STM32MP1嵌入式Linux驱动开发指南V1.7——U-boot使用

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STMCU小助手发布时间：2022-9-24 18:05

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文章简介:	STM32MP1嵌入式Linux驱动开发指南V1.7——U-boot使用

U-boot使用
在移植U-Boot之前，我们肯定要先使用一下U-Boot，得先体验一下U-Boot是个什么东西。STM32MP157开发板光盘资料里面已经提供了一个正点原子团队已经移植好的U-Boot，本章我们就直接编译这个移植好的U-Boot，然后烧写到EMMC里面启动，启动U-Boot以后就可以学习使用U-Boot的命令。

10.1 U-Boot简介
Linux 系统要启动需要通过bootloader 程序引导，也就说芯片上电以后先运行一段bootloader程序。这段bootloader程序会先初始化DDR等外设，然后将Linux内核从flash(NAND，NOR FLASH，SD，EMMC 等)拷贝到 DDR 中，最后启动 Linux 内核。当然了，bootloader 的实际工作要复杂的多，但是它最主要的工作就是启动 Linux 内核，bootloader 和 Linux 内核的关系就跟 PC 上的 BIOS 和 Windows 的关系一样，bootloader 就相当于 BIOS。所以我们要先搞定bootloader，很庆幸，有很多现成的 bootloader 软件可以使用，比如 U-Boot、vivi、RedBoot 等等，其中以 U-Boot 使用最为广泛，为了方便书写，本书会将 U-Boot 写为 uboot。
uboot 的全称是 Universal Boot Loader，uboot 是一个遵循 GPL 协议的开源软件，uboot是一个裸机代码，可以看作是一个裸机综合例程。现在的 uboot 已经支持液晶屏、网络、USB等高级功能。如图10.1.1所示：

图10.1.1 uboot官网
我们可以在 uboot 官网下载 uboot 源码，点击图10.1.1中左侧 Topics 中的“Source Code”，打开以后如图10.1.2所示：

图10.1.2 uboot源码界面
点击图10.1.2中的“FTP”，进入其 FTP 服务器即可看到 uboot 源码，如图10.1.3所示：

图10.1.3 uboot源码
图10.1.3中就是 uboot 原汁原味的源码文件，目前最新的版本是 2020.10。但是我们一般不会直接用 uboot 官方的 U-Boot 源码的。uboot 官方的 uboot 源码是给半导体厂商准备的，半导体厂商会下载 uboot 官方的 uboot 源码，然后将自家相应的芯片移植进去。也就是说半导体厂商会自己维护一个版本的 uboot，这个版本的 uboot 相当于是他们定制的。既然是定制的，那么肯定对自家的芯片支持会很全，虽然 uboot 官网的源码中一般也会支持他们的芯片，但是绝对是没有半导体厂商自己维护的 uboot 全面。ST提供了2020.01版本的uboot，在6.1.1小节获取ST官方系统源码中我们已经得到了ST官方uboot源码，进入到如下目录：
/stm32mp1-openstlinux-5.4-dunfell-mp1-20-06-24/sources/arm-ostl-linux-gnueabi
uboot源码如图10.1.4所示：

