bootloader:U-Boot 与嵌入式启动链

🔨 整理中 · 这一篇讲嵌入式 bootloader——内核启动之前的那段引导代码,以 U-Boot(嵌入式最主流)为核心。它解决"上电后,内核镜像怎么被加载进内存、怎么被启动、怎么拿到设备树和命令行参数"。本站用 QEMU -kernel 直接加载内核,跳过了 bootloader,但真实板子上 bootloader 是必经一环。

做什么

05 QEMU 启动里 QEMU 用 -kernel Image -append "..." 直接把内核加载进内存、传参数,跳过了"bootloader 怎么加载内核"这步。可真实 ARM/RISC-V 板子上电时,内核还躺在 flash/SD/eMMC 里,得有段代码先把它读进内存、配置好硬件、再把控制权交给它——这就是 bootloader 的活。嵌入式世界 bootloader 的事实标准是 U-Boot(还有 barebox、各家厂商闭源的 ROM bootloader)。这一篇讲 bootloader 在启动链里的位置、U-Boot 的阶段划分、它怎么加载并启动内核。

要了解什么

一、嵌入式启动链:ROM → SPL → U-Boot → kernel

一块板上电后的典型启动链是多级的:

ROM Bootloader(BL1):固化在芯片内 ROM 的厂商代码(不可改),上电最先跑,做最基本硬件初始化,然后从 SD/eMMC/NAND/网络读下一级 bootloader 到内存。
SPL(Secondary Program Loader):U-Boot 的"精简版"(体积小,跑在 SRAM,初始化 DDR 内存、加载完整 U-Boot)。规模太小放不下完整 U-Boot 时,SPL 当跳板。
U-Boot(main):完整 bootloader,跑在 DDR 里,提供交互式命令行(可人工干预)、网络/文件系统能力、bootm/bootz 加载启动内核。
Linux kernel:U-Boot 把内核镜像 + 设备树 + initramfs 加载进内存、配置好寄存器、bootm 跳进去,内核开始跑(05 启动讲的内核启动阶段从这里开始)。

每级"信任链"递进——ROM 信任 SPL、SPL 信任 U-Boot、U-Boot 信任内核。Secure Boot 场景每级都验签。

二、U-Boot 的启动:bootcmd + bootargs

U-Boot main 的核心是 bootcmd 环境变量——它定义"自动启动时执行什么命令"。典型:

bootcmd=load mmc 0:1 ${kernel_addr_r} /boot/Image; \
        load mmc 0:1 ${fdt_addr_r} /board.dtb; \
        load mmc 0:1 ${ramdisk_addr_r} /boot/initramfs.cpio.uboot; \
        booti ${kernel_addr_r} ${ramdisk_addr_r}:${filesize} ${fdt_addr_r}

这段从 SD 卡第 1 分区加载内核镜像、设备树、initramfs 到内存,然后 booti(ARM64 Image 的启动命令)/bootm(老 uImage)跳进内核。bootargs 环境变量是传给内核的命令行(console=ttyAMA0 root=/dev/mmcblk0p2 ...),U-Boot 启动内核时一并传。

三、U-Boot 交互式命令行

启动时按键打断自动 boot,进 U-Boot 命令行,能手动操作:printenv/setenv(看/设环境变量)、load/tftp(从 SD/网络加载)、md(看内存)、bootm/booti(启动)、saveenv(保存环境)。这套命令行是 bootloader 调试的核心——能单独测每一步(加载对不对、设备树对不对、参数对不对),再让它自动跑。

四、设备树与内核启动

ARM64 的 U-Boot 启动内核时必须传设备树(fdt_addr_r)——内核靠它知道硬件(关联 drv-dts)。这是 ARM64 相对 ARM32 的一个大变化:ARM32 内核启动时还能用老的板级文件(machine_desc),ARM64 完全依赖设备树。U-Boot 的 booti <kernel> <initrd> <fdt> 三参数就是把内核、initramfs、设备树三个的地址传进去。

动手试试

QEMU 里跑 U-Boot:qemu-system-aarch64 -M virt -bios u-boot.bin(或 -machine virt,u-boot),进 U-Boot 交互命令行,练 printenv/version/help
U-Boot 命令行里手动 load 一个内核镜像 + 设备树,booti 启动,体会本篇第二节 bootcmd 的每一步
tftpboot 从宿主机 TFTP 加载内核(配 qemu user net + 宿主 tftpd),测网络启动
思考题:为什么 ARM64 启动内核必须传设备树,而 QEMU -kernel 不用?(提示:QEMU -kernel 模式自动生成并传设备树;真板要 U-Boot 传)

做什么 ​

要了解什么 ​

一、嵌入式启动链:ROM → SPL → U-Boot → kernel ​

二、U-Boot 的启动:bootcmd + bootargs ​

三、U-Boot 交互式命令行 ​

四、设备树与内核启动 ​

动手试试 ​

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