Bootloader 与 U-Boot 详解

一、什么是 Bootloader

Bootloader（引导加载程序）是嵌入式系统上电后运行的第一段代码，负责初始化最小硬件环境、加载操作系统内核并将控制权交给内核。它在硬件与 OS 之间扮演"桥梁"角色。

类比 PC 上的 BIOS/UEFI：PC 启动时 BIOS 完成硬件自检（POST）、初始化外设、读取磁盘引导扇区，然后跳转到 MBR/VBR 加载 GRUB/Windows Boot Manager。嵌入式系统没有统一的 BIOS，Bootloader 集成了 BIOS + GRUB 两层职责。

1.1 为什么需要 Bootloader

嵌入式系统上电后 CPU 处于初始状态：Cache 未初始化、内存控制器未配置、外设未启动，无法直接运行 OS。Bootloader 解决三大核心问题：

1. 硬件最小初始化：配置 CPU 时钟、内存控制器（DDR）、UART、Flash 控制器，让系统能运行复杂代码
2. 内核加载：从 Flash/SD/eMMC/网络读取 OS 内核镜像到 RAM，准备启动参数
3. 权力移交：关闭中断、清空 Cache、跳转到内核入口，让 OS 接管系统

二、嵌入式系统启动全流程

以 i.MX6 / RK3399 / STM32MP1 为典型，嵌入式系统从上电到 Linux 用户登录共经历五个阶段：

2.1 Boot ROM 的工作

Boot ROM 是芯片出厂时烧录在芯片内部 ROM 中的代码，无法修改。它在 CPU 复位向量地址执行，主要工作：

• 读取 boot cfg 引脚：用户通过拨码开关/电阻配置启动介质（SD/eMMC/NAND/NOR/USB/UART）
• 加载 SPL：从指定介质读取固定大小的 SPL 镜像（通常 < 32KB，可放入 SRAM）
• 校验头部：检查 SPL 镜像头的 magic number、校验和、加载地址
• 跳转执行：将 PC 指针指向 SPL 入口地址

2.2 为什么需要 SPL

现代 SoC 上电后 DDR 还未初始化，只有芯片内部 SRAM 可用（通常 32~128KB）。完整 U-Boot 有几百 KB，无法塞进 SRAM。所以SPL（Second Program Loader）作为"过渡阶段"出现：

• SPL 体积小：< 32KB，能放进 SRAM
• SPL 任务单一：仅初始化 DDR、UART、Timer，然后加载完整 U-Boot 到 DDR
• SPL 是 U-Boot 的"精简版"：复用 U-Boot 的代码框架，但只编译最少驱动

三、Bootloader 的两大职责

无论使用哪种 Bootloader（U-Boot、Barebox、CoreBoot），它们都有两个核心职责：硬件初始化和内核加载。

3.1 硬件初始化的具体内容

3.2 内核加载的三种方式

四、主流 Bootloader 对比

嵌入式领域有多种 Bootloader，U-Boot 是最广泛使用的，但并非唯一选择。

五、U-Boot 简介：历史与地位

U-Boot（Das U-Boot，全称"the U-Boot"）由德国 DENX 软件工程公司 Wolfgang Denk 主导开发，2000 年开源发布，基于 PowerPC 时代的 8xxrom 演化而来，逐渐成为 ARM/MIPS 嵌入式 Linux 的事实标准 Bootloader。

5.1 U-Boot 的核心特点

• 架构覆盖广：ARM/MIPS/PPC/x86/RISC-V，几乎全平台
• 命令行交互：提供类似 shell 的命令行，开发期友好
• 环境变量持久化：bootargs、bootcmd 等存储在 Flash/eMMC
• 多阶段启动：SPL + U-Boot Main，支持 SRAM 启动
• Driver Model：类 Linux 的设备/驱动/总线三层架构
• 设备树原生支持：DTB 解析、FDT 操作、Overlay
• 网络协议栈：TFTP、NFS、DHCP、Ping、HTTP
• 文件系统支持：FAT/ext2/ext4/UBIFS/JFFS2/SquashFS
• 镜像格式：legacy uImage / FIT image / raw
• EFI 支持：可启动 EFI 应用，做 BIOS 替代

