一、U-Boot 是什么？
U-Boot 是一个裸机程序 ，属于 bootloader 的一种。它的核心作用是引导 Linux 或其他操作系统 ，最主要的工作是初始化 DDR 内存，因为操作系统内核需要在 DDR 中运行。
二、系统整体启动流程
芯片上电
↓
BootROM（芯片内部ROM）
↓
BL1 / SPL（片上SRAM）
↓
BL2 / U-Boot（DDR）
↓
Linux Kernel（DDR）
↓
Rootfs（存储设备）| 阶段 | 运行位置 | 主要作用 |
|---|---|---|
| BootROM | 芯片内部ROM | 启动第一级程序（芯片厂商固化，不可修改） |
| BL1 / SPL | 片上SRAM | 初始化基础硬件（时钟、DDR），为加载完整U-Boot做准备 |
| BL2 / U-Boot | DDR | 完成全部系统初始化，引导Linux内核 |
| Kernel | DDR | 启动Linux操作系统 |
| Rootfs | 存储设备（eMMC/NAND/SD等） | 提供用户空间和应用程序运行环境 |
三、基本引导流程详解（多级启动）
1. BootROM（芯片厂商固化）
- 位置：芯片内部ROM，物理不可修改。
- 上电后CPU首先执行BootROM，不依赖任何外部存储。
- 主要工作 ：
- CPU最基础初始化：复位处理、设置基本运行状态、初始化关键寄存器。
- 根据配置引脚或启动介质选择器，查找并确定启动设备（SPI Flash、NAND Flash、eMMC、SD卡等）。
- 从选定的启动设备中加载第一级Bootloader（BL1/SPL） 到内部SRAM，然后跳转执行。
2. 为什么需要多级启动？
内部SRAM容量有限（通常几十KB~几百KB），而DDR在启动初期尚未初始化。 因此需要分阶段加载，先用小体积的SPL初始化DDR，再将完整的U-Boot加载到DDR中运行。
3. 启动链
ROM → SPL → U-Boot → Linux
(BL1) (BL2)每一级负责加载并验证（可选）下一级，将控制权逐级传递。
四、U-Boot 的代码执行阶段
U-Boot 被 SPL 加载到DDR后，其内部执行流程分为以下四个阶段：
① 汇编阶段 (start.S)
↓
② C语言阶段（重定位前）(board_init_f)
↓
③ 重定位阶段 (relocate_code)
↓
④ C语言阶段（重定位后）(board_init_r → main_loop)① 汇编阶段（start.S）
- 入口文件 ：
arch/arm/cpu/armv8/start.S（以ARM64为例） - 主要工作 ：
- 设置异常向量表
- 关闭中断、关闭MMU、关闭Cache
- 初始化C运行环境（设置栈指针）
- 最终跳转 ：
board_init_f()
② C语言阶段------重定位前（board_init_f）
- 入口函数 ：
common/board_f.c中的board_init_f() - 阶段特点：此时U-Boot已在运行，但尚未搬到DDR中的最终运行地址。
- 主要任务 ：
- 初始化串口、定时器等基础硬件
- 初始化全局数据结构（GD，Global Data），包含CPU信息、内存信息、环境变量地址、重定位地址等
- 规划内存布局，计算U-Boot在DDR顶部的重定位目标地址
- 结束 ：调用
relocate_code()进入重定位
③ 重定位阶段（relocate_code）
- 主要工作 ：
- 将U-Boot代码从当前运行位置（通常为SRAM或DDR底部临时区域）搬移到DDR中规划好的最终运行地址（通常在高地址处）
- 修正代码中的重定位地址偏移
- 更新运行环境（如全局数据结构中的指针）
- 跳转到新地址继续执行
重定位的目的：将U-Boot放到DDR的高端地址，把低端内存留给内核使用，避免地址冲突。
④ C语言阶段------重定位后（board_init_r → main_loop）
- 入口函数 ：
common/board_r.c中的board_init_r() - 阶段特点：U-Boot已运行在DDR中，拥有完整的运行环境。
- 主要任务 ：
- 初始化所有外设和驱动（MMC、NAND、网络、USB等）
- 加载并解析环境变量（从存储介质中读取）
- 最终进入 ：
main_loop()（U-Boot命令行主循环），等待用户输入或自动执行bootcmd启动内核。
五、引导 Linux 内核
1. U-Boot在Linux启动中的作用
准备Linux运行环境（内存、设备树、启动参数），然后跳转到Linux内核入口执行，U-Boot不再控制CPU。
2. 启动前准备
| 内容 | 作用 | 存放位置 |
|---|---|---|
| Kernel镜像 | Linux内核程序（Image/uImage/zImage） | DDR中指定地址 |
| DTB设备树 | 描述硬件平台信息（外设、中断、内存映射等） | DDR中指定地址 |
| bootargs启动参数 | 告诉Linux根文件系统位置、控制台、内存配置等 | 通过DTB的chosen节点传递 |
3. 引导执行流程
text
booti / bootm 命令
↓
检查Kernel镜像格式（magic number、头部信息）
↓
准备启动参数（从环境变量 bootargs 获取）
↓
传递DTB地址给内核（通过寄存器 x0/x1/x2 或约定地址）
↓
跳转到Kernel入口地址（CPU完全交给Linux）
↓
Linux接管CPU，U-Boot不再控制4. Kernel镜像加载方式（将内核放入DDR）
| 加载方式 | 示例命令 |
|---|---|
| eMMC / SD（FAT分区） | fatload mmc 0:1 0x42000000 Image |
| eMMC / SD（EXT4分区） | ext4load mmc 0:2 0x42000000 Image |
| TFTP网络加载 | tftp 0x42000000 Image |
| NAND Flash | nand read 0x42000000 0x100000 0x400000（读NAND偏移0x100000，大小0x400000） |
5. 关键信息传递：设备树与 bootargs
- 设备树（DTB） ：通过
