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IoT 学习笔记 0x02

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分类IoT系列IoT Learning 2/6

IoT 学习笔记 0x02

编译并安装 U-Boot 引导加载程序，使用基本的 U-Boot 命令，并建立与开发工作站之间的 TFTP 通信。

进入 $HOME/embedded-linux-qemu-labs/bootloader 目录。

安装 qemu-system-arm 软件包。在本实验及后续实验中，我们将使用 QEMU 模拟的 ARM Vexpress Cortex A9 板。

配置并构建 U-Boot

下载 U-Boot：

Terminal window
cd ~/embedded-linux-qemu-labs/bootloader
git clone https://gitlab.denx.de/u-boot/u-boot
cd u-boot
git checkout v2023.01

现在配置 U-Boot 以支持 ARM Vexpress Cortex A9 板（vexpress_ca9x4_defconfig）。

通过阅读 README 文件（特别是 Building the Software 一节）了解 U-Boot 的配置与编译步骤。

基本上，你需要指定交叉编译器前缀（即交叉编译器可执行文件名中 gcc 之前的部分）：

Terminal window
export CROSS_COMPILE=arm-linux-

现在你已有有效的初始配置，运行 make menuconfig 以进一步编辑引导加载程序的功能：

  • 在 Environment 子菜单中，我们将配置 U-Boot，使其将环境变量保存到一个名为 uboot.env 的文件中，该文件位于 MMC/SD 卡上的 FAT 文件系统里，因为我们模拟的机器没有闪存：

  • 取消 Environment in flash memory (CONFIG_ENV_IS_IN_FLASH)

  • 设置 Environment is in a FAT filesystem (CONFIG_ENV_IS_IN_FAT)

  • 设置 Name of the block device for the environment (CONFIG_ENV_FAT_INTERFACE)：mmc

  • 设置 Device and partition for where to store the environment in FAT (CONFIG_ENV_FAT_DEVICE_AND_PART)：0:1

上述两项设置对应于 fatload 命令的参数。

  • 另外，添加对 editenv (CONFIG_CMD_EDITENV) 和 bootd（可缩写为 boot，CONFIG_CMD_BOOTD）的支持，它们不在我们板子的默认配置中

为避免误操作 menuconfig 顶层的单选项 Architecture select（误改会把 ARM 架构切换为 Sandbox 而破坏整个配置），也可以用 U-Boot 自带的 scripts/config 脚本在命令行完成上述修改，再 make olddefconfig 补全依赖：

Terminal window
./scripts/config --disable CONFIG_ENV_IS_IN_FLASH
./scripts/config --enable CONFIG_ENV_IS_IN_FAT
./scripts/config --set-str CONFIG_ENV_FAT_INTERFACE mmc
./scripts/config --set-str CONFIG_ENV_FAT_DEVICE_AND_PART "0:1"
./scripts/config --enable CONFIG_CMD_BOOTD
./scripts/config --enable CONFIG_CMD_EDITENV
make olddefconfig

最后，运行

Terminal window
export CROSS_COMPILE=arm-linux-
make -j$(nproc)

这将构建 U-Boot 。这将生成若干二进制文件，包括 u-boot 和 u-boot.bin。

测试 U-Boot

仍在 U-Boot 源码目录中，测试 U-Boot 是否正常工作：

Terminal window
qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 128M -nographic -kernel u-boot

• -M：模拟的机器

• -m：模拟机器中的内存大小

• -kernel：允许直接将二进制文件加载到模拟机器中并运行。这样你就不需要一级引导加载程序了。当然，真实硬件上不会有这一便利。

在超时结束前按任意键，即可进入 U-Boot 提示符。

随后你可以输入 help 命令，探索可用的少量命令。

注意：要退出 QEMU，先按 [Ctrl][a]，再按 [h] 查看可用命令。其中 [Ctrl][a] 后跟 [x] 可退出模拟器。

SD 卡设置

回到主 bootloader 目录。我们现在需要给 QEMU 虚拟机添加一张 SD 卡镜像，尤其是为了获得一种保存 U-Boot 环境变量的方式。在后续实验中，我们还会将此类存储用于其它用途（保存内核、设备树、根文件系统以及其它文件系统）。