六、U-Boot 架构与目录结构

U-Boot 源码采用类似 Linux 内核的目录组织，让有 Linux 经验的开发者快速上手。

6.1 三层代码分层

6.2 Kconfig 配置系统

U-Boot 借鉴 Linux 的 Kconfig + Kbuild 系统，每个开发板对应一个 configs/<board>_defconfig 文件：

# configs/rpi_4_defconfig（树莓派 4B 默认配置）
CONFIG_ARM=y
CONFIG_TARGET_RPI_4=y
CONFIG_SYS_ARCH="arm"
CONFIG_SYS_CPU="armv8"
CONFIG_USE_ARCH=64
CONFIG_ARCH_BCM283X=y
CONFIG_NR_DRAM_BANKS=1
CONFIG_ENV_SIZE=0x4000
CONFIG_ENV_OFFSET=0x3c0000

# 启用 SPL（可选）
CONFIG_SPL=y
CONFIG_SPL_STACK_R=y

# 启用 Driver Model
CONFIG_DM=y
CONFIG_DM_GPIO=y
CONFIG_DM_MMC=y
CONFIG_DM_SERIAL=y

# 启用网络
CONFIG_CMD_NET=y
CONFIG_CMD_DHCP=y
CONFIG_CMD_TFTPPUT=y

# 启用文件系统
CONFIG_CMD_FAT=y
CONFIG_CMD_EXT4=y
CONFIG_CMD_FS_GENERIC=y

# 启用 bootm / bootz
CONFIG_CMD_BOOTM=y
CONFIG_CMD_BOOTZ=y
CONFIG_FIT=y                 # FIT 镜像支持

七、SPL 与多阶段启动

SPL（Second Program Loader）是 U-Boot 的"精简版"，专门为 SRAM 启动场景设计。本节详解 SPL/TPL 的多阶段启动机制。

7.1 何时需要 SPL

八、U-Boot 启动流程详解

U-Boot 启动过程从汇编入口到 main 循环，经历多个阶段。下图以 ARM 平台为例展示完整流程：

8.1 启动关键函数

九、U-Boot 命令体系与环境变量

U-Boot 命令行是开发期最重要的交互界面，提供类似 Linux shell 的命令体系。每条命令由 U_BOOT_CMD 宏注册。

9.1 环境变量

U-Boot 通过环境变量持久化启动配置，类似 Linux 的 /etc/fstab。常见变量如下：

9.2 常用命令一览

9.3 启动命令组合

# 典型 SD 卡启动命令组合
# 1. 加载内核到 0x80008000
U-Boot> fatload mmc 0:1 0x80008000 zImage
# 2. 加载设备树到 0x88000000
U-Boot> fatload mmc 0:1 0x88000000 bcm2837-rpi-3-b.dtb
# 3. 设置内核命令行
U-Boot> setenv bootargs console=ttyAMA0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rootwait
# 4. 启动
U-Boot> bootz 0x80008000 - 0x88000000

# 一键启动组合（保存到环境变量）
U-Boot> setenv boot_sd "fatload mmc 0:1 0x80008000 zImage; \
                          fatload mmc 0:1 0x88000000 rpi-3-b.dtb; \
                          bootz 0x80008000 - 0x88000000"
U-Boot> setenv bootcmd "run boot_sd"
U-Boot> saveenv

# 网络启动（开发期常用）
U-Boot> setenv serverip 192.168.1.100
U-Boot> setenv ipaddr 192.168.1.10
U-Boot> tftpboot 0x80008000 zImage
U-Boot> tftpboot 0x88000000 rpi-3-b.dtb
U-Boot> bootz 0x80008000 - 0x88000000

十、设备树：DTB 与 FDT

设备树（Device Tree，DT）是从 PowerPC 时代引入的硬件描述语言，Linux 内核通过它知道板卡有哪些外设、寄存器地址、中断号。U-Boot 在启动时将 DTB（DT Blob 二进制）传给内核。

10.1 设备树源码示例

/dts-v1/;

/ {
    # 根节点
    model = "Raspberry Pi 4 Model B";
    compatible = "raspberrypi,4-model-b", "brcm,bcm2711";

    # CPU 节点
    cpus {
        cpu@0 {
            device_type = "cpu";
            compatible = "arm,cortex-a72";
            reg = <0>;
        };
    };

    # 内存节点
    memory@0 {
        device_type = "memory";
        reg = <0 0x80000000>;  # 起始地址 + 大小
    };

    # UART 节点
    uart@7e215040 {
        compatible = "arm,pl011", "arm,primecell";
        reg = <0x7e215040 0x40>;
        interrupts = <0 121 4>;
        clock-names = "uartclk", "apb_pclk";
        status = "okay";
    };

