U-Boot overview

Das U-Boot

Das U-Boot (“通用引导加载程序”或U-Boot) 是一种开源引导加载程序，可用于ST板上以初始化平台并加载Linux^® 内核。

官方网站： https://www.denx.de/wiki/U-Boot
官方手册： project documentation 和 https://www.denx.de/wiki/DULG/Manual
官方的源代码 可在 git 存储库下找到[1]

 PC $> git clone https://gitlab.denx.de/u-boot/u-boot.git

在开始使用U-Boot之前，请阅读README | |}} README file 。它涵盖以下主题：

源文件树结构
配置定义说明
关于构建U-Boot的说明
Hush外壳的简要说明
常用环境变量列表

U-Boot overview

Zoom out to STM32MPU Embedded Software

同一个U-Boot源可以生成SPL和U-Boot中使用的两个固件 STM32 MPU boot chain:

受信任的引导链：TF-A作为FSBL，U-Boot作为SSBL
基本启动链：SPL作为FSBL，U-Boot作为SSBL

基本启动链不能用于产品开发 (请参见Boot chains overview 以获取详细信息).

它仅作为最简单的SSBL的示例提供，并支持上游U-Boot开发。但是，当SPL与U-Boot中提供的用于基本引导链的最小安全监视器结合使用时，已经发现了几个已知的限制。它们适用于:

功率
安全访问寄存器
有限的功能(STM32CubeProgrammer / boot from NAND Flash memory).

没有针对这些限制的修复计划。

SPL: FSBL for basic boot

U-Boot SPL 或 SPL 是 the basic boot chain的第一阶段引导加载程序（FSBL）。
它是从U-Boot源生成的小二进制文件（引导实用程序），并存储在内部有限大小的嵌入式RAM中。SPL的主要功能如下：

它由ROM代码加载。
它执行初始的CPU和板配置（时钟和DDR内存）。
它将SSBL(U-Boot)加载到DDR内存中。

U-Boot: SSBL

U-Boot 是STM32 MPU平台的默认第二阶段引导程序（SSBL）。它同时用于 trusted and basic引导链

SSBL的主要功能如下：

它是可配置和消耗的。
它具有一个简单的命令行界面（CLI），允许用户通过串行端口控制台进行交互。
它提供脚本功能
它将内核加载到RAM中并控制内核
它管理多个内部和外部设备，例如NAND和NOR闪存，以太网和USB。
它支持以下功能和命令：
- 文件系统：FAT, UBI/UBIFS, JFFS
- IP堆栈：FTP
- 显示： LCD, HDMI, BMP for splashcreen
- USB: host (mass storage) or device (DFU stack)

SPL phases

SPL 在SYSRAM中执行以下主要阶段：

board_init_f(): 驱动程序初始化，包括DDR初始化（最小堆栈和堆：CONFIG_SPL_STACK_R_MALLOC_SIMPLE_LEN）
DDR内存中堆的配置(CONFIG_SPL_SYS_MALLOC_F_LEN)
board_init_r(): 初始化在SPL设备树中激活的其他驱动程序
加载并执行U-Boot(或Falcon模式下的内核^[1]: doc/README.falcon | |}} README.falcon ).

U-Boot phases

U-Boot 在DDR内存中执行以下主要阶段：

Pre-relocation 初始化 (common/board_f.c): 在CONFIG_SYS_TEXT_BASE加载地址上运行的最小初始化（例如CPU，时钟，重置，DDR和控制台）
Relocation: 将代码复制到DDR内存的末尾。
Post-relocation initialization:(common/board_r.c): 初始化所有驱动程序。
Command execution 通过自动引导(CONFIG_AUTOBOOT)或控制台shell
- 启动命令的执行（默认情况下 bootcmd=CONFIG_BOOTCOMMAND）：
  例如，将命令bootm执行到：
  - 加载并检查映像（例如内核，设备树和ramdisk）
  - 修复内核设备树
  - 安装安全监视器（可选）或
  - 将控制权传递给Linux内核(或另一个目标应用程序)

U-Boot configuration

U-Boot二进制配置基于

Kbuild infrastructure (与Linux Kernel, 您可以在U-Boot中使用make menuconfig )
配置基于以下各项：
- 在 Kconfig 文件中定义的选项(CONFIG _ compilation 标志)
- 所选配置文件：configs/ | |}} configs/stm32mp*_defconfig
other compilation flags 定义于include/configs/ | |}} include/configs/stm32mp*.h (这些标志将逐步迁移到Kconfig)
文件名通过CONFIG_SYS_CONFIG_NAME配置。
对于 {{#vardefine:info|}}{{#vardefine:dev|MP15x lines}}{{#vardefine:info| }}STM32{{#var:dev}}{{#var:info}}, 使用了include/configs/stm32mp1.h | |}} include/configs/stm32mp1.h 文件。