我们将要使用的命令会在 Block filesystems（块文件系统）课程中进一步讲解。

首先，使用 dd 命令创建一个填满零、大小为 1 GB、名为 sd.img 的文件：QEMU 会将其用作 SD 卡磁盘镜像。

Terminal window
dd if=/dev/zero of=sd.img bs=1M count=1024

现在，使用 cfdisk 命令创建我们将要使用的分区：

Terminal window
cfdisk sd.img

如果 cfdisk 提示 Select a label type（选择标签类型），请选择 dos，因为我们的实验并不需要 gpt 分区表。

在 cfdisk 界面中，从头开始创建三个主分区，属性如下：

  • 一个分区，大小为 64 MB，分区类型为 FAT16。将此分区标记为 bootable。
  • 一个分区，大小为 8 MB³，将用于根文件系统。由于设备的几何结构，该分区可能大于 8 MB，但这无关紧要。该分区保持 Linux 类型。
  • 一个分区，占用 SD 卡镜像的剩余空间，将用于数据文件系统。同样，该分区保持 Linux 类型。

完成后按 Write（写入）。

我们现在使用 loop 驱动，从该镜像及其分区模拟出块设备：

Terminal window
sudo losetup -f --show --partscan sd.img
  • -f：查找一个空闲的 loop 设备
  • --show：显示所使用的 loop 设备
  • --partscan：扫描 loop 设备上的分区，并创建额外的 /dev/loop<x>p<y> 块设备。

另外运行 sudo dmesg，确认 losetup 选中的 loop 设备检测到了 3 个分区：

[62778.965018] loop13: detected capacity change from 0 to 2097152
[62778.966862]
loop13: p1 p2 p3

最后，将第一个分区格式化为带 boot 标签的 FAT16：其余分区稍后再格式化。

Terminal window
sudo mkfs.vfat -F 16 -n boot /dev/loop<x>p1

现在可以释放 loop 设备：

Terminal window
sudo losetup -d /dev/loop<x>

测试 U-Boot 的环境变量

再次启动 QEMU，但这次带上模拟的 SD 卡（命令可写在一行内）：

Terminal window
qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 128M -nographic \
-kernel u-boot/u-boot \
-sd sd.img

现在，在 U-Boot 提示符下，确认你可以设置并保存一个环境变量：

Terminal window
setenv foo bar
saveenv

输入 reset 重启板子，然后检查 foo 变量是否仍然被设置：

Terminal window
printenv foo

建立 QEMU 与主机之间的网络连接

QEMU 用 tap 网络把虚拟板和主机连成对等网络。写一个 ifup 脚本放在 bootloader/ 目录（QEMU 命令里 script=./qemu-myifup 是相对路径）：

cat > qemu-myifup <<'EOF'
#!/bin/sh
/sbin/ip a add 192.168.0.1/24 dev $1
/sbin/ip link set $1 up
EOF
chmod +x qemu-myifup

带网络启动（创建 tap 设备需要 root）：

Terminal window
sudo qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 128M -nographic \
  -kernel u-boot/u-boot -sd sd.img \
  -net tap,script=./qemu-myifup -net nic

（QEMU 启动日志里关于音频设备 ALSA 的报错，以及成串的 BOOTP broadcast，均为正常现象：前者因为 WSL 没有声卡，后者是板子默认启动流程在没有内核时广播寻找 DHCP 服务器，到第 3 章放入内核后即消失。）

U-Boot 里配置板子侧 IP：

=> setenv ipaddr 192.168.0.100
=> setenv serverip 192.168.0.1
=> saveenv
=> ping 192.168.0.1     # host 192.168.0.1 is alive

搭建 TFTP 服务器

主机装 TFTP 服务器：

Terminal window
sudo apt install tftpd-hpa

放一个测试文件：

Terminal window
echo "TFTP test ok" | sudo tee /srv/tftp/textfile.txt

用 bdinfo 确认内存布局（RAM 从 0x60000000 起 128M，顶部约 21M 为 U-Boot 自身保留区），选 0x61000000 作下载地址。

传输前先确认板子侧网络环境已就绪。tftp 实际使用的是 U-Boot 网络栈内部的 IP 状态，它只在环境变量发生变更时重新解析；若启动后 autoboot 已执行过失败的 BOOTP，可能出现 bdinfo 显示 IP 已设置、但 tftp 仍报 ipaddr' not set 的情况，重新执行一次 setenv（即使值相同，也会触发环境变更、刷新内部状态）即可：

=> setenv ipaddr 192.168.0.100
=> setenv serverip 192.168.0.1
=> setenv netmask 255.255.255.0
=> saveenv

在 U-Boot 提示符下通过 TFTP 拉取文件并查看内存内容：

=> tftp 0x61000000 textfile.txt
...
Bytes transferred = 13 (d hex)


=> md.b 0x61000000
61000000: 54 46 54 50 20 74 65 73 74 20 6f 6b 0a ...  TFTP test ok....

md.b 开头的 54 46 54 50 正是 “TFTP” 的 ASCII 码，说明文件经网络原样送达板子内存。这条 TFTP 通道即第 3 章向板子传输内核（zImage 与设备树）所使用的方式。