📚 课程目录第4章 TF-A与U-Boot板级移植基础

4. TF-A与U-Boot板级移植基础

在STM32MP系列平台上，从芯片上电到Linux内核启动，中间要经过两段关键的引导程序：TF-A（Trusted Firmware-A）和U-Boot。TF-A负责建立安全运行环境、初始化DDR、加载并校验后续镜像；U-Boot则承担板级外设初始化、镜像加载和启动参数传递。板级移植的核心工作，就是让这两段引导程序“认识”你的板子——知道DDR怎么配、串口在哪、从哪里启动、设备树长什么样。本节围绕TF-A启动阶段、U-Boot板级文件结构、设备树与配置头文件、编译烧录与串口控制台调试四条主线展开。

一、TF-A启动阶段：从ROM Code到BL33

STM32MP1的启动链遵循ARM Trusted Firmware的分级模型。芯片内部固化的ROM Code（BL0）最先运行，它根据BOOT引脚和OTP配置选择启动介质（eMMC、SD卡、NAND、串口/USB），把FSBL（First Stage Boot Loader）加载到SYSRAM中执行。在STM32MP1上，FSBL就是TF-A的BL2阶段。

BL2运行在SYSRAM（约256KB）中，主要完成三件事：初始化时钟树、初始化DDR控制器、把后续镜像从启动介质搬到DDR。DDR初始化参数来自设备树中的DDR节点，包括时序参数、容量、位宽等，这部分参数一旦配错，BL2会在DDR训练阶段卡死，串口通常只输出到“DDR init”附近就停止。BL2随后加载BL31（运行时服务，处理安全监控和电源管理）、BL32（OP-TEE，可选）和BL33（即U-Boot），并通过SMC指令逐级跳转。

BL31常驻DDR，负责PSCI电源管理、系统复位和安全世界切换；BL33即U-Boot的SPL或完整U-Boot。理解这条链路的意义在于：当串口停在某个阶段时，你能迅速判断是DDR参数、镜像签名还是加载地址出了问题。

二、U-Boot板级文件结构

U-Boot的板级支持集中在几个固定位置。以STM32MP15x为例，板级目录位于board/st/stm32mp1/，其中board.c包含板级初始化函数board_init()、DDR相关回调、以及环境变量默认值；stm32mp1.c处理电源、USB、按键等板级特性。配置头文件位于include/configs/stm32mp1.h，定义环境变量、启动命令、内存布局等。

设备树文件位于arch/arm/dts/，如stm32mp157a-dk1.dts及其包含的stm32mp15xx-dkx.dtsi、stm32mp151.dtsi。U-Boot的设备树与Linux设备树同源，但U-Boot只使用其中一部分节点（串口、MMC、以太网、PMIC等），内核启动时会把控制权交给Linux自己的设备树。移植时通常先复制一份参考板的dts，修改模型名、内存大小、串口引脚和启动介质节点。

配置层面，U-Boot使用defconfig文件（如stm32mp15_defconfig）和Kconfig体系。板级差异通过CONFIG_TARGET_STM32MP15、CONFIG_DEFAULT_DEVICE_TREE等选项控制。编译时make stm32mp15_defconfig生成.config，再make DEVICE_TREE=stm32mp157a-dk1指定设备树。

三、设备树与配置头文件

设备树是板级移植的“地图”。以串口为例，U-Boot需要知道使用哪个UART、引脚如何复用、时钟从哪来。典型节点如下：

&usart3 {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&usart3_pins_a>;
    status = "okay";
};

&usart3_pins_a {
    pins1 {
        pinmux = <STM32_PINMUX('B', 10, AF7)>;  /* USART3_TX */
    };
    pins2 {
        pinmux = <STM32_PINMUX('B', 11, AF7)>;  /* USART3_RX */
    };
};

配置头文件stm32mp1.h中常见宏包括CONFIG_SYS_MMC_ENV_DEV（环境变量存储设备）、CONFIG_BOOTCOMMAND（默认启动命令）、CONFIG_EXTRA_ENV_SETTINGS（自定义环境变量）。例如把启动命令改为从eMMC读取内核：

#define CONFIG_BOOTCOMMAND \
    "mmc dev 1; " \
    "ext4load mmc 1:4 0xc2000000 /boot/uImage; " \
    "ext4load mmc 1:4 0xc4000000 /boot/stm32mp157a-custom.dtb; " \
    "bootm 0xc2000000 - 0xc4000000"

这里0xc2000000是内核加载地址，0xc4000000是设备树地址，需与DDR布局一致。地址写错会导致bootm报“Bad Magic Number”或内核解压失败。

四、编译烧录与串口控制台调试

典型编译流程分两步。TF-A：进入tf-a-stm32mp目录，执行make ARM_ARCH_MAJOR=7 ARCH=aarch32 PLAT=stm32mp1 STM32MP15=1 DTB_FILE_NAME=stm32mp157a-custom.dtb，生成tf-a-stm32mp157a-custom.stm32。U-Boot：进入u-boot-stm32mp目录，执行make stm32mp15_defconfig和make DEVICE_TREE=stm32mp157a-custom all，生成u-boot.stm32和u-boot-spl.stm32。

烧录到SD卡时，使用dd写入分区：

dd if=tf-a-stm32mp157a-custom.stm32 of=/dev/sdX bs=1M seek=0 conv=fsync
dd if=u-boot-spl.stm32 of=/dev/sdX bs=1M seek=1 conv=fsync
dd if=u-boot.stm32 of=/dev/sdX bs=1M seek=3 conv=fsync

串口控制台是调试的第一现场。STM32MP1默认使用UART4（DK1板为USART3，视板而定），波特率115200，8N1。上电后应依次看到：

NOTICE:  CPU: STM32MP157AAC Rev.Z
NOTICE:  Model: STMicroelectronics STM32MP157A-DK1
NOTICE:  Board: MB1272 Var1.0 Rev.C-01
INFO:    BL2: v2.6(debug):...
INFO:    BL2: Loading image id 3
INFO:    BL2: Loading image id 5
NOTICE:  BL2: Booting BL31
NOTICE:  BL31: v2.6(debug):...
U-Boot SPL 2021.10 (Jan 01 2024 - 00:00:00)
U-Boot 2021.10 (Jan 01 2024 - 00:00:00 +0000)
Hit any key to stop autoboot:  0

若串口无输出，先检查波特率、TX/RX是否接反、引脚复用是否被其他功能占用；若停在“DDR init”之后，重点核对DDR设备树参数；若U-Boot能启动但找不到内核，检查bootcmd中的分区号和加载地址。进入U-Boot命令行后，可用mmc list、mmc dev 1、ext4ls mmc 1:4 /boot逐级确认存储和文件系统，再用printenv查看环境变量，最后boot验证启动。

调试建议：先让参考板的TF-A和U-Boot在自制板上跑通串口，再逐步替换DDR参数和设备树节点。每次只改一个变量，便于定位问题。

板级移植不是一次写对，而是“串口有输出→DDR稳定→U-Boot命令行可用→内核能加载”的逐级收敛过程。掌握TF-A启动阶段、U-Boot文件结构、设备树与配置头文件、编译烧录与串口调试这四块，就具备了STM32MP平台板级适配的基本能力。