U-Boot学习(1)：简介及命令行指令详解

Bootloader的主要任务是引导加载并运行应用程序，对于MCU中的BootLoader，我之前写过一篇详细的文章单片机中BootLoader的严谨实现详解介绍它实现的整体流程。对于Linux来说，在运行Linux内核之前也需要BootLoader进行引导，这个BootLoader不需要我们写，因为有很多开源代码供我们选择，其中最常用的就是U-Boot。这篇文章就来简单介绍以下U-Boot，来看一下它是怎么使用的。

文章目录

1 U-Boot简介
2 U-Boot命令行指令详解
- 2.1 信息查询指令
- 2.2 环境变量相关指令
- 2.3 启动相关指令
- 2.4 文件系统相关指令
- 2.5 内存操作指令
- 2.6 网络相关指令
- 2.7 设备操作指令
- 2.8 其他指令

1 U-Boot简介

U-Boot(Universal Bootloader)是一个开源的引导加载程序，主要用于嵌入式系统和嵌入式设备。它被设计成通用的，能够在多种处理器架构上运行，如ARM、MIPS、x86等。U-Boot的主要功能是加载并启动操作系统内核，最常见的是Linux内核。

以下是U-Boot引导Linux内核时所执行的主要步骤：

启动阶段(Boot ROM)：
- 当嵌入式设备上电或者复位时，处理器会从固定地址处的启动ROM(Boot ROM)中开始执行代码。
- 启动ROM的主要任务是初始化系统的基本硬件，如时钟、内存控制器等，并加载U-Boot引导加载程序到RAM中。
U-Boot初始化：
- 一旦U-Boot加载到RAM中，它就开始执行。U-Boot首先进行硬件初始化，包括处理器、内存、外设等的配置。
- U-Boot提供了一个命令行界面，允许用户进行配置和交互式操作。用户可以通过串口、网络或其他方式与U-Boot进行通信。
加载Linux内核：
- U-Boot负责从存储介质(如Flash、SD卡、网络等)中加载Linux内核镜像到设备的内存中。这通常涉及到文件系统的读取和解析。
- 用户可以在U-Boot命令行中手动输入加载内核的命令，也可以通过配置文件自动加载。
设备树加载：
- 对于许多嵌入式系统，U-Boot还会加载设备树(Device Tree)。设备树是一种描述硬件设备和系统拓扑结构的数据结构，它允许Linux内核动态适应各种硬件配置。
传递控制权给Linux内核：
- 一旦Linux内核被成功加载到内存中，U-Boot会设置一些必要的参数，如内核命令行参数、设备树的地址等。
- U-Boot然后将控制权传递给Linux内核，使其开始执行。此时，Linux内核接管系统的控制权。

总的来说，U-Boot在嵌入式系统中的角色是引导加载程序，负责初始化硬件、加载操作系统内核、传递必要的参数，并最终将控制权交给内核。这使得U-Boot成为嵌入式系统中一个关键的组件，它的配置和功能对系统的启动和运行起着重要作用。

2 U-Boot命令行指令详解

在U-Boot运行后，会有一个倒计时，如果倒计时内我们按下键盘的任何按键，就可以进入U-Boot的命令行模式，如果不按下，则U-Boot会根据我们默认的启动参数来启动内核。这里我们就来介绍一下常用的U-Boot的命令行的指令。我们可以输入help查看支持的指令：
在这里插入图片描述
对于具体的指令，我们可以输入help 指令名来查看这个指令的用法，比如这里的base指令：

下面就具体来看一下这些指令的使用方法，对于不常用的指令，就不详细介绍或举例说明了。

2.1 信息查询指令

bdinfo：打印板级信息结构(Board Info structure)，包括板级名称、序列号、CPU类型、时钟频率等。
printenv：打印环境变量的值。

这里面有很多环境变量的值，比如串口的波特率，还有U-Boot上电后倒计时的值bootdelay。修改环境变量的指令参考下面的3.2 环境变量相关指令。
version：打印U-Boot的版本信息、编译器和链接器的版本。

2.2 环境变量相关指令

editenv：编辑环境变量。

以修改bootdelay参数为例，输入editenv bootdelay后，等于进入一个文本模式，这里显示了当前的初始值，我们只需要修改然后回车即可，这条指令修改环境变量很方便。
env：环境变量处理命令。
saveenv：将环境变量保存到存储中。前面设置的变量默认是保存在RAM中，如果需要下次上电使用新设置的环境变量，需要保存到非易失存储中。
setenv：设置/新建/删除环境变量的值。
- 我们可以调用set bootdelay 5修改环境变量的值，如果环境变量不存在，则会自动创建。如果参数为空，则可以删除环境变量，如set bootdelay。
- 有的U-Boot不支持识别参数中的空格，可能环境变量就设置为第一个空格前的值了，这个时候需要用单引号把参数括起来，如setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/mmcblk1p2'。
setexpr：将环境变量设置为表达式的结果。
- 举个例子，假设bootdelay为5，setexpr bootdelay1 $bootdelay + 2将设置bootdelay1为7。
showvar：打印本地hushshell变量。

