学习笔记——Linux内核与嵌入式开发2

一、Linux启动流程详解

1.1 SD卡启动流程

1.1.1 四阶段启动过程

复制代码

第一阶段：i.MX6内部ROM启动
第二阶段：SD卡中的Bootloader执行
第三阶段：内核加载与启动
第四阶段：根文件系统挂载

1.1.2 详细步骤

系统上电执行内部ROM程序
- i.MX6内部有96KB ROM
- ROM中的程序根据boot mode选择启动设备（SD卡、eMMC、USB等）
- 如果选择SD卡启动，从SD卡特定位置读取Bootloader
加载Bootloader第一部分
- 拷贝SD卡中的Bootloader前半部分到i.MX6内部RAM（128KB）
- 内部RAM大小有限，Bootloader必须分阶段执行
- Bootloader第一部分（SPL）负责初始化DDR内存
Bootloader第二阶段执行
- Bootloader在自身前半部分初始化好DDR内存
- 将自己后半部分从SD卡搬移到DDR内存执行
- 完成完整的硬件初始化
内核加载与启动
- Bootloader从SD卡读取内核镜像（zImage）
- 将zImage加载到内存地址0x80800000处
- PC指针指向0x80800000，启动内核执行
挂载根文件系统
- 内核启动完成后
- 根据启动参数挂载SD卡上的根文件系统
- 进入用户空间

1.2 网络启动流程（TFTP+NFS）

1.2.1 网络启动环境

复制代码

硬件连接：
开发板（192.168.1.100） ↔ 交换机/路由器 ↔ Ubuntu服务器（192.168.1.3）

软件服务：
TFTP服务器：提供内核镜像下载
NFS服务器：提供根文件系统共享

1.2.2 详细步骤

Bootloader网络初始化
- Bootloader初始化网卡驱动
- 设置IP地址：192.168.1.100
- 设置服务器IP：192.168.1.3
TFTP下载内核
- Bootloader通过TFTP协议从Ubuntu下载zImage
- 命令：tftp 0x80800000 zImage
- 将zImage下载到内存0x80800000地址处
TFTP下载设备树
- 下载设备树二进制文件（.dtb）
- 命令：tftp 0x83000000 imx6.dtb
- 将设备树加载到内存0x83000000地址处
启动内核
- 命令：bootz 0x80800000 - 0x83000000
- 从0x80800000启动内核，设备树在0x83000000
NFS挂载根文件系统
- 内核通过NFS协议挂载Ubuntu上的根文件系统
- 根据bootargs参数配置NFS挂载

1.3 混合启动方式

1.3.1 内核在SD卡，根文件系统在NFS

复制代码

优点：
- 内核启动速度快（本地加载）
- 根文件系统方便更新（网络共享）
- 适合内核稳定、根文件系统频繁修改的场景

1.3.2 内核通过网络，根文件系统在SD卡

复制代码

优点：
- 内核更新方便（网络下载）
- 根文件系统稳定（本地存储）
- 适合内核频繁调试的场景

二、Ubuntu开发环境准备

2.1 TFTP服务器配置

2.1.1 安装TFTP服务

复制代码

# 安装TFTP服务器
sudo apt install tftpd-hpa

# 安装TFTP客户端（用于测试）
sudo apt install tftp-hpa

2.1.2 配置TFTP服务

复制代码

# 编辑配置文件
sudo vim /etc/default/tftpd-hpa

# 配置文件内容示例
TFTP_USERNAME="tftp"
TFTP_DIRECTORY="/tftpboot"
TFTP_ADDRESS=":69"
TFTP_OPTIONS="--secure --create"

2.1.3 创建TFTP目录

复制代码

# 创建TFTP服务目录
sudo mkdir /tftpboot

# 设置目录权限
sudo chmod 777 /tftpboot
sudo chown nobody:nogroup /tftpboot

2.1.4 重启服务

复制代码

# 重启TFTP服务
sudo systemctl restart tftpd-hpa

# 查看服务状态
sudo systemctl status tftpd-hpa

# 设置开机自启
sudo systemctl enable tftpd-hpa

2.1.5 放置内核文件

复制代码

# 将内核镜像复制到TFTP目录
cp zImage /tftpboot/
cp imx6.dtb /tftpboot/

# 确保文件可读
chmod 644 /tftpboot/zImage
chmod 644 /tftpboot/imx6.dtb

2.2 NFS服务器配置

2.2.1 安装NFS服务

复制代码

# 安装NFS服务器
sudo apt install nfs-kernel-server

# 安装NFS客户端（可选）
sudo apt install nfs-common

2.2.2 配置NFS共享

复制代码

# 编辑配置文件
sudo vim /etc/exports

# 添加共享配置
/home/linux/nfs *(rw,sync,no_root_squash,no_subtree_check)

# 或者更安全的配置
/home/linux/nfs 192.168.1.0/24(rw,sync,no_root_squash,no_subtree_check)

参数说明：

rw：读写权限
sync：同步写入
no_root_squash：信任root用户
no_subtree_check：不检查子目录权限
192.168.1.0/24：只允许指定网段访问

