3. Bootloader原理与U-Boot移植

3.1 Bootloader在嵌入式系统中的角色

Bootloader是系统上电后最先执行的代码，负责完成硬件初始化、加载操作系统内核并传递启动参数。在ARM平台中，Bootloader通常存储在NOR Flash、NAND Flash或SD卡等非易失性存储介质中。

3.1.1 典型启动阶段

3.2 U-Boot启动流程详解

U-Boot的启动流程分为汇编阶段和C语言阶段。汇编阶段完成CPU模式设置、异常向量表安装、堆栈指针初始化；C语言阶段完成板级初始化、设备树处理、命令行交互。

3.2.1 汇编阶段关键步骤

1. 设置CPU为SVC模式：关闭中断，确保系统处于特权模式。
2. 初始化异常向量表：将向量表复制到0x00000000或0xFFFF0000。
3. 初始化堆栈指针：为IRQ、FIQ、SVC模式分别设置栈指针。
4. 清零BSS段：清除未初始化全局变量区域。
5. 跳转到C入口：调用 board_init_f() 函数。

3.2.2 C语言阶段核心函数调用链

3.3 板级配置与移植方法

U-Boot通过板级目录和配置文件来支持不同硬件平台。移植新板卡时，通常需要创建新的板级目录、配置头文件和链接脚本。

3.3.1 板级目录结构

board/
└── vendor/
    └── myboard/
        ├── Kconfig          # 板级Kconfig配置
        ├── Makefile         # 编译规则
        ├── myboard.c        # 板级初始化代码
        ├── lowlevel_init.S  # 底层初始化汇编
        └── imximage.cfg     # 镜像配置（i.MX系列）

3.3.2 配置文件关键宏

3.4 U-Boot设备树支持

从U-Boot 2014.10版本开始，设备树（Device Tree）成为U-Boot的标准配置方式。U-Boot使用设备树来描述板级硬件信息，并在启动时将其传递给Linux内核。

3.4.1 设备树在U-Boot中的角色

• 板级描述：替代传统的板级头文件宏定义，描述内存映射、外设地址、时钟配置。
• 内核传递：U-Boot将设备树二进制（DTB）加载到内存，通过寄存器r2传递给内核。
• 运行时修改：U-Boot支持在命令行中修改设备树节点（fdt set、fdt add）。

3.4.2 设备树编译与加载流程

# 编译设备树源文件（DTS）为二进制（DTB）
dtc -I dts -O dtb -o myboard.dtb myboard.dts

# 在U-Boot命令行中加载DTB
tftp 0x83000000 myboard.dtb
fdt addr 0x83000000
fdt list /          # 查看设备树根节点

3.5 常用U-Boot命令

U-Boot提供丰富的命令行工具，用于调试、烧写、网络传输和系统启动。以下是最常用的命令分类。

3.5.1 内存与存储操作

3.5.2 网络与启动命令

3.5.3 设备树与环境变量

# 设备树操作
fdt addr 0x83000000          # 设置DTB地址
fdt list /memory             # 查看内存节点
fdt set /serial baudrate 115200  # 修改串口波特率

# 环境变量操作
setenv bootargs console=ttymxc0,115200 root=/dev/mmcblk0p2
setenv bootcmd 'tftp 0x80800000 zImage; tftp 0x83000000 myboard.dtb; bootz 0x80800000 - 0x83000000'
saveenv                      # 保存环境变量到Flash

3.6 实战：为i.MX6ULL开发板移植U-Boot

以NXP i.MX6ULL EVK为例，演示U-Boot移植的完整步骤。

3.6.1 获取源码与配置

# 下载U-Boot源码
git clone https://github.com/u-boot/u-boot.git
cd u-boot
git checkout v2023.04

# 配置i.MX6ULL EVK
make mx6ull_14x14_evk_defconfig

# 编译
make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j4

3.6.2 生成启动映像

# i.MX系列需要生成带IVT头的映像
make flash.bin
# 输出文件：flash.bin（包含IVT + U-Boot）

3.6.3 烧写与验证

# 通过SD卡烧写
sudo dd if=flash.bin of=/dev/sdb bs=1k seek=1 conv=fsync

# 上电后串口输出示例
U-Boot 2023.04 (Jan 15 2025 - 10:30:00 +0800)
CPU:   i.MX6ULL rev1.1 at 792 MHz
Board: MX6ULL EVK
DRAM:  512 MiB
MMC:   FSL_SDHC: 0
Net:   FEC
Hit any key to stop autoboot:  0
=>

3.7 常见问题与调试方法