3. Bootloader移植与实战

Bootloader 是嵌入式系统上电后运行的第一段代码。它的任务说白了就两件：初始化硬件，然后加载操作系统内核。在 Linux 世界里，U-Boot 几乎是事实标准。我这些年经手的项目，从 ARM9 到 Cortex-A72，清一色用的都是它。

这一章我们就把 U-Boot 扒开来看。从启动流程到源码结构，从配置编译到设备树支持，一条线走通。

3.1 U-Boot 启动流程分析

U-Boot 的启动分两个阶段。为什么分两段？因为早期芯片内部 SRAM 太小，放不下完整的 Bootloader。第一阶段用汇编搞定最基础的初始化，第二阶段用 C 语言完成复杂逻辑。

第一阶段：SPL（或叫 Stage 1）

SPL 是 Secondary Program Loader 的缩写。它体积小，通常只有 16KB 到 64KB。我见过不少新手直接拿完整的 U-Boot 去烧写，结果发现芯片内部 RAM 根本装不下——这就是没搞懂 SPL 的作用。

SPL 的核心工作：

• 设置 CPU 为 SVC 模式，关中断
• 初始化时钟、DDR 控制器
• 从启动介质（SD卡、NAND Flash、eMMC）加载第二阶段代码到 DDR
• 跳转到第二阶段入口

代码入口通常在 arch/arm/cpu/armv7/start.S（以 ARMv7 为例）。你打开这个文件，第一眼看到的就是 reset 向量。

/* arch/arm/cpu/armv7/start.S 片段 */
reset:
    /* 设置 SVC 模式，关 IRQ/FIQ */
    mrs r0, cpsr
    bic r0, r0, #0x1f
    orr r0, r0, #0xd3
    msr cpsr, r0

    /* 关闭 MMU 和 Cache */
    mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0
    bic r0, r0, #0x0005
    mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0

    /* 初始化栈指针 */
    ldr sp, =CONFIG_SPL_STACK
    /* 跳转到 C 语言入口 */
    bl board_init_f

第二阶段：U-Boot Proper

第二阶段就是完整的 U-Boot。它运行在 DDR 里，空间充裕。入口函数是 board_init_r，主要做这些事：

1. 初始化剩余外设（网卡、USB、存储控制器）
2. 设置环境变量（bootargs、bootcmd）
3. 解析设备树（FDT）
4. 进入命令行界面（CLI）或自动启动内核

整个流程可以用下面这张图来概括：

3.2 U-Boot 源码结构

U-Boot 的源码目录组织得相当清晰。你拿到源码后，第一件事就是看顶层目录。我个人的习惯是先看 board/ 和 configs/，这两个目录直接决定了你的板子能不能跑起来。

3.3 U-Boot 配置与编译

U-Boot 的配置系统从 2014 年之后全面转向了 Kconfig。如果你用过 Linux 内核的 make menuconfig，那这套东西你上手会非常快。

配置流程

1. 选择默认配置：make xxx_defconfig
2. 微调配置：make menuconfig（可选）
3. 编译：make

举个例子，我手头有块 STM32MP157 的开发板：

# 第一步：选择默认配置
make stm32mp15_defconfig

# 第二步（可选）：打开图形界面调整
make menuconfig

# 第三步：编译
make -j4

# 编译产物
# u-boot.bin        —— 完整的 U-Boot 镜像
# u-boot-spl.bin    —— SPL 镜像
# u-boot.img        —— 带 U-Boot 头部的镜像

export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-

make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j4

配置文件层级

U-Boot 的配置分三层，我画了个简图帮你理解：

这三层是叠加关系。底层的默认值会被板级宏覆盖，板级宏又会被 Kconfig 覆盖。我曾经在调试一块板子时，明明在 menuconfig 里打开了某个功能，编译出来却没有——后来发现是 include/configs/xxx.h 里有个 #undef 把它关掉了。嗯，这种问题排查起来确实有点绕。

3.4 U-Boot 设备树支持

设备树（Device Tree）是 U-Boot 和 Linux 内核之间传递硬件信息的桥梁。U-Boot 在启动内核前，会把设备树在内存中的地址传给内核。内核根据设备树来知道：我有哪些外设？它们的地址是多少？中断号是多少？

U-Boot 中的设备树处理

U-Boot 对设备树的支持分两个层面：

• 编译时：把 .dts 编译成 .dtb，打包进 U-Boot 镜像
• 运行时：U-Boot 可以修改设备树（比如修改 chosen 节点设置 bootargs）

设备树源文件放在 dts/ 目录下。以我最近调的一块 i.MX8M 板子为例：

dts/
├── arch/
│   └── arm/
│       └── dts/
│           ├── imx8mm.dtsi          // SoC 级通用定义
│           ├── imx8mm-evk.dts       // 评估板定义
│           └── my-custom-board.dts  // 我自己的板子

U-Boot 如何传递设备树给内核

启动内核时，U-Boot 通过 bootm 或 booti 命令加载内核和设备树。典型的启动命令：

# 从网络加载
tftp 0x42000000 zImage
tftp 0x43000000 my-board.dtb
bootz 0x42000000 - 0x43000000

# 从 eMMC 加载
load mmc 1:1 0x42000000 /boot/zImage
load mmc 1:1 0x43000000 /boot/my-board.dtb
bootz 0x42000000 - 0x43000000

这里 0x42000000 是内核加载地址，0x43000000 是设备树加载地址。U-Boot 在跳转到内核前，会把设备树地址放在 r2 寄存器里（ARM 架构约定）。

U-Boot 修改设备树的常用操作

有时候我们需要在 U-Boot 命令行里动态修改设备树。比如临时改一下内核启动参数：

# 设置 bootargs
setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/mmcblk1p2 rootwait'

# 把 bootargs 写入设备树的 chosen 节点
fdt addr 0x43000000
fdt set /chosen bootargs "${bootargs}"

# 启动内核
bootz 0x42000000 - 0x43000000

3.5 小结