图10.1.4 ST官方uboot源码
图10.1.4中的“u-boot-stm32mp-2020.01-r0”就是ST官方uboot源码包，它支持了STM32MP1家族全系列芯片(后续ST也会一直更新，添加新的SOC进去)，而且支持各种启动方式，比如EMMC、NAND 等等，这些都是 uboot 官方所不支持的。但是图10.1.4中的 uboot 是针对ST 自家评估板的，如果要在我们自己的板子上跑，那么就需要对其进行修改，使其支持我们自己做的板子，正点原子的 STM32MP157开发板就是自己做的板子，虽然大部分都参考了 ST 官方的STM32MP157 EVK开发板，但是还是有很多不同的地方，所以需要修改 ST 官方的 uboot，使其适配正点原子的 STM32MP157开发板。所以当我们拿到开发板以后，是有三种uboot 的，这三种 uboot的区别如表10.1.1所示：
种类描述
uboot官方的uboot代码由uboot官方维护开发的uboot版本，版本更新快，基本包含所有常用的芯片。
半导体厂商的uboot代码半导体厂商维护的一个uboot，专门针对自家的芯片，在对自家芯片支持上要比uboot官方的好。
开发板厂商的uboot代码开发板厂商在半导体厂商提供的uboot基础上加入了对自家开发板的支持。
表10.1.1 三种uboot的区别
那么这三种uboot该如何选择呢？首先uboot官方的基本是不会用的，因为支持太弱了。最常用的就是半导体厂商或者开发板厂商的 uboot，如果你用的半导体厂商的评估板，那么就使用半导体厂商的 uboot，如果你是购买的第三方开发板，比如正点原子的 STM32MP157开发板，那么就使用正点原子提供的 uboot 源码（也是在半导体厂商的 uboot 上修改的）。当然了，你也可以在购买了第三方开发板以后使用半导体厂商提供的 uboot，只不过有些外设驱动可能不支持，需要自己移植，这个就是我们常说的 uboot 移植。本节是 uboot 的使用，所以就直接使用正点原子已经移植好的 uboot，这个已经放到了开发板光盘中了，路径为：开发板光盘1、程序源码1、正点原子Linux出厂系统源码u-boot-stm32mp-2020.01-gdb8d2374-v1.0.tar.bz2。
10.2 U-Boot初次编译
10.2.1 编译
首先需要在 Ubuntu 中安装一些库，否则编译uboot会报错，安装命令如下：
sudo apt-get install libncurses5-dev bison flex
在 Ubuntu 中创建存放 uboot 的目录，比如我这里新建了一个名为“alientek_uboot”的文件夹用于存放正点原子提供的 uboot 源码。alientek_uboot文件夹创建成功以后使用 FileZilla 软件将正点原子提供的 uboot 源码拷贝到此目录中，正点原子提供的 uboot 源码已经放到了开发板光盘中，路径为：开发板光盘1、程序源码1、正点原子Linux出厂系统源码u-boot-stm32mp-2020.01-xxxxxxxx-v1.0.tar.bz2（“xxxxxxxxx”为uboot打包时候的版本号，每次打包其版本号都不同！所以大家不要纠结于开发板光盘中的uboot源码打包版本号是否和教程里面的一致）。将stm32mp-2020.01-xxxxxxxx-v1.0.tar.bz2拷贝到前面新建的 alientek_uboot 文件夹下，完成以后如图10.2.1.1所示：

图10.2.1.1 正点原子出厂uboot源码
使用如下命令对其进行解压缩:
tar -vxf u-boot-stm32mp-2020.01-gdb8d2374-v1.0.tar.bz2
解压完成以后如图10.2.1.2所示：

图10.2.1.2 解压后的Uboot
图10.2.1.2中除了u-boot-stm32mp-2020.01-gdb8d2374-v1.0.tar.bz2这个正点原子提供uboot源码压缩包以外，其他的文件和文件夹都是解压出来的 uboot 源码。执行以下命令，编译正点原子提供的uboot。

make distclean
! t3 b5 o3 f" O! @
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf- stm32mp157d_atk_defconfig
; m* n/ ~5 [! ~0 f$ F8 V
make V=1 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf- DEVICE_TREE=stm32mp157d-atk all

