【Linux】制作U-Boot烧写镜像到SD卡的过程（上篇）

电玩女神 2022-01-29 00:05 1291阅读 0赞

在嵌入式Linux操作系统中，需要将三样东西（`BootLoader`、`内核kernel`、`根文件系统`）传输到目标板中。一般而言，**U-Boot烧写到SD卡中，而内核、根文件系统都采用TFTP的方式传输到目标板，然后通过U-Boot的命令进行启动**。

那么U-Boot是如何烧写到SD卡中的呢？

为了检测U-Boot是否真正少烧写到了SD卡中，本文通过修改U-Boot下的`U-boot/arch/arm/cpu/armv7/start.S`文件，在该文件中增加对GPIO的操作，来对LED进行点亮操作，这样如果U-Boot顺利烧写到SD卡中，开机运行后就会点亮LED。

# S5PV210启动机制 #

S5PV210的启动机制如下所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70][]![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

`S5PV210`的启动过程有三个步骤组成，其中，iROM是平台独立的，存储在`片内内存`中，即芯片应该固化好的；First boot，也是平台独立的，但是它存储在`外部内存`中（如nandflash\\sd卡等），也就是说，这部分代码由用户去实现；second boot，是平台相关的，存储在`外部内存`，是真正的boot loader代码。**一般称iROM过程为BL0，称First Boot Loader为BL1，称second boot loader为BL2**。

具体过程为：

1.  `S5PV210`上电复位后，将从iROM处执行已固化的启动代码——BL0；
2.  在BL0里初始化过程中对启动设备进行判断，并从启动设备拷贝BL1（16KB）到iRAM处，其中这16KB的内容需要包括16字节的`HeaderInfo`（包含`CheckSum`），BL1检查`HeaderInfo`后，继续运行，并拷贝 BL2到iRAM 中并对其校验，通过后转入BL2；
3.  BL2完成一些比较复杂的初始化，包括DARAM的初始化，完成后将OS代码拷贝DARAM 中，并跳到OS中执行并完成启动引导。

# S5PV210的烧写过程 #

## 本文策略 ##

本文通过修改start.S文件，在start.S文件中增加点亮LED的内容，然后对start.S进行编译，编译完成后，制作成16kB大小的内容，烧写到SD卡中。

在start.S文件末尾增加GPIO的初始化部分和点亮的部分：

gpio_out:
    	ldr r11, =0xE0200280			//获得寄存器地址
    	ldr r12, =0x00001111			//配置成输出状态
    	str r12, [r11]					//将r12寄存器的值放回r11
    
    	ldr r11, =0xE0200284
    	ldr r12, =0xF
    	str r12, [r11]
    	mov pc, lr
    
    .globl led1_on
    led1_on:
    	ldr r11, =0xE0200284
    	ldr r12, [r11]
    	bic r12, r12, #1			//将r12的第一位清零，回写到r12
    	str r12, [r11]
    	mov pc, lr

然后在文件reset过程中调用这两个过程即可：

reset:
    	bl	save_boot_params
    	/* * set the cpu to SVC32 mode */
    	mrs	r0, cpsr
    	bic	r0, r0, #0x1f
    	orr	r0, r0, #0xd3
    	msr	cpsr,r0
    
    /* * Setup vector: * (OMAP4 spl TEXT_BASE is not 32 byte aligned. * Continue to use ROM code vector only in OMAP4 spl) */
    #if !(defined(CONFIG_OMAP44XX) && defined(CONFIG_SPL_BUILD))
    	/* Set V=0 in CP15 SCTRL register - for VBAR to point to vector */
    	mrc	p15, 0, r0, c1, c0, 0	@ Read CP15 SCTRL Register
    	bic	r0, #CR_V		@ V = 0
    	mcr	p15, 0, r0, c1, c0, 0	@ Write CP15 SCTRL Register
    
    	/* Set vector address in CP15 VBAR register */
    	ldr	r0, =_start
    	mcr	p15, 0, r0, c12, c0, 0	@Set VBAR
    #endif
    
    	bl gpio_out						//调用
    	bl led1_on							//调用
    	
    	/* the mask ROM code should have PLL and others stable */
    #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
    	bl	cpu_init_cp15
    	bl	cpu_init_crit
    #endif

