树莓派简单操作系统制作之一：树莓派4B U-boot移植并加载裸机程序_树莓派裸机开发

1. 背景

用树莓派开发裸机程序第一步肯定是需要把编译好的程序copy到树莓派的内存中，之后才是让其执行。关于树莓派的启动流程，本篇将不详细介绍，后续有时间会更新博客或者找网上更棒的大神博主来做引用。本篇仅作简单介绍，有疏漏错误之处。欢迎补充指正。

1.1 传统的方法

首先需要准备一个保存有树莓派正常可以起来的Linux系统的TF卡（会分为两个分区，boot分区保存了正常系统所需的内核，设备树及一些配置文件，通常是fat分区？windows主机可以识别。另外一个分区是filesystem？是系统的根文件系统，为ext4格式，通常windows不能正常识别，Linux主机可以，切记不要听Windows系统的给格式化了，否则TF卡插树莓派上就没了根文件系统）。
启动流程上讲，树莓派本身固化有一段引导程序，树莓派上电以后就会通过VideoCore执行这一段程序，这段程序会读取boot分区中的config.txt(很重要)文件，根据文件的内容来对系统进行初始化配置，最终通过读取config.txt文件中的kernel的值选择加载的程序然后转入执行。（通常这里的值或者说是缺省的值为Linux系统的内核）。
如何将我们编写的裸机程序传输到开发板，传统的方法，是首先将程序文件copy到TF卡，通过修改树莓派本身引导加载程序识别的TF卡中的config.txt文件，通过修改其kernel变量对应的值将其修改为指向我们的裸机程序的二进制文件。
传统的方法优点就是简单，只需要改一次config.txt文件，后面只需要将编好的二进制程序copy到TF卡中，然后上电，树莓派就会根据指示去加载我们的程序之后执行。但是缺点也很明显，如果我们开发的是裸机程序，那么我们就避免不了对程序进行修改调试，需要不断的copy编译好的程序到TF卡，那是很痛苦的一件事情。不光需要读卡器进行数据的copy，还要TF卡在树莓派上不断的插拔，浪费时间不说，会对树莓派的插槽也会有一定的物理损坏（毕竟树莓派日益紧俏，都要成理财产品了），同时次数多了对TF卡中的文件系统也可能会被破坏（笔者就曾被搞坏过文件系统，重新做可以起树莓派系统的TF卡比较麻烦）。

1.2 通过Uboot的方法

uboot本身就是引导加载程序，此方法原理如下，系统的初始化引导之后进入uboot程序，Uboot通过串口会有简单的命令行，这样可以通过网络tftp工具从远端加载二进制程序，然后执行go命令执行我们编译出的二进制裸机程序。
这样做的好处是，仅仅需要一次拔出TF卡将我们的u-boot二进制程序放入TF卡，并修改config.txt中的kernel变量指向u-boot，然后插到树莓派，就可以通过串口对uboot进行控制，完成一系列操作。功在当代，利在千秋。

2. 步骤

如果只是起到加载裸机程序的目的，可以选择我编译好的uboot，如果需要学习一下uboot的移植步骤，可以参考以下步骤。

2.1编译U-boot

以下在Linux主机上执行（Ubuntu，Debian等）

2.1.1 安装交叉编译器

交叉编译器，又称交叉编译工具链，顾名思义，就是可以在一个CPU架构上编译可以在另一个架构上可以执行的程序。比如本例中，我们在x86上编译arm64上可以正常运行的程序。关于如何安装交叉编译器，网上有很多方式，比如ubuntu系统上最简单的方法是通过执行apt install gcc-aarch64-linux-gnu cpp-aarch64-linux-gnu就可以完成交叉编译器的安装。不过本着学习的原则，我们选择自己利用Cross-ng构建适用于树莓派ARM64的交叉工具链。安装方法及遇到的问题同时可参考：Crosstool-ng编译及构建交叉编译器出错及解决办法

1）获取crosstool

执行"git clone git://crosstool-ng.org/crosstool-ng"命令

2）安装必要组件

$ sudo apt update
$ sudo apt install  bison flex gawk automake libncurses5-dev python3-dev autoconf help2man make libtool libtool-bin -y
$ sudo apt install texinfo
$ sudo apt install bzip2
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3) 编译安装cross-ng-master

$ ./bootstrap
$ ./configure 
$ make
$ sudo make install
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4)配置并安装工具链

修改成树莓派4的默认配置

$ ct-ng aarch64-rpi4-linux-gnu
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同时，可执行“ct-ng menuconfig” 命令进入配置页面，在配置界面里面打开 “Paths and misc options” 如图：

输入图片说明 其中“Local tarballs directory ”表示构建工具链中所需要的源码包下载路径，“Working directory”为构建过程中中间文件的路径，“Prefix director”表示构建完成后交叉编译器安装路径。可以按自己需要进行配置。 最后执行以下命令构建编译器

$ ct-ng build
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环境配置 安装工具链后，一般将工具链命令的路径添加到系统路径中，方便后续调用。