DeviceTree: U-Boot和SPL二进制文件包括在运行时解析的设备树blob

所有的配置标志(前缀为 CONFIG_)都在源代码中描述，或者在 README | |}} README 文件中，或者在doc/ | |}} documentation directory 目录中。
例如，CONFIG_SPL激活SPL编译
因此，为了选择一个预定义的配置，需要为主板编译 U-Boot，select the <target> 和 the device tree 。
有关示例，请参阅#U-Boot_build。

Kbuild

与内核一样，U-Boot构建系统也基于 configuration symbols (在Kconfig文件中定义). 选定的值存储在build目录的.config文件中，具有相同的Makefile目标。
按照以下步骤进行:

选择预定义的配置(configs/ | |}} configs directory 中的defconfig文件) 并生成第一个 .config:

 PC $> make <config>_defconfig.

使用以下五个make 命令之一更改U-Boot编译配置(修改.config)：

 PC $> make menuconfig --> menu based program
 PC $> make config  --> line-oriented configuration
 PC $> make xconfig --> QT program^[2]
 PC $> make gconfig --> GTK program
 PC $> make nconfig --> ncurse menu based program

然后，您可以使用更新的.config编译U-Boot。

Warning: 修改是在构建目录的本地执行的。在 make distclean 之后它将丢失.

保存您的配置以将其用作defconfig文件：

  PC $> make savedefconfig

此目标将当前配置保存为build目录中的defconfig文件。然后可以将其与预定义的配置进行比较(configs/stm32mp*defconfig).

其他makefile目标如下：

  PC $> make help
 ....
 Configuration targets:
   config	  - Update current config utilising a line-oriented program
   nconfig         - Update current config utilising a ncurses menu based
                     program
   menuconfig	  - Update current config utilising a menu based program
   xconfig	  - Update current config utilising a Qt based front-end
   gconfig	  - Update current config utilising a GTK+ based front-end
   oldconfig	  - Update current config utilising a provided .config as base
   localmodconfig  - Update current config disabling modules not loaded
   localyesconfig  - Update current config converting local mods to core
   defconfig	  - New config with default from ARCH supplied defconfig
   savedefconfig   - Save current config as ./defconfig (minimal config)
   allnoconfig	  - New config where all options are answered with no
   allyesconfig	  - New config where all options are accepted with yes
   allmodconfig	  - New config selecting modules when possible
   alldefconfig    - New config with all symbols set to default
   randconfig	  - New config with random answer to all options
   listnewconfig   - List new options
   olddefconfig	  - Same as oldconfig but sets new symbols to their
                    default value without prompting

Device tree

请参阅doc/README.fdt-control | |}} doc/README.fdt-control 以获取详细信息。

板设备树具有与内核相同的绑定。它集成在SPL和U-Boot二进制文件中：

默认情况下，它被附加在代码的末尾(CONFIG_OF_SEPARATE).
它嵌入在U-Boot二进制文件（CONFIG_OF_EMBED）中。这对调试很有用，因为它可以轻松加载.elf文件。

defconfig文件中有一个默认的设备树（通过设置CONFIG_DEFAULT_DEVICE_TREE）。

您可以使用DEVICE_TREE make标志选择另一个受支持的设备树。对于stm32mp板，相应的文件为： arch/arm/dts/ | |}} arch/arm/dts/stm32mp*.dts .

  PC $> make DEVICE_TREE=<dts-file-name>

或提供预编译的设备树blob(using EXT_DTB option):

  PC $> make EXT_DTB=boot/<dts-file-name>.dtb

SPL设备树也从该设备树生成。但是为了减小其大小，U-Boot生成文件使用fdtgrep工具来解析完整的U-Boot DTB并识别SPL所需的所有驱动程序。

为此，U-Boot使用特定的设备树标志来定义相关的驱动程序是否在U-Boot重定位之前初始化和/或相关的节点是否存在于SPL中：

u-boot,dm-pre-reloc => 存在于SPL中，在U-Boot中重新定位之前初始化
u-boot,dm-pre-proper => 在U-Boot中重新定位之前初始化
u-boot,dm-spl => 存在于SPL中

在U-Boot使用的设备树中，这些标志需要添加到SPL或U-Boot中使用的每个节点中，然后再进行重定位以及每个使用的句柄（时钟，复位，引脚控制）。

U-Boot command line interface (CLI)

请参阅 U-Boot Command Line Interface.