修改成功后，`make`一下，获得`u-boot.bin`文件。`make`文件是做什么的呢？是怎么写的呢？可以关注博主下一篇文章。

## HeaderInfo ##

上文提到BL1过程的部分文件大小仅仅为16KB的大小，而`u-boot.bin`的大小远远超过，而且在16KB的内容中包含一个叫做`HeaderInfo`的东西，`u-boot.bin`中显然没有。

本文的内容不涉及BL2的过程，仅仅需要BL1过程即可，即点亮LED等就好了。也就是说，本文只需要制作一个16KB大小的文件，将该文件烧写到SD卡中，到目标板中运行就行了。LED的程序肯定在前16KB的内容中。至于后面的LB2过程，以后的文章中再讲怎么操作。

那么`HeaderInfo`的东西是怎么生成的呢？在文件`mkv210_image.c`中详细介绍了整个过程：

/* 在BL0阶段，iRom内固化的代码需要读取nandflash或SD卡前16K的内容， * 并比对前16字节中的校验和是否正确，正确则继续，错误则停止。 */
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <stdlib.h>
     
    #define BUFSIZE (16*1024)
    #define IMG_SIZE (16*1024)
    #define SPL_HEADER_SIZE 16
    #define SPL_HEADER "S5PC110 HEADER " 
     
    int main (int argc, char *argv[])
    { 
    	FILE *fp;
    	char *Buf, *a;
    	int BufLen;
    	int nbytes, fileLen;
    	unsigned int checksum, count;
    	int i;
    	
    	// 1. 3个参数
    	if (argc != 3)				//参数数目不对
    	{ 
    		printf("Usage: mkbl1 <source file> <destination file>\n");
    		return -1;
    	}
     
    	// 2. 分配16K的buffer
    	BufLen = BUFSIZE;
    	Buf = (char *)malloc(BufLen);
    	if (!Buf)					//如果分配空间不够，分配失败
    	{ 
    		printf("Alloc buffer failed!\n");
    		return -1;
    	}
     
    	memset(Buf, 0x00, BufLen);				//这段内存区全部清零
     
    	// 3. 读源bin到buffer
    	// 3.1 打开源bin
    	fp = fopen(argv[1], "rb");			//打开文件
    	if( fp == NULL)					//打开失败
    	{ 
    		printf("source file open error\n");
    		free(Buf);
    		return -1;
    	}
    	// 3.2 获取源bin长度
    	fseek(fp, 0L, SEEK_END);		//指针移动到文件末尾
    	fileLen = ftell(fp);			//获取文件长度
    	fseek(fp, 0L, SEEK_SET);			//指针移动到文件开始
    	// 3.3 源bin长度不得超过16K-16byte
    	count = (fileLen < (IMG_SIZE - SPL_HEADER_SIZE))
    		? fileLen : (IMG_SIZE - SPL_HEADER_SIZE);			//count等于16kB-16字节
    	// 3.4 buffer[0~15]存放"S5PC110 HEADER "
    	memcpy(&Buf[0], SPL_HEADER, SPL_HEADER_SIZE);			//复制移动
    	// 3.5 读源bin到buffer[16]
    	nbytes = fread(Buf + SPL_HEADER_SIZE, 1, count, fp);	
    	if ( nbytes != count )
    	{ 
    		printf("source file read error\n");
    		free(Buf);
    		fclose(fp);
    		return -1;
    	}
    	fclose(fp);
     
    	// 4. 计算校验和
     	// 4.1 从第16byte开始统计buffer中共有几个1
    	a = Buf + SPL_HEADER_SIZE;
    	for(i = 0, checksum = 0; i < IMG_SIZE - SPL_HEADER_SIZE; i++)
    		checksum += (0x000000FF) & *a++;
    	// 4.2 将校验和保存在buffer[8~15]
    	a = Buf + 8;
    	*( (unsigned int *)a ) = checksum;
     