复制代码

上面命令每次编译的时候都要指定ARCH、CROSS_COMPILE和DEVICE_TREE，这三个含义如下：
ARCH：指定所使用的平台架构，这里肯定是arm。
CROSS_COMPILE：所使用的交叉编译器前缀，本教程使用的是交叉编译器前缀为arm-none-linux-gnueabihf-。
DEVICE_TREE：设备树文件，uboot也支持设备树，所以在编译的时候需要指定设备树文件，不同的硬件其设备树文件肯定不同，这里为stm32mp157d_atk，也就是正点原子的STM32MP157开发板对应的设备树。
编译的时候每次都输入ARCH和CROSS_COMPILE比较麻烦，为了方便起见，我们可以直接修改uboot的Makefile文件，在里面直接对ARCH和CROSS_COMPILE进行赋值，也就是直接将ARCH设置为arm，CROSS_COMPILE设置为arm-none-linux-gnueabihf-，修改完成以后如图10.2.1.3所示：

图10.2.1.3 设置ARCH和CROSS_COMPILE值
注意！不能在Makefile里面对DEVICE_TREE进行复制，因为没用，必须在编译的时候手动输入！
设置好Makefile里面的ARCH和CROSS_COMPILE以后就可以将编译命令简化为如下所示：

make distclean //清除
7 h) I/ b; Q% \5 T- u; ~- C) U3 K
make stm32mp157d_atk_defconfig //配置uboot3 m2 h8 \( p3 E% L- w5 H7 r) y" n
make V=1 DEVICE_TREE=stm32mp157d-atk all //编译

复制代码

上述命令和前面的相比就要简洁很多，最后的“make V=1”是真正的编译命令，V=1表示编译uboot的时候输出详细的编译过程，方便我们观察uboot编译过程。直接输入“make”命令的话默认使用单线程编译，编译速度会比较慢，可以通过添加“-j”选项来使用多线程编译，比如使用8线程编译，最后的编译命令就是：
make V=1 DEVICE_TREE=stm32mp157d-atk all -j8 //8线程编译
uboot编译完成如图10.2.1.4所示：

图10.2.1.4 uboot编译成功
编译完成以后的就会在uboot源码目录下生成相应的镜像文件，如图10.2.1.5所示：

图10.2.1.5 编译后生成的uboot可执行文件
可以看出，编译完成以后 uboot 源码多了一些文件，重点是u-boot.bin和u-boot.stm32这两个文件。u-boot.bin是uboot的二进制可执行文件，u-boot.stm32是在u-boot.bin前面添加了256个字节头部信息。STM32MP1内部ROM代码和TF-A在运行uboot的时候要求前面添加头部信息，所以这就是为什么uboot也有这个头部信息的原因。
10.2.2 烧写
使用STM32CubeProgrammer将上面编译出来的u-boot.stm32镜像烧写到开发板的EMMC里面，修改前面创建的tf-a.tsv文件，添加uboot烧写指令(其实在9.3.2小节已经讲过了)，在最后面添加下面这行：
示例代码10.2.2.1 uboot烧写指令
P 0x06 ssbl Binary mmc1 0x00080000 u-boot.stm32
修改以后的tf-a.tsv如图10.2.2.1所示：

图10.2.2.1 修改后的tf-a.tsv
最后将上一小节编译出来的u-boot.stm32，拷贝到前面创建的images目录下（在做TF-A实验的就有u-boot.stm32这个文件，我们只要替换就行）。
一切准备就绪以后就可以使用STM32CubeProgrammer软件通过USB OTG将uboot烧写到开发板上的EMMC里面，等到烧写完成。完成以后设置开发板上的拨码开关，设置从EMMC启动，然后用USB Type-C线将开发板上的USB_TTL接口与电脑连接起来，因为我们要在串口终端里面输入命令来操作uboot。
打开MobaXterm，设置好串口参数，最后复位开发板。在 MobaXterm 上出现“Hit any key tostop autoboot: ”倒计时的时候按下键盘上的回车键，默认是 1 秒倒计时，在 1 秒倒计时结束以后如果没有按下回车键的话 uboot 就会使用默认参数来启动 Linux 内核了（如果内核存在的话，如果Linux内核不存在那么就会进入到uboot的命令行模式）。如果在 1 秒倒计时结束之前按下回车键，那么就会进入 uboot 的命令行模式，如图10.2.2.2所示：