如果CONFIG_AUTOBOOT已激活，则在显示以下行并执行bootcmd(CONFIG_BOOTCOMMAND)后，您有CONFIG_BOOTDELAY秒(默认情况下为2秒)通过按任意键进入控制台：

 Hit any key to stop autoboot:  2

Commands

这些命令在cmd/ | |}} cmd/*.c . 通过相应的 CONFIG_CMD_* 配置标志激活它们。

使用U-Boot shell中的help 命令列出设备上可用的命令：

 Board $> help

以下是从中提取的所有命令的列表 U-Boot Manual (不详尽):

Information Commands
- bdinfo - 打印板信息结构
- coninfo - 打印控制台设备和信息
- flinfo - 打印闪存信息
- iminfo - 打印应用程序映像的标题信息
- help - 打印在线帮助
Memory Commands
- base - 打印或设置地址偏移量
- crc32 - 校验和计算
- cmp - 内存比较
- cp - 内存拷贝
- md - 内存显示
- mm - 内存修改(自动递增)
- mtest - 简单的RAM测试
- mw - 内存写入(填充)
- nm - 内存修改（常量地址）
- loop - 地址范围内无限循环
Flash Memory Commands
- cp - 内存复制
- flinfo - 打印闪存信息
- erase - 清除闪存
- protect - 启用或禁用闪存写入保护
- mtdparts - 定义与Linux兼容的MTD分区方案
Execution Control Commands
- source - 从内存运行脚本
- bootm - 从内存启动应用程序映像
- go - 在地址‘addr’处启动应用程序
Download Commands
- bootp - 使用BOOTP / TFTP协议通过网络引导映像
- dhcp - 调用DHCP客户端以获得IP /启动参数
- loadb - 通过串行线加载二进制文件（kermit模式）
- loads - 通过串行线加载S-Record文件
- rarpboot- 使用RARP/TFTP协议通过网络引导映像
- tftpboot- 使用TFTP协议通过网络引导映像
Environment Variables Commands
- printenv- 打印环境变量
- saveenv - 将环境变量保存到永久存储
- setenv - 设置环境变量
- run - 在环境变量中运行命令
- bootd - 启动默认设置，即运行‘bootcmd’
Flattened Device Tree support
- fdt addr - 选择要处理的FDT
- fdt list - 打印等级一级
- fdt print - 递归打印
- fdt mknode - 创建新节点
- fdt set - 设置节点属性
- fdt rm - 删除节点或属性
- fdt move - 将FDT blob移动到新地址
- fdt chosen - 固定动态信息
Special Commands
- i2c - I2C子系统
Storage devices
Miscellaneous Commands
- echo - 将参数返回到控制台
- reset - 执行CPU重置
- sleep - 将执行延迟预定义的时间
- version - 打印监视器版本

要添加新命令，请参阅doc/README.commands | |}} doc/README.commands .

U-Boot environment variables

U-Boot行为是通过环境变量配置的。

环境变量请参阅Manual 和README | |}} README 。

首次启动时，U-Boot使用嵌入在U-Boot二进制文件中的默认环境。您可以通过更改配置文件中CONFIG_EXTRA_ENV_SETTINGS的内容 (例如 ./include/configs/stm32mp1.h) (请参阅 README | |}} README / - 默认环境).

可以修改此环境并将其保存在引导设备中。如果存在，它将在U-Boot初始化期间加载：

对于 e•MMC/SD card boot (CONFIG_ENV_IS_IN_EXT4)，位于文件 CONFIG_ENV_EXT4_FILE="uboot.env" 中的可引导ext4分区 "bootfs" 中。
对于NAND引导 (CONFIG_ENV_IS_IN_UBI), 在两个UBI卷 "config" (CONFIG_ENV_UBI_VOLUME) 和 "config_r" (CONFIG_ENV_UBI_VOLUME_REDUND)中。
用于NOR引导 (CONFIG_ENV_IS_IN_SPI_FLASH), 位于u-boot_env mtd分区中 (在偏移量 CONFIG_ENV_OFFSET 处).

env command

env 命令允许在U-Boot控制台中显示，修改和保存环境。

 Board $> help env
 env - environment handling commands
 
 Usage:
 env default [-f] -a - [forcibly] reset default environment
 env default [-f] var [...] - [forcibly] reset variable(s) to their default values
 env delete [-f] var [...] - [forcibly] delete variable(s)
 env edit name - edit environment variable
 env exists name - tests for existence of variable
 env print [-a | name ...] - print environment
 env print -e [name ...] - print UEFI environment
 env run var [...] - run commands in an environment variable
 env save - save environment
 env set -e name [arg ...] - set UEFI variable; unset if 'arg' not specified
 env set [-f] name [arg ...]