    	// 5. 拷贝buffer中的内容到目的bin
    	// 5.1 打开目的bin
    	fp = fopen(argv[2], "wb");
    	if (fp == NULL)
    	{ 
    		printf("destination file open error\n");
    		free(Buf);
    		return -1;
    	}
    	// 5.2 将16k的buffer拷贝到目的bin中
    	a = Buf;
    	nbytes	= fwrite( a, 1, BufLen, fp);
    	if ( nbytes != BufLen )
    	{ 
    		printf("destination file write error\n");
    		free(Buf);
    		fclose(fp);
    		return -1;
    	}
     
    	free(Buf);
    	fclose(fp);
     
    	return 0;
    }

这里介绍一下main()的函数参数：

*  `argc` = argument count ：**表示传入main函数的数组元素个数，为int类型**；
 *  `argv` = argument vector ：**表示传入main函数的指针数组，为char\*\[ \]类型**。**第一个数组元素argv\[0\]是程序名称，并且包含程序所在的完整路径**。argc至少为1，即argv数组至少包含程序名。

也就是说，当编译并运行main()函数的时候：

gcc mkv210_image.c -o mkv210					//编译文件
    ./mkv210 u-boot.bin u-boot.16k				//运行文件，三个参数（第一个参数必须是本文件）

通过这段程序的运行，就可以将`u-boot.bin`生成`u-boot.16k`，该文件仅有16k的大小，并且包含`HeaderInfo`。

## hexdump查看二进制文件 ##

**当编译文件时，需要将`.c`文件通过预编译变成`.i`文件，再通过编译变成`.s`文件，再通过汇编变成`.o`文件，最后进行链接变成不带后缀名的文件**。

但是**不带后缀名的文件内不仅仅是二进制的内容，里面还包括许多的链接内容、注释内容等等，因此文件大小一般比较大，不能直接烧写到目标板中。而`.bin`后缀的文件删除了这部分的内容，仅仅只有二进制的文件，可以烧写到目标板中**。

因此，**如果想要分析二进制文件采用不带后缀的文件，想要烧写到目标板中，采用.bin后缀的文件**。

hexdump -C u-boot.16k | less		//-C 输出规范的十六进制和ASCII码

运行结果如图所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

查看`uboot.bin`：

arm-linux-objdump -S u-boot | less

运行结果如图所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

注意到，`u-boot`里面第一句`reset`的二进制表达是ea000014，而在`u-boot.16k`中的表达是140000ea（第二行，去掉前16字节的`HeaderInfo`）。

这就涉及到大小端的问题了，可以查看链接：[大小端问题][Link 1]。

一般而言，**处理器以小端模式为主，硬盘等存储设备以大选模式为主，网络通信都是大端模式**（先传高位，再传低位）。

## 烧写到SD卡 ##

烧写到SD卡，一般采用的是`dd`命令：

sudo dd iflag=dsync oflag=dsync if=u-boot.16k of=/dev/sdb seek=1

前两个选项`iflag`和`oflag`表示采取异步的方式，`if`表示输入文件，`of`表示输出设备，`seek`表示从第几个扇区开始烧写。

`dev`是设备（device）的英文缩写。`/dev`这个目录对所有的用户都十分重要。因为在这个目录中包含了所有Linux系统中使用的外部设备。但是这里并不是放的外部设备的驱动程序，这一点和windows、dos操作系统不一样。**它实际上是一个访问这些外部设备的端口**。我们可以非常方便地去访问这些外部设备，和访问一个文件、一个目录没有任何区别。

## 检测结果 ##

插入SD卡到目标板，上电，LED就会按照程序执行。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/201905172104111.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220129/953f1640069a430fa442c6da9ad303aa.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220129/c1d3f5d218894940af4ef7b44043dddf.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20220129/a6b4ad4eb6ee47e8847624faeb927b48.png
[Link 1]: https://blog.csdn.net/yasaken/article/details/7243757
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly95bmd6bWlhby5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20220129/68f81fcb23b041ab91aa303f3ad86fea.png