    # SD 控制器节点
    sdhci@7e340000 {
        compatible = "brcm,bcm2711-emmc2";
        reg = <0x7e340000 0x100>;
        interrupts = <0 126 4>;
        bus-width = <8>;
        status = "okay";
    };
};

10.2 U-Boot 中的 fdt 命令

U-Boot 提供 fdt 命令在启动前修改设备树（如动态修改 bootargs、调整内存大小）：

# U-Boot 命令行修改设备树
U-Boot> fdt addr 0x88000000            # 设置 DTB 地址
U-Boot> fdt print /memory              # 打印 memory 节点
U-Boot> fdt set /memory reg <0 0x40000000>  # 改内存大小为 1GB
U-Boot> fdt set /chosen bootargs "console=ttyAMA0,115200"
U-Boot> fdt print /chosen

十一、Driver Model 驱动框架

U-Boot 在 2014 年引入 Driver Model（DM），借鉴 Linux 的 device/driver/bus 三层架构，让驱动代码模块化、可复用。在此之前，U-Boot 驱动是"散装"的，每个驱动都自己写初始化逻辑。

11.1 DM 驱动示例

// drivers/serial/serial_pl011.c —— ARM PL011 UART 驱动
#include <dm/device.h>
#include <serial.h>
#include "pl011.h"

// 1. 实现 uclass 接口（serial_ops）
static int pl011_setbrg(struct udevice *dev, int baudrate) {
    struct pl011_uart *plat = dev_get_plat(dev);
    unsigned int divisor = UART_PL011_CLOCK / (16 * baudrate);
    writel(divisor & 0xFFFF, plat->base + UART_PL011_LDIV);
    return 0;
}

static int pl011_getc(struct udevice *dev) {
    struct pl011_uart *plat = dev_get_plat(dev);
    return readl(plat->base + UART_PL011_DR);
}

static const struct dm_serial_ops pl011_serial_ops = {
    .putc = pl011_putc,
    .getc = pl011_getc,
    .setbrg = pl011_setbrg,
};

// 2. probe 函数（设备绑定后调用）
static int pl011_probe(struct udevice *dev) {
    struct pl011_uart *plat = dev_get_plat(dev);
    plat->base = dev_read_addr(dev);
    writel(0x70, plat->base + UART_PL011_CR);  // 使能 UART
    return 0;
}

// 3. 设备匹配（compatible 字符串）
static const udevice_id pl011_ids[] = {
    { .compatible = "arm,pl011" },
    { .compatible = "arm,primecell" },
    { }
};

// 4. 注册到 DM 框架
U_BOOT_DRIVER(pl011_serial) = {
    .name = "pl011_serial",
    .id = UCLASS_SERIAL,
    .of_match = pl011_ids,
    .probe = pl011_probe,
    .ops = &pl011_serial_ops,
    .plat_auto = sizeof(struct pl011_uart),
};

十二、烧写方式：SD/NAND/NOR/网络

U-Boot 镜像如何烧写到目标板？常见方式有 4 类：

12.1 SD 卡烧写完整命令

# 在 Linux 主机烧写 U-Boot 到 SD 卡
sudo dd if=u-boot-spl.bin of=/dev/sdX seek=2 bs=512  # SPL 从第 2 扇区开始
sudo dd if=u-boot.bin of=/dev/sdX seek=64 bs=512  # U-Boot Main 从第 64 扇区开始
sync

# 树莓派用单独的脚本
sudo dd if=u-boot.bin of=/dev/sdX seek=8  # 树莓派从扇区 8 开始
sync

# 使用 u-boot 自身的 ums 命令把 SD 卡当 U 盘
U-Boot> ums 0 mmc 0  # 把 SD 卡 (mmc 0) 通过 USB 暴露给主机

十三、引导内核：bootm / bootz / booti

U-Boot 引导 Linux 内核有三种命令，对应不同内核镜像格式：

13.1 bootm 命令详解

# bootm 命令格式
bootm <kernel_addr> <ramdisk_addr> <fdt_addr>

# 实际使用示例
U-Boot> fatload mmc 0:1 0x80008000 uImage
U-Boot> fatload mmc 0:1 0x83000000 initramfs.cpio.gz
U-Boot> fatload mmc 0:1 0x88000000 board.dtb
U-Boot> bootm 0x80008000 0x83000000 0x88000000