$ export PATH=$PATH:/home/dengml/crosstool/x-tools/aarch64-rpi4-linux-gnu/bin
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其中/home/dengml/crosstool/x-tools/aarch64-rpi4-linux-gnu/bin为我自己编译安装的交叉编译器地址。为避免每次开机都配置路径，可以配置环境使其每次开机自动配置 ，配置方法如下：

$ vim /etc/profile
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在里面加入：

export PATH=$PATH:/home/dengml/crosstool/x-tools/aarch64-rpi4-linux-gnu/bin
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使生效

source profile
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2.1.2 获取并编译U-boot源码

git clone https://github.com/u-boot/u-boot (下载源码)
cd u-boot
# 使用刚才下载的交叉工具链
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-（目的是指向编译器）
make distclean （清除之前编译源码的缓存，首次执行会很快，因为没有缓存）
make rpi_4_defconfig （选择树莓派4的默认配置）
make -j4 （编译）
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编译常见问题以及解决办法
Q: include/image.h:1394:12: fatal error: openssl/evp.h: No such file or directory
A: sudo apt install libssl-dev
编译完成后会在uboot目录下产生一个u-boot.bin的二进制文件

2.2 更改树莓派配置，使进入U-boot

将2.1节中生成的u-boot.bin文件cp到能正常启动树莓派系统的TF卡的boot分区中，修改config.txt的内容为以下内容：

# Run in 64-bit mode
arm_64bit=1

[cm4]
# Enable host mode on the 2711 built-in XHCI USB controller.
# This line should be removed if the legacy DWC2 controller is required
# (e.g. for USB device mode) or if USB support is not required.
#otg_mode=1

[all]
kernel=u-boot.bin
enable_uart=1
core_freq = 500
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2.3 连接串口

本文采用的是USB转ttl的串口控制器，连接方法为主机侧通过USB连接宿主机，另一端将串口线接上树莓派如下图所示(最好连接一下地线，信号稳定)。

在windows主机（需要提前安装完成串口工具的驱动）上打开mobaxterm，选择串口并配置波特率为115200，在ubuntu或者其它Linux系统主机上，推荐使用minicom，可以通过minicom -S命令对串口进行初始配置，比如修改波特率为115200，和默认的串口设备，然后通过minicom -D /dev/ttyUSBx进入板子的串口控制台（ /dev/ttyUSBx为串口控制器设备名称，依据实际情况确定）。U-boot，启动后可以在串口控制台看到一下log，
（to do）

2.4 搭建tftp服务器

**这里需要注意的是需要搭建tftp服务器，而不是ftp服务器。**关于如何在ubuntu搭建tftp服务器，网上有很多教程，在这里我们主要介绍在windows宿主机采用Tftpd32 工具搭建出tftpd服务器，如遇到网络防火墙的原因导致其它机器访问失败可以先关闭掉。
在tftpd32官网下载程序，下载portable绿色免安装版本，解压并打开运行，如下图所示：
（todo）
此工具是一个小型的文件共享工具，可以支持多种功能，比如完成作为tftp文件传输的服务端或者客户端，在这里我们仅作为tftp服务端，可以在此界面配置tftp服务器存放服务器端文件的路径。uboot通过网络从windows宿主机加载程序到树莓派ram。

2.5 配置uboot环境

前面我们讲到怎么编译，并通过串口进入到uboot控制台，现在我们需要通过串口配置uboot加载在宿主机的程序到树莓派。

1. 首先需要连接网线到树莓派，需要注意的是，树莓派连接的网络需要和宿主机在同一局域网下（直连或者连接同一路由器）。

# 设置树莓派的ip地址
setenv ipaddr 192.168.1.101
# 设置路由网关
setenv gatewayip 192.168.1.1
# 设置子网掩码（与宿主机一致）
setenv netmask 255.255.255.0
# 设置宿主机（windows主机）ip，本例中为192.168.1.6
setenv serverip 192.168.1.6
# 保存配置信息
saveenv
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以上命令设置控制台的串口 设置网络挂载的根文件系统的路径 设置ip地址，服务器地址，网关，子网掩码，网络设备号等。配置完成后可以看到Saving Environment to FAT… OK, 说明配置成功。此时可以用ping 192.168.1.6命令检查是不是与宿主机相通。
我们可以通过tftp <树莓派的RAM地址> <文件名>来获取文件，命令的含义是将宿主机tftp服务器设置的路径中的指定文件加载到树莓派RAM上的确定地址上。可以通过下面的命令设置u-boot的启动命令

setenv bootargs "tftp 0x80000 kernel8.img; go 0x80000"
saveenv
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通过以上方法，可以实现u-boot上电之后自动从远端加载名为kernel8.img的文件，并将其放在0x80000的RAM位置上。然后u-boot跳转到程序加载的位置执行。
通过以上方法，我们调试我们的裸机程序的时候就可以直接将编译好的二进制程序（本人将其命名为kernel8.img）放在宿主机端的tftp服务器路径中，重启树莓派，树莓派就可以自动去加载程序到指定地址并执行。如下图：
（todo）

3. 说明

如有遗漏或者错误之处，欢迎指正，另外有想了解或者需要补充的这方面的内容或者知识的，虽然我不一定会但是欢迎沟通交流，一块学习。

后续补充，未完待续。