2.2.3 创建共享目录

复制代码

# 创建NFS共享目录
mkdir -p /home/linux/nfs

# 创建根文件系统子目录
mkdir -p /home/linux/nfs/imx6/rootfs

2.2.4 解压根文件系统

复制代码

# 进入NFS目录
cd /home/linux/nfs/imx6

# 解压根文件系统
sudo tar -xvf rootfs.tar.bz2 -C rootfs/

# 设置权限（如果需要）
sudo chmod 755 rootfs

2.2.5 重启NFS服务

复制代码

# 重新导出共享目录
sudo exportfs -arv

# 重启NFS服务
sudo systemctl restart nfs-kernel-server

# 查看服务状态
sudo systemctl status nfs-kernel-server

# 查看共享目录
sudo showmount -e localhost

2.3 网络配置检查

2.3.1 网络连通性测试

复制代码

# 检查Ubuntu IP地址
ip addr show

# 检查网络连通性（开发板ping服务器）
# 在开发板上执行：ping 192.168.1.3

# 检查服务器是否能访问开发板
ping 192.168.1.100

2.3.2 防火墙配置

复制代码

# 检查防火墙状态
sudo ufw status

# 如果防火墙开启，需要开放端口
sudo ufw allow 69/tcp    # TFTP
sudo ufw allow 69/udp    # TFTP
sudo ufw allow 111/tcp   # NFS
sudo ufw allow 2049/tcp  # NFS
sudo ufw allow 2049/udp  # NFS

# 或者临时关闭防火墙（开发环境）
sudo ufw disable

三、U-Boot命令详解

3.1 基础命令操作

3.1.1 帮助与信息查询

复制代码

# 查看所有可用命令
help
或
?

# 查看特定命令帮助
help command_name
例：help tftp

3.1.2 重启命令

复制代码

# 重启系统
reset

# 重启到不同模式
reset recovery    # 恢复模式
reset fastboot    # 快速启动模式

3.2 环境变量管理

3.2.1 环境变量查看

复制代码

# 查看所有环境变量
printenv
或
print

# 查看特定环境变量
printenv variable_name
例：
printenv ipaddr
printenv bootargs

3.2.2 环境变量设置

复制代码

# 设置环境变量
setenv name value

# 示例：
setenv ipaddr 192.168.1.100
setenv serverip 192.168.1.3
setenv bootdelay 3

# 设置多行变量（用于bootargs）
setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.3:/home/linux/nfs/imx6/rootfs,nfsvers=3 ip=192.168.1.100 init=/linuxrc'

3.2.3 环境变量删除

复制代码

# 删除环境变量（将值设为空）
setenv name

# 示例：
setenv old_ip
setenv unused_var

3.2.4 环境变量保存

复制代码

# 保存环境变量到存储设备
saveenv

# 保存位置一般为MMC/SD卡或Flash
# 查看保存的设备
printenv boot_device

3.3 网络相关环境变量

3.3.1 必需的网络变量

复制代码

# 开发板IP地址
setenv ipaddr 192.168.1.100

# 服务器IP地址（TFTP/NFS服务器）
setenv serverip 192.168.1.3

# MAC地址（硬件唯一标识）
setenv ethaddr 00:04:9f:01:02:03

# 子网掩码
setenv netmask 255.255.255.0

# 网关地址
setenv gatewayip 192.168.1.1

3.3.2 可选网络变量

复制代码

# 第二个网卡MAC地址
setenv eth1addr 00:04:9f:01:02:04

# 网络设备名
setenv nvlan 1
setenv vlan 1
setenv devtype ethernet

3.4 TFTP操作命令

3.4.1 TFTP下载命令格式

复制代码

# 基本格式
tftp [loadAddress] [[hostIPaddr:]bootfilename]

# 下载内核到内存
tftp 0x80800000 zImage

# 下载设备树到内存
tftp 0x83000000 imx6.dtb

# 指定服务器IP下载
tftp 0x80800000 192.168.1.3:zImage

3.4.2 TFTP下载过程

设置服务器IP
复制代码
```
setenv serverip 192.168.1.3
```
设置开发板IP
复制代码
```
setenv ipaddr 192.168.1.100
```
测试网络连接
复制代码
```
ping 192.168.1.3
```
下载内核
复制代码
```
tftp 0x80800000 zImage
```
下载设备树
复制代码
```
tftp 0x83000000 imx6.dtb
```