2.3 启动相关指令

bootz：从内存中启动Linux zImage镜像。
- 格式为：bootz [addr [initrd[:size]] [fdt]]，其中addr为zImage地址，initrd为在系统引导过程中挂载的临时根文件系统，一般我们不使用，可以填-略过这个参数，fdt为设备树的地址。我们可以使用TFTP、NFS等命令下载镜像到RAM后，使用bootz来启动内核：

tftp 80800000 zImage
tftp 83000000 imx6ull-alientek-emmc.dtb
bootz 80800000 – 83000000

bootm：从内存中启动uImage镜像。
指令格式同bootz：bootm [addr [initrd[:size]] [fdt]]，如果不使用设备树，则直接bootm addr。
boot：执行环境变量bootcmd中的启动命令。
假设我们想每次都从TFTP下载镜像启动，我们就可以设置bootcmd，以后就输入boot就会执行bootcmd里的指令了。实际上前面所说的bootdelay倒计时结束后，默认也是执行bootcmd。
- 还有一个环境变量bootargs也与启动有关，它可以传参给内核，在后面的文章我们会介绍，这里先了解一下。

setenv bootcmd 'tftp 80800000 zImage; tftp 83000000 imx6ull-alientek-emmc.dtb; bootz
80800000 - 83000000'
saveenv
boot

bootd：和boot类似，执行bootcmd的命令，但它提供了额外的参数用来设置initrd，这里不介绍。
bootp：通过网络使用BOOTP/TFTP协议启动镜像。
bootvx：从内存中的ELF映像启动vxWorks操作系统。
bootelf：从内存中的ELF映像启动。ELF文件包含调试信息，我们仅在调试是使用这个ELF文件，最后能够运行的程序是bin程序，这个指令能从ELF中提取出原始的bin镜像。

2.4 文件系统相关指令

fatinfo：打印FAT文件系统的信息。
- 格式为：fatinfo <interface> [<dev[:part]>]
  
  上面查看了MMC(我这里MMC的dev为1)的第一个分区的文件系统信息
fatls：列出目录中的文件(默认为根目录)。
我们在MMC的第一个分区里面的文件系统里存放了zimage和设备树。
fstype：查看文件系统类型
fatload：从文件系统中加载二进制文件到RAM。
下面代码加载zImage到0x80000000处

fatload mmc 1:1 80000000 zImage

fatsize：确定文件的大小。
fatwrite：将文件写入DOS文件系统。
ls：列出目录中的文件(默认为根目录)。
load：从文件系统加载二进制文件。
save：将文件保存到文件系统。
ext2load：从Ext2文件系统加载二进制文件。
ext2ls：列出目录中的文件（默认为根目录）。
ext4load：从Ext4文件系统加载二进制文件。
ext4ls：列出目录中的文件（默认为根目录）。
ext4size：确定文件的大小。
ext4write：在根目录下创建文件。

2.5 内存操作指令

cmp：对比内存内容。
- 类似C语言的memcmp，格式为：cmp [.b, .w, .l] addr1 addr2 count，将输出两个内存里的值是否相等。
cp：内存复制。
- 类似C语言的memcpy，格式为：cp [.b, .w, .l] source target count
md(Memory Display)：显示内存内容。
- 格式为：md [.b, .w, .l] address [# of objects]，其中b/w/l分别表示字节、半字和字
  
  上图为显示0x80000000内存处的前0x10(16)个字节。
mm(memory modify)：修改内存内容(自动增加地址)。
- 格式为：mm [.b, .w, .l] address，输入后会进入交互模式，如果要退出保存，则输入空格回车即可。
  
  上图就是每次修改一个字节，然后回车后修改下一个字节。
mtest：简单的RAM读写测试。
mw：写内存(填充)。
- 格式为：mw [.b, .w, .l] address value [count]
  
  上图填充0x80000000开始的8字节为0xab。
nm：修改内存内容(固定地址)。
- 格式为：nm [.b, .w, .l] address
  
  与mm类似，但这里不递增，就是修改一个固定的内存的内容。这里没指定数据长度默认就是l，这里输入完后按回车退出不了，按输入q退出。

2.6 网络相关指令

在介绍网络相关的指令之前，先来介绍一下与网络有关的环境变量。在U-Boot使用以太网相关的指令时，比如初始化时，会从环境变量中取这些值进行配置。

环境变量	描述
ipaddr	IP地址，若不指定，可使用dhcp命令自动获取
ethaddr	MAC地址
gatewayip	网关
netmask	子网
serverip	服务器IP地址，一般为我们开发使用的Ubuntu的IP地址

如下图所示：
在这里插入图片描述

dhcp：通过DHCP/TFTP协议，使用网络启动镜像。
- 如果只输入一个dhcp，就会通过路由器的DHCP服务分配一个IP地址给设备
- 它还能从网络启动镜像，完整指令格式如下：dhcp [loadAddress] [[hostIPaddr:]bootfilename]
  