# 无 initramfs 时用 - 占位
U-Boot> bootm 0x80008000 - 0x88000000

13.2 FIT 镜像（Flattened Image Tree）

对于多内核 + 多 DTB + 多 initramfs 的场景，U-Boot 引入了 FIT 镜像——一个 itb 文件包含多个组件，类似设备树的层级结构。

// image.its —— FIT 镜像描述文件（类似 DTS）
/dts-v1/;

/ {
    description = "Multi image for board X";
    #images = "kernel", "fdt";

    kernel {
        description = "Linux kernel";
        data = /incbin/("zImage");
        type = "kernel";
        arch = "arm";
        os = "linux";
        compression = "gzip";
        load = <0x80008000>;
        entry = <0x80008000>;
    };

    fdt {
        description = "Board device tree";
        data = /incbin/("board.dtb");
        type = "flat_dt";
        arch = "arm";
        compression = "none";
    };

    configurations {
        default = "conf";
        conf {
            description = "Default configuration";
            kernel = "kernel";
            fdt = "fdt";
        };
    };
};

# 编译命令
mkimage -f image.its image.itb

# U-Boot 中启动
U-Boot> fatload mmc 0:1 0x80008000 image.itb
U-Boot> bootm 0x80008000  # 自动选择 default configuration
U-Boot> bootm 0x80008000#conf  # 指定配置

十四、实战：编译 U-Boot for Raspberry Pi

本节以树莓派 4B 为例，演示完整的 U-Boot 编译流程。树莓派是学习 U-Boot 的最佳平台——无需 JTAG、SD 卡可启动、社区文档丰富。

14.1 环境准备

# Ubuntu 主机安装依赖
sudo apt install build-essential gcc-aarch64-linux-gnu \
     bison flex libssl-dev bc python3 python3-pyelftools

# 拉取 U-Boot 源码（主线 v2024.04 LTS）
git clone https://github.com/u-boot/u-boot.git
cd u-boot
git checkout v2024.04

14.2 配置与编译

# 1. 配置树莓派 4B（64 位）
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- rpi_4_defconfig

# 2. 可选：菜单配置（启用/禁用特性）
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- menuconfig

# 3. 编译
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- -j$(nproc)

# 产物
ls -lh u-boot.bin
ls -lh u-boot-nodtb.bin  # 不含 DTB 的版本（树莓派专用）

14.3 烧写到 SD 卡

# 假设 SD 卡为 /dev/sdX（请按实际替换）
sudo dd if=u-boot.bin of=/dev/sdX seek=8 bs=512 conv=fsync
sync

# 在 SD 卡第一个分区（FAT32）放入内核与设备树
sudo mount /dev/sdX1 /mnt
sudo cp zImage /mnt/
sudo cp bcm2711-rpi-4-b.dtb /mnt/
# config.txt 告诉树莓派固件跳到 U-Boot
echo "kernel=u-boot.bin" | sudo tee /mnt/config.txt
sudo umount /mnt

14.4 启动验证

将 SD 卡插入树莓派 4B，连接 UART-USB 转串口到 PC，波特率 115200，上电后应看到：

U-Boot 2024.04 (Sep 09 2026 - 12:34:56 +0800)

DRAM:  4 GiB
RPI 4 Model B (0xb03114)
Core:  105 devices, 18 uclasses, devicetree: separate
MMC:   mmcnr@7e202000: 0, emmc2@7e340000: 1
Loading Environment from FAT... OK
In:    serial,usbkbd
Out:   vidconsole,serial
Err:   vidconsole,serial
Net:   eth0: ethernet@7e580000

Hit any key to stop autoboot:  2   # 倒计时
Hit any key to stop autoboot:  1
Hit any key to stop autoboot:  0

U-Boot>                            # 进入命令行

14.5 配置自动启动

# 在 U-Boot 命令行配置
U-Boot> setenv bootargs "console=serial0,115200 console=tty1 root=/dev/mmcblk0p2 rootwait"
U-Boot> setenv bootcmd "fatload mmc 0:1 0x80080000 Image; \
              fatload mmc 0:1 0x88000000 bcm2711-rpi-4-b.dtb; \
              booti 0x80080000 - 0x88000000"
U-Boot> saveenv
U-Boot> reset

十五、调试技巧与常见问题

15.1 调试工具链

15.2 常见故障排查

十六、总结

U-Boot 是嵌入式 Linux 启动的"第一段代码"——从 Boot ROM 接棒，到交给内核，承担了硬件初始化、镜像加载、参数传递三大职责。它如同桥梁，连接了芯片固化的 Boot ROM 与可扩展的 Linux 内核。