图10.2.2.2 uboot启动log信息
从图10.2.2.2可以看出，当进入到 uboot 的命令行模式以后，左侧会出现一个“STM32MP=>”标志。uboot 启动的时候会输出一些信息，这些信息如下所示：

示例代码10.2.2.2 uboot启动log信息
. o( m9 N6 W# ~0 y
1 U-Boot 2020.01-stm32mp-r1 (Nov 24 2020 - 17:17:20 +0800)
8 F( [2 F+ T8 r5 C* v0 H `
2
5 `% r. R* d- D
3 CPU: STM32MP157DAA Rev.Z: ^0 ?4 a u3 i/ \$ e
4 Model: STMicroelectronics STM32MP157D eval daughter+ N6 }# a/ K4 X! C8 `
5 Board: stm32mp1 in trusted mode (st,stm32mp157d-atk)
" K, X. h" Q3 t& l: d, c2 P
6 DRAM: 1 GiB* ~( n4 ^9 w! K- X
7 Clocks:" T" }( G/ n: }
8 - MPU : 800 MHz& N- N$ m8 G' X; b4 o
9 - MCU : 208.878 MHz
7 U9 U [! Q6 `6 @
10 - AXI : 266.500 MHz
0 k' G4 m1 C, ]) P
11 - PER : 24 MHz, E# {! q( Q6 z. C* B: ?6 X
12 - DDR : 533 MHz
5 c; j8 m6 M6 J1 X" E$ ]4 m, b. r
13 WDT: Started with servicing (32s timeout)9 c7 N1 J- N2 o# [; N+ D% r) f
14 NAND: 0 MiB
8 l' z% v n B' }% p
15 MMC: STM32 SD/MMC: 0, STM32 SD/MMC: 16 z$ z9 z h: y) q+ m
16 Loading Environment from MMC... OK
1 }' Z g0 g6 a* Z7 n
17 In: serial9 Q [6 @% H6 n6 N: V5 X7 l
18 Out: serial5 ` C G1 E: K& j% X
19 Err: serial
% D+ T* n6 h% ^/ H
20 invalid MAC address in OTP 00:00:00:00:00:00
9 O, I' y$ p& F4 a$ W- w# _
21 Net:$ ~7 F) X9 \4 H, j* n
22 Error: ethernet@5800a000 address not set.
~( A! K. v: b7 x1 d5 d5 K6 v
23 No ethernet found.
2 {" w0 X9 |0 E @) R" H/ Y5 f
24
0 z; Z* f4 }2 q" L( N7 O* `( P: ^) c
25 Hit any key to stop autoboot: 02 a5 s# I5 [6 f; `8 b& r
26 STM32MP> 9 f0 ]. B- c5 }$ v9 U& j* t

