmd_mmc1 这两个环境参数， 在前面我们知道，mmc0表示的sd卡的存储设备，mmc1表示的emmc设备， 也就是说当sd卡插在板子时，若sd卡装有系统则会优先从sd卡内启动。

1
2
3
4
 => printenv bootcmd_mmc0
 bootcmd_mmc0=setenv devtype mmc; setenv mmcdev 0; setenv bootpart 0:1 ; setenv rootfpart 0:2 ; run boot
 => printenv bootcmd_mmc1
 bootcmd_mmc1=setenv devtype mmc; setenv mmcdev 1; setenv bootpart 1:1 ; setenv rootfpart 1:2 ; run boot

bootcmd_mmc0与bootcmd_mmc1均设置各自 devtype、mmcdev、bootpart、rootfpart 环境参数的值， 最后运行 boot 环境参数，boot内容如下

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
 "boot=mmc check;${devtype} dev ${mmcdev};mmc rescan; " \
 "echo loading [${devtype} ${bootpart}] /uEnv.txt ...; "\
 "if run loaduEnv; then " \
     "run importbootenv;" \
     "if test ${second_flash} = emmc; then " \
             "setenv dtb ${mmc_dtb};"  \
             "setenv storage_media init=/opt/scripts/tools/eMMC/init-eMMC-flasher-v3.sh;"  \
         "else " \
             "setenv dtb ${nand_dtb};"  \
             "setenv storage_media init=/opt/scripts/tools/Nand/init-Nand-flasher-v1.sh;"  \
         "fi; " \
     "if test -n ${flash_firmware}; then "  \
             "echo setting flash firmware...;"  \
             "setenv flashtype ${storage_media};"  \
     "fi;" \
     "run args_mmc_old;" \
     "echo loading vmlinuz-${uname_r} ...; "\
     "load ${devtype} ${bootpart} 0x80800000 /kernel/vmlinuz-${uname_r};"\
     "echo loading ${dtb} ...; "\
     "load ${devtype} ${rootfpart} 0x83000000 /usr/lib/linux-image-${uname_r}/${dtb};"\
     "dtfile 0x83000000 0x87000000  /uEnv.txt ${loadaddr};"   \
     "load ${devtype} ${bootpart} 0x88000000 /kernel/initrd.img-${uname_r};"\
     "echo debug: [${bootargs}] ... ;" \
     "echo debug: [bootz] ...  ;" \
     "bootz 0x80800000 0x88000000:${filesize} 0x83000000;"   \
 "fi;\0" \

提示

若从uboot中直接使用printenv查看boot的内容会显得格式很乱，推荐在uboot源码 include/configs/mx6ullfire.h 中查看。

  • 第3行，运行loading，loading的内容是将uEnv.txt文件的内容读取到内存中， 如下所示

    1
2
    #其中loadaddr的值为0x8200 0000
loaduEnv=load ${devtype} ${bootpart} ${loadaddr} /uEnv.txt;

  • 第4行，运行importbootenv，从内存地址中导入环境参数。

    1
2
    "importbootenv=echo Importing environment from ${devtype} ...; " \
"env import -t ${loadaddr} ${filesize}\0" \

  • 第5-11行，判断启动介质类型，设置 dtb、storage、init 环境参数。

  • 第12-15行，判断是否需要使用利用现有镜像烧录固件到其他介质。

  • 第16行，args_mmc_old 的作用主要用于设置 bootargs 环境参数。如下所示

    1
2
3
4
    "args_mmc_old=setenv bootargs console=ttymxc0 " \
"root=/dev/mmcblk${mmcdev}p2 rw " \
"rootfstype=ext4 " \
"rootwait ${cmdline} ${flashtype}\0" \

  • 第18行，将kernel内核加载到内存地址0x8080 0000处。

  • 第20行，将主设备树加载到内存地址 0x8300 0000处。

  • 第21行，将设备树插件的内容解析合成到主设备树上，dtfile命令并不是原来uboot就有的， 为了方便用户使用/boot/uEnv.txt文件使用设备树插件而添加的，有兴趣的读者可自行查看相关源码。

  • 第22行，将虚拟文件系统加载到0x8800 0000中。

  • 第25行，启动linux内核。

2.5. uboot环境参数介绍

uboot中环境参数为我们提供一种不修改uboot源码的情况下， 能够修改kernel启动倒计时、ip地址、以及向内核传递不同的参数等。

在板子上使用 printenv 可查看板子上所有的环境参数， 使用 setenv 添加/修改/删除环境参数，具体说明如下所示

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
#设置新的环境参数名为abc，值为100
=> setenv abc 100
=> echo $abc
= 100

#将值修改为200
=> setenv abc 200
=> echo $abc
200

#删除abc环境参数
=> setenv abc
=> echo $abc

=>

默认情况下使用setenv命令修改环境参数重启后就会消失， 若想要掉电保存需要执行 saveenv 将环境参数保存到存储介质。

uboot上有一些官方规定的环境变量，这些环境变量在uboot有着特殊的作用， 可通过以下链接查看： https://www.denx.de/wiki/view/DULG/UBootEnvVariables