示例：按以下步骤恢复默认环境并保存它。这在U-Boot升级后很有用：

 Board $> env default -a
 Board $> env save

bootcmd

“bootcmd”变量是自动引导命令。它定义U-Boot启动时执行的命令 (CONFIG_BOOTCOMMAND).

对于stm32mp，请使用 CONFIG_BOOTCOMMAND="run bootcmd_stm32mp":

 Board $> env print bootcmd    
  bootcmd=run bootcmd_stm32mp

"bootcmd_stm32mp" 是一个脚本，它基于generic distro scripts为每个引导设备选择要执行的命令，(请参阅 ./include/configs/stm32mp1.h):

对于 serial/usb: 执行 stm32prog 命令。
对于 mmc boot (e•MMC, SD card), 只能在同一设备上启动 (bootcmd_mmc...).
对于 nand boot, 请使用nand的ubifs分区(bootcmd_ubi0)引导。
对于 nor boot, 使用默认顺序 e•MMC (SDMMC 1)/ NAND / SD card (SDMMC 0) / SDMMC2 (默认的 bootcmd: distro_bootcmd).

 Board $> env print bootcmd_stm32mp

然后，您可以更改此配置：

永久保存在您的电路板文件中 (通过 CONFIG_EXTRA_ENV_SETTINGS 或更改 CONFIG_BOOTCOMMAND 值的默认环境) 或
暂时保存在存储环境中:

 Board $> env set bootcmd run bootcmd_mmc0 
 Board $> env save

注意：要将环境重置为其默认值：

 Board $> env default bootcmd
 Board $> env save

Generic Distro configuration

有关详细信息，请参阅doc/README.distro | |}} doc/README.distro 。

默认情况下，此功能在ST板上激活(CONFIG_DISTRO_DEFAULTS):

每个可引导设备都有一个引导命令(bootmcd_xxx)。
U-Boot独立于所使用的Linux发行版。
bootcmd是在./include/config_distro_bootcmd.h | |}} ./include/config_distro_bootcmd.h 中定义的。

启用DISTRO时，默认情况下执行的命令为include/config_distro_bootcmd.h| |}} include/config_distro_bootcmd.h :

 bootcmd=run distro_bootcmd

此脚本尝试在“boot_targets”变量中找到任意设备，并执行关联的 bootcmd.

mmc0、mmc1、mmc2、pxe和ubifs设备示例：

 bootcmd_mmc0=setenv devnum 0; run mmc_boot
 bootcmd_mmc1=setenv devnum 1; run mmc_boot
 bootcmd_mmc2=setenv devnum 2; run mmc_boot
 bootcmd_pxe=run boot_net_usb_start; dhcp; if pxe get; then pxe boot; fi
 bootcmd_ubifs0=setenv devnum 0; run ubifs_boot

U-Boot 搜索每个可引导设备的extlinux.conf 配置文件。这个文件定义了要使用的内核配置:

bootargs
kernel + device tree + ramdisk files (optional)
FIT image

U-Boot scripting capabilities

"Script files" 是由U-Boot命令解释器执行的命令序列。此功能对于将U-Boot配置为使用真实shell(Hush)作为命令解释程序特别有用。

参见 U-Boot 脚本手册为例。

U-Boot build

Prerequisites

装有Linux和工具的PC：
- 参阅 PC_prerequisites
- #ARM cross compiler
U-Boot源代码
- 最新的STMicroelectronics U-Boot版本
  - 开发人员软件包中的tar.xz文件 (例如 STM32MP1)
  - 从 GITHUB^[3], 使用 git 命令

 PC $> git clone https://github.com/STMicroelectronics/u-boot

从官方GIT存储库中的Mainline U-Boot <ref> https://gitlab.denx.de/u-boot/u-boot.git或https://github.com/u-boot/u-boot</ 参考>

 PC $> git clone https://gitlab.denx.de/u-boot/u-boot.git

ARM cross compiler

必须在您的主机（X86_64，i686等）的主机上安装交叉编译器<ref> https://en.wikipedia.org/wiki/Cross_compiler </ ref>，以用于ARM定位的设备体系结构。另外，必须在您的shell中配置$ PATH和$ CROSS_COMPILE环境变量。