3.5 内核启动命令

3.5.1 启动命令格式

复制代码

# 基本格式
bootz [内核地址] [initrd地址] [设备树地址]

# 常用格式（无initrd）
bootz 0x80800000 - 0x83000000

# 含义：
# 0x80800000 - 内核zImage加载地址
# -          - 无initrd（ramdisk）
# 0x83000000 - 设备树加载地址

3.5.2 启动参数设置

复制代码

# 设置完整的启动参数
setenv bootargs console=ttymxc0,115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.3:/home/linux/nfs/imx6/rootfs,nfsvers=3 ip=192.168.1.100 init=/linuxrc

# 参数解析：
# console=ttymxc0,115200  - 串口控制台，波特率115200
# root=/dev/nfs           - 根文件系统类型为NFS
# nfsroot=192.168.1.3:/home/linux/nfs/imx6/rootfs - NFS服务器路径
# nfsvers=3              - NFS版本3
# ip=192.168.1.100       - 开发板IP地址
# init=/linuxrc          - 第一个用户空间进程

3.5.3 自动启动设置

复制代码

# 设置自动启动命令
setenv bootcmd 'tftp 0x80800000 zImage; tftp 0x83000000 imx6.dtb; bootz 0x80800000 - 0x83000000'

# 保存设置
saveenv

# 测试自动启动
run bootcmd

3.6 其他实用命令

3.6.1 内存操作

复制代码

# 查看内存内容
md.b 0x80800000 10    # 以字节格式查看
md.w 0x80800000 10    # 以字格式查看
md.l 0x80800000 10    # 以长字格式查看

# 修改内存内容
mw.l 0x80800000 0x12345678 1

# 内存比较
cmp 0x80800000 0x80900000 100

3.6.2 存储设备操作

复制代码

# 查看MMC设备
mmc list

# 选择MMC设备
mmc dev 0     # 选择设备0
mmc dev 0 1   # 选择设备0的分区1

# 读取MMC信息
mmc info

# 从MMC读取数据
mmc read 0x80800000 0x600 0x800

四、启动参数详解

4.1 bootargs参数解析

4.1.1 控制台配置

复制代码

console=ttymxc0,115200
# ttymxc0 - i.MX6的串口设备名
# 115200  - 波特率
# 其他可选值：9600, 19200, 38400, 57600, 115200

4.1.2 根文件系统配置

复制代码

root=/dev/nfs
# /dev/nfs - 表示使用NFS作为根文件系统
# 其他选项：/dev/mmcblk0p2（SD卡分区）, /dev/mtdblock2（Flash）

4.1.3 NFS配置

复制代码

nfsroot=192.168.1.3:/home/linux/nfs/imx6/rootfs,nfsvers=3
# 192.168.1.3 - NFS服务器IP
# /home/linux/nfs/imx6/rootfs - 共享目录路径
# nfsvers=3 - NFS协议版本

4.1.4 网络配置

复制代码

ip=192.168.1.100
# 开发板IP地址
# 完整格式：ip=<client-ip>:<server-ip>:<gw-ip>:<netmask>:<hostname>:<device>:<autoconf>

4.1.5 Init进程配置

复制代码

init=/linuxrc
# /linuxrc - 第一个用户空间进程
# 通常是/bin/init或/sbin/init的符号链接

4.2 其他常用参数

4.2.1 内存参数

复制代码

mem=512M
# 指定内存大小
# 当系统内存检测不正确时使用

4.2.2 调试参数

复制代码

debug
# 启用内核调试信息

loglevel=8
# 设置日志级别（0-8，8最详细）

earlyprintk
# 早期控制台输出，用于调试启动问题

4.2.3 文件系统参数

复制代码

rw
# 以读写方式挂载根文件系统

noinitrd
# 不使用initrd（ramdisk）

五、故障排查指南

5.1 常见问题与解决方案

5.1.1 TFTP下载失败

复制代码

问题：tftp命令执行后没有反应或超时
解决：
1. 检查网络连接：ping 192.168.1.3
2. 检查TFTP服务状态：sudo systemctl status tftpd-hpa
3. 检查文件权限：确保/tftpboot/zImage可读
4. 检查防火墙：sudo ufw status

5.1.2 NFS挂载失败

复制代码

问题：内核启动后卡在NFS挂载
解决：
1. 检查NFS服务：sudo showmount -e localhost
2. 检查exports配置：sudo cat /etc/exports
3. 检查目录权限：确保共享目录存在且可访问
4. 检查网络配置：ip addr show

5.1.3 内核启动失败

复制代码

问题：bootz命令后系统无响应
解决：
1. 检查内核地址：确保与加载地址一致
2. 检查设备树地址：确保正确加载
3. 检查串口输出：查看错误信息
4. 检查内存配置：确保足够内存

5.1.4 环境变量丢失

复制代码

问题：重启后环境变量恢复默认
解决：
1. 确保执行saveenv保存
2. 检查存储设备：printenv boot_device
3. 检查存储空间：确保有足够空间