我们都知道,PC在启动的时候,首先是进入BIOS,再根据BIOS中配置信息引导后续的启动操作系统,比如配置Windows启动。
而对于嵌入式linux中,并没有BIOS,这时候就需要一种类似引导程序来处理。于是就有了BootLoader。
BootLoader是一段小程序,可以把它想象成PC机linux上的GRUB/LILO引导程序,可以直接从flash或TF卡中运行,来装载内核。它可以初始化硬件设备,从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态,以便为最终调用操作系统做好准备。
1. 嵌入式开发板的启动过程
一个嵌入式系统从软件角度来看分为三个层次:
- 引导加载程序
包括固化在芯片中的boot程序(可选)和BootLoader两大部分,对于固化的boot程序。主要是芯片通过外围电路连接的实际情况选择读入程序的位置,比如:通过TF卡或是SPI以及其他方式启动,至于优先顺序这就要具体看芯片的数据手册,个人没做过具体测试。
- linux内核
特定于嵌入式平台的定制内核
- 文件系统
包括了系统命令和应用程序
BootLoader启动过程可分为单阶段和多阶段(stage1、stage2),其中stage1完成初始化硬件,如CPU寄存器、内存控制器,为stage2准备内存空间。一般stage1是可以直接在nor flash中运行的,并将stage2复制到内存RAM中,设置堆栈,然后跳转到stage2(从这也可以看出stage2是在RAM中运行的,与stage1不同)
Boot Parameters 顾名思义,就是配置了要启动内核的参数,包含要加载系统内核相关文件的位置,要加载到内存中的位置,定位到文件系统的位置,相关输入输出的呈现等一系列参数。
kernel 在存放在bootloader之后,对于SoC来说,代码都需要在RAM中运行,这里与MCU不一样的地方就是引入了MMU(内存管理单元)。对于MCU而言,由于其执行速度低,因此运行代码都在ROM中直接运行,而对于Flash而言,其读取速度远不及RAM的速度,因此对于运行速度非常快的SoC而言,所有的代码都需要在RAM中运行。但是这里有一个问题,RAM掉电数据将会丢失,故代码保存不可能放在RAM中,当前所有的嵌入式设备而言,代码保存都是放在ROM中,因此在SoC中运行代码需要将代码搬运到RAM中然后再执行。
Root Filesystem 由于其执行过程需要对ROM进行读写操作,因此可以不用搬运到RAM中,但是实际过程中内核启动后会产生一个虚拟的文件系统,该文件系统是挂在根文件系统的关键所在,这里不详细讲解。整体来说,大致的过程为,嵌入式设备上电后将执行bootloader,对硬件进行硬件和堆栈初始化,然后搬运内核到RAM中并启动内核,紧接着挂载根文件系统。
2. 环境配置与参考项目
系统:Ubuntu 16
编辑器:VSCode
参考项目:Lichee-Pi Nano
地址:https://wiki.sipeed.com/soft/Lichee/zh/Nano-Doc-Backup/index.html
Lichee-Pi Nano
需要注意的是一定要选择Nano版本,因为我们开发板使用的主控芯片和Nano的主控是一致的,所以后续我们要编译U-boot,内核都可以参考(bai piao)这里面的配置。
主控芯片:F1c100s/F1c200s,100s内置32MB DDR1内存,200s内置64MB DDR1内存,200s贵一点,他们都是QFN88封装。
ARM926ejs内核,主频默认408MHz,据了解做产品出货的一般在600M左右。
带有100M的SPI接口2个,SDIO接口1个,USB OTG接口,还有CSI摄像头接口,LCD RGB显示屏接口,音频接口,I2C I2S UART PWM等等。
还有就是他们不支持硬件浮点,所以浮点运算使用软浮点方式。
F1c100s/F1c200s芯片功能
3.交叉编译器
我们通过PC版的Linux自带的gcc编译的程序只能在当前系统架构下的cpu架构(x86)下运行,如果我们想要编写的程序在嵌入式Linux下运行,那么就需要用到对应的编译器。
我们做的开发板主控芯片F1C200S,内核为ARM9,其架构使用的是ARMv5架构,所以我们也要选用对应的编译器,同样,这样的编译器很多,这里我们使用最常用的arm-linux-gnueabi- ,因为交叉编译器F1C200S必须高于6.0版本,这里我们使用7.2版本
下载较慢时使用下载工具
下载完成后解压文件:
tar -vxjf gcc-linaro-7.2.1-2017.11-x86_64_arm-linux-gnueabi.tar.xz