  这里通过dhcp，路由器给设备分配了一个IP地址192.168.31.203。
ping：向网络主机发送ICMP ECHO_REQUEST请求。

我们可以ping Ubuntu主机的IP看一下是否在线。

下面来介绍一下nfs和tftpboot两个指令，NFS和TFTP的用处和环境搭建可以参考这篇文章：环境搭建之TFTP、NFS、SSH和FTP的安装和使用

nfs：通过网络文件系统下载镜像
- 格式为：nfs [loadAddress] [[hostIPaddr:]bootfilename]
  现在假设我们的Ubuntu NFS服务器上有一个1.txt，文件内容为“123456\n”，它的十六进制如下：
  
  执行nfs 80000000 192.168.31.120:/var/nfs/general/1.txt：
- 如果确定两个板子ping通，但是板子使用nfs命令提示File lookup fail，大概率为版本原因，解决方法如下：

1.修改nfs-kernel-server文件
sudo vi /etc/default/nfs-kernel-server
更改RPCNFSDCOUNT="-V 2 8"和RPCMOUNTDOPTS="-V 2 --manage-gids"
2.重启NFS服务端
sudo /etc/init.d/nfs-kernel-server restart

tftpboot：通过TFTP协议传输镜像。
- 格式为： tftpboot [loadAddress] [[hostIPaddr:]bootfilename]，如果不指定服务端地址hostIPaddr，则会使用环境变量serverip。
  假设Ubuntu TFTP目录中有一个1.txt，文件内容为“654321\n”，它的十六进制如下：
  
  执行tftp 80000000 192.168.31.120:1.txt，这里不用指定tftp的文件目录，因为服务端的配置文件中有tftp的目录。

2.7 设备操作指令

mmc：MMC子系统命令，可以用来读写EMMC、SD等与MMC协议兼容的设备，命令如下：

这里我的板子使用的EMMC，首先使用mmc list查看一下可用的MMC设备，然后使用mmc dev 1(后面还能跟一个分区参数，不写则默认第一个分区，假设要切换到分区2，则输入mmc dev 1 2)切换到EMMC，最后使用mmc part来查看一下MMC的分区。
如果EMMC里有Linux的话，它是有3个分区的，第0个存放U-Boot，第1个存放Linux镜像和设备树，第2个存放根文件系统(下图中没有显示出0分区，但实际是存在的)。

下面我们从分区0中读取数据到RAM中，mmc read是按块读取的，这里MMC的一个块是512字节，下面我们从分区0的第0块开始读4个块到0x80000000处。

如果我们想烧录U-Boot，我们就可以使用mmc write来实现。首先使用前面所说的tftpboot或nfs将Ubuntu中的U-Boot镜像拷贝到我们的RAM中，假设拷贝到了0x80000000处。然后我们要查看镜像的大小，假设镜像的大小为1800，则1800/512=3.51，即占据4个块的大小。注意命令的参数都是16进制。我们就可以调用下面命令对镜像进行烧录：

mmc dev 1 0
mmc write 80000000 2 4  # I.MX系列的启动头的前1024字节(前2个块)存放启动头信息,所以从第2块烧录
mmc partconf 1 1 0 0    # EMMC需要执行此指令来让分区1(参数1)可以被识别(参数2)

mmcinfo：显示MMC信息。
i2c：I2C子系统命令，U-Boot支持与I2C设备进行通信
sf：SPI Flash子系统命令。
usb：USB子系统命令。
usbboot：从USB设备启动。
- 格式为：usbboot loadAddr dev:part

2.8 其他指令

?：帮助命令的别名。
base：打印或设置地址偏移量。
bmp：操作BMP图像数据。
clocks：显示时钟信息。
coninfo：打印控制台设备和信息。
crc32：计算校验和。
dcache：启用或禁用数据缓存。
dm：驱动模型低级访问。
echo：将参数打印到控制台。
erase：擦除FLASH存储器。
exit：退出脚本。
false：什么也不做，返回失败。
flinfo：打印FLASH存储器信息。
fuse：Fuse子系统。
go：从指定地址开始执行应用程序。类似汇编LDR PC, =地址。
gpio：查询和控制GPIO引脚。
help：打印命令描述/用法。
icache：启用或禁用指令缓存。
iminfo：打印应用程序映像的头信息。
imxtract：提取多重映像的一部分。
itest：根据整数比较返回真或假。
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。
loadx：通过串行线加载二进制文件（Xmodem模式）。
loady：通过串行线加载二进制文件（Ymodem模式）。
loop：在地址范围上进行无限循环。
mdio：MDIO实用命令。
mii：MII实用命令。
nm：内存修改（常量地址）。
pmic：电源管理IC（PMIC）。
protect：启用或禁用FLASH写保护。
reset：执行CPU复位。
run：在环境变量中运行命令。
sleep：延迟一段时间。
source：从内存中运行脚本。
test：类似于/bin/sh的最小测试。
true：什么也不做，返回成功。