您可以将gcc用于ARM，可在以下位置使用：

SDK工具链 (请参阅 Cross-compile with OpenSTLinux SDK)
PATH和CROSS_COMPILE会自动更新。
现有软件包
例如，在 Ubuntu/Debian 上安装 gcc-arm-linux-gnueabihf : (PC $> sudo apt-get.
现有的工具链：
- ARM提供的最新GCC工具链 (https://developer.arm.com/open-source/gnu-toolchain/gnu-a/downloads/)
- linaro提供的gcc v7工具链： (https://www.linaro.org/downloads/)

例如，要使用arm中的 gcc-arm-9.2-2019.12-x86_64-arm-none-linux-gnueabihf.tar.xz ，请提取$ HOME中的工具链并使用以下命令更新您的环境：

 PC $> export PATH=$HOME/gcc-arm-9.2-2019.12-x86_64-arm-none-linux-gnueabihf/bin:$PATH
 PC $> export CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf-

例如, 要使用来自https://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/7.2-2017.11/arm-linux-gnueabi/ 中的
gcc-linaro-7.2.1-2017.11-x86_64_arm-linux-gnueabi.tar.xz
要在$ HOME中解压缩工具链，并使用以下命令更新您的环境：

 PC $> export PATH=$HOME/gcc-linaro-7.2.1-2017.11-x86_64_arm-linux-gnueabi/bin:$PATH
 PC $> export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

Compilation

在U-Boot源目录中，选择用于配置的<target>和<device tree>，然后执行 make all 命令：

 PC $> make <target>_defconfig
 PC $> make DEVICE_TREE=<device-tree> all

还可以选择使用 KBUILD_OUTPUT 更改输出目录以编译多个目标，或者不在源目录中编译。例如:

 PC $> export KBUILD_OUTPUT=../build/basic

当仅支持一块板时，DEVICE_TREE 也可以导出到您的环境。例如：

 PC $> export DEVICE_TREE=stm32mp157c-ev1

STM32MP15 U-Boot中的示例：

{{#vardefine:info|}}{{#vardefine:dev|MP15x lines}}{{#vardefine:info| }}STM32{{#var:dev}}{{#var:info}}支持三种配置：

stm32mp15_trusted_defconfig: trusted boot chain, U-Boot（无SPL）是不安全的，并且使用TF-A的安全监视器
stm32mp15_optee_defconfig: trusted boot chain, U引导（不带SPL）是不安全的，并且使用来自SecureOS的安全监视器 = OP-TEE
stm32mp15_basic_defconfig: basic boot chain, 以SPL作为FSBL，U-BOOT是安全的，并通过PSCI安装监视器

单板多样性仅通过设备树进行管理.

 PC $> export KBUILD_OUTPUT=../build/trusted
 PC $> make stm32mp15_trusted_defconfig
 PC $> make DEVICE_TREE=stm32mp157c-<board> all

 PC $> export KBUILD_OUTPUT=../build/optee
 PC $> export DEVICE_TREE=stm32mp157c-<board>
 PC $> make stm32mp15_optee_defconfig
 PC $> make all

 PC $> make stm32mp15_basic_defconfig
 PC $> make DEVICE_TREE=stm32mp157c-<board>  all

使用帮助列出其他目标：

 PC $> make help

Output files

生成的U-Boot文件位于您的构建目录 (U-Boot or KBUILD_OUTPUT)中。

stm32mp设备使用两种二进制格式：

STM32图像格式(*.stm32), 由mkimage U-Boot工具和 Signing_tool管理。 ROM代码和TF-A请求它(详情请参阅 STM32 header for binary files )。
uImage (*.img) 格式，包含U-Boot头的文件，由SPL和U-Boot管理（用于内核加载）。

U-Boot生成的文件如下：

对于 Trusted boot chain (TF-A用作FSBL，带有或不带有OP-TEE)
- u-boot.stm32 : 带有STM32映像头的U-Boot二进制文件，由TF-A加载

对于 Basic boot chain (SPL用作FSBL)
- u-boot-spl.stm32 : 带有STM32映像头的SPL二进制文件，由ROM代码加载
- u-boot.img : 具有uImage标头的U-Boot二进制文件，由SPL加载

用于使用gdb进行调试的文件包括

u-boot : U-Boot的elf文件
spl/u-boot-spl : SPL的elf文件

References

[1] ttps://www.denx.de/wiki/pub/U-Boot/MiniSummitELCE2013/2013-ELCE-U-Boot-Falcon-Boot.pdf

[2] ttps://en.wikipedia.org/wiki/Xconfig

[3] ttps://github.com/STMicroelectronics/u-boot

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