复制代码

简单讲解一下uboot启动过程的log信息：
第 1 行是 uboot 版本号和编译时间，可以看出，当前的 uboot 版本号是 2020.01，编译时间是 2020 年 11月 24 日 17: 17。
第3行是CPU的信息，可以看出CPU型号为STM32MP157DAA。
第4行是板子信息，当前板子是ST公司的STM32MP157D eval开发板，这个信息是可以改的，因为正点原子是直接参考ST公司的EVK开发板移植的uboot，所以这部分信息也就没改。
第5行是板子的一些信息，比如工作在trusted模式下。
第6行是DDR的大小为1GB。
第7~12行它们的频率分别为，MPU频率、MCU频率、A**线频率、PER的频率、DDR频率。
第13行是看门狗信息，喂狗时间为32s。
第14行是NAND的大小，因为正点原子的STM32MP157开发板没有NAND，所以这里就是0MB。
第15行是板子上MMC设备，一共有两个，SD/MMC0 (SD卡)和SD/MMC1 (EMMC)。
第16行是从MMC里获取环境变量。
第17~19行是标准输入、标准输出和标准错误所使用的终端，这里都使用串口(serial)作为终端。
第20~23行是网络相关信息，网络的MAC地址从OTP里获取，因为我们的OTP没有设置MAC地址，所以就获取失败。这里的网络是可以用的，只是因为没有MAC地址所以提示没有找到网络，可以自行添加相关环境变量来设置MAC地址，后面会讲如何设置。
第 25 行是倒计时提示，默认倒计时 1 秒，倒计时结束之前按下回车键就会进入 Linux 命令行模式。如果在倒计时结束以后没有按下回车键，那么 Linux 内核就会启动，Linux 内核一旦启动，uboot 就会寿终正寝。
uboot的主要作用是引导kernel，我们现在已经进入 uboot 的命令行模式了，进入命令行模式以后就可以给 uboot 发号施令了。当然了，不能随便发号施令，得看看 uboot 支持哪些命令，然后使用这些uboot 所支持的命令来做一些工作，下一节就讲解 uboot 命令的使用。

10.3 U-Boot命令使用
进入uboot的命令行模式以后输入“help”或者“？”，然后按下回车即可查看当前uboot所支持的命令，如图10.3.1所示：

图10.3.1 uboot的命令列表(部分)
图10.3.1中只是 uboot 的一部分命令，具体的命令列表以实际为准。图10.3.1中的命令并不是 uboot 所支持的所有命令，说过 uboot 是可配置的，需要什么命令就使能什么命令。所以图10.3.1中的命令是正点原子提供的 uboot 中使能的命令，uboot 支持的命令还有很多，而且也可以在 uboot 中自定义命令。这些命令后面都跟有命令说明，用于描述此命令的作用，但是命令具体怎么用呢？我们输入“help(或?) 命令名”既可以查看命令的详细用法，以“bootz”这个命令为例，我们输入如下命令即可查看“bootz”这个命令的用法：
? bootz 或 help bootz
结果如图10.3.2所示：

图10.3.2 bootz 命令使用说明
图10.3.2列出了“bootz”这个命令的详细说明，其它的命令也可以使用此方法查询具体的使用方法。接下来我们学习一下一些常用的 uboot 命令。
10.3.1 查询命令
常用的和信息查询有关的命令有 3 个：bdinfo、printenv 和 version。先来看一下 bdinfo 命令，此命令用于查看板子信息，直接输入“bdinfo”即可，结果如图10.3.1.1示：

图10.3.1.1 bdinfo 命令
从图10.3.1.1中可以看出 DRAM 的起始地址和大小、BOOT参数保存起始地址、波特率、sp(堆栈指针)起始地址等信息。命令“printenv”用于输出环境变量信息，uboot 也支持 TAB 键自动补全功能，输入“print”然后按下 TAB 键就会自动补全命令。直接输入“print”也可以，因为整个uboot命令中只有printenv的前缀是“print”，所以当输入print以后就只有printenv命令了。输入“print”，然后按下回车键，环境变量如图10.3.1.2所示：

图10.3.1.2 printenv 命令部分结果
图10.3.1.2只是printenv命令的部分内容，STM32MP1系列的环境变量有很多，比如 baudrate、board、board_name、boot_device、bootcmd、bootdelay等等。uboot 中的环境变量都是字符串，既然叫做环境变量，那么它的作用就和“变量”一样。比如 bootdelay 这个环境变量就表示 uboot 启动延时时间，默认 bootdelay=1，也就默认延时 1秒。前面说的 1 秒倒计时就是由 bootdelay 定义的，如果将 bootdelay 改为 5 的话就会倒计时 5s了。uboot 中的环境变量是可以修改的，有专门的命令来修改环境变量的值，稍后我们会讲解。
命令 version 用于查看 uboot 的版本号，输入“version”，uboot 版本号如图10.3.1.3所示：