booti或bootm命令的第三个参数传递DTB地址，内核启动时解析DTB获取硬件信息。 - 启动参数（bootargs） ：通过DTB的
chosen节点传递，本质是一个字符串，常见格式如下：
| 参数 | 作用 | 示例 |
|---|---|---|
console |
指定Linux控制台串口及波特率 | console=ttyS0,115200 |
root |
指定根文件系统位置 | root=/dev/mmcblk0p2 |
rootfstype |
指定根文件系统类型 | rootfstype=ext4 |
rw / ro |
根文件系统挂载为读写/只读 | rw |
示例bootargs：
text
console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw rootfstype=ext46. 分区表
分区表描述存储设备（eMMC、NAND、SD卡）上各区域的位置和大小，为U-Boot提供寻址依据（如内核在哪个分区、设备树在哪个分区）。常见分区信息包括：分区名称、起始地址、大小、文件系统类型、分区编号。
分区表本身不直接传给内核，而是通过 bootargs 中的
root=/dev/mmcblk0pX等方式让内核知道根文件系统位置。
六、U-Boot 环境变量与常用操作
⚠️ 注意 ：以下命令均在 U-Boot Shell（命令行环境） 中执行，而非Linux系统内部。
1. 环境变量管理
- 存储位置：eMMC的boot分区、NAND Flash、SPI Flash等（取决于配置）。
- 核心环境变量：
| 变量 | 作用 |
|---|---|
bootcmd |
自启动命令（开机自动执行） |
bootargs |
传递给Linux的启动参数 |
serverip |
TFTP服务器IP（即开发电脑IP） |
ipaddr |
开发板自身IP |
loadaddr |
镜像加载到DDR的默认地址 |
2. 环境变量操作命令
| 操作 | 命令示例 |
|---|---|
| 查看所有变量 | printenv |
| 查看单个变量 | printenv bootcmd |
| 修改变量 | setenv bootargs "console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2" |
| 保存变量 | saveenv（写入存储介质） |
3. Flash / 存储操作
| 命令 | 功能 | 示例 |
|---|---|---|
mmc list |
列出MMC设备 | mmc list |
mmc dev <n> |
选择MMC设备 | mmc dev 0 |
mmc read |
从MMC读取 | mmc read 0x42000000 0x800 0x1000（块号0x800，块数0x1000） |
sf probe |
初始化SPI Flash | sf probe |
sf read |
从SPI Flash读取 | sf read 0x42000000 0x100000 0x400000 |
nand info |
查看NAND信息 | nand info |
nand read |
从NAND读取 | nand read 0x42000000 0x100000 0x400000 |
4. 网络操作
| 命令 | 功能 | 示例 |
|---|---|---|
setenv serverip |
设置TFTP服务器IP | setenv serverip 192.168.1.100 |
setenv ipaddr |
设置开发板IP | setenv ipaddr 192.168.1.50 |
tftp |
通过TFTP下载文件到DDR | tftp 0x42000000 Image |
ping |
测试网络连通性 | ping 192.168.1.100 |
5. 内存 / 文件系统操作
| 命令 | 功能 | 示例 |
|---|---|---|
md |
读内存（dump） | md.l 0x42000000 10（以32位读10个数据） |
mw |
写内存 | mw.l 0x42000000 0x12345678 1 |
fatload |
从FAT分区加载文件 | fatload mmc 0:1 0x42000000 Image |
ext4load |
从EXT4分区加载文件 | ext4load mmc 0:2 0x42000000 Image |
6. 引导操作
| 命令 | 适用架构 | 用法 |
|---|---|---|
booti |
ARM64 | booti <内核地址> <initrd地址> <设备树地址> |
示例：booti 0x42000000 - 0x43000000（-表示无initrd） |
||
bootm |
ARM32（支持设备树） | bootm <内核地址> [initrd地址] [设备树地址] |
示例：bootm 0x42000000 - 0x43000000 |
七、安全启动（Secure Boot）
- 核心思想：建立信任链，防止未经授权的代码运行。从芯片内部不可修改的信任根（Root of Trust）开始，逐级验证后续镜像的签名。
- 信任根：系统中最初可信的软件或硬件基础，即BootROM内固化的公钥或公钥哈希。
- 验证链：
text
BootROM（固化公钥） → 验证SPL签名 → SPL
SPL（携带公钥） → 验证U-Boot签名 → U-Boot
U-Boot（携带公钥） → 验证内核签名 → 内核（FIT Image）- 关键技术 ：
- 镜像签名 ：使用私钥对镜像生成数字签名，设备端用公钥验证，确认镜像完整未被篡改 且来源可信。
- 验证流程：计算镜像Hash值 + 用公钥解密签名比对Hash，两者一致则验证通过。
- FIT Image：U-Boot提供的一种带有描述信息（.its文件）和数字签名支持的镜像格式，可同时包含内核、设备树、ramdisk等多个组件，统一管理并签名。
八、补充说明
U-Boot 与 Linux 的命令区分
| 环境 | 提示符 | 常见命令示例 |
|---|---|---|
| U-Boot Shell | => |
printenv、setenv、fatload、booti |
| Linux Shell | # 或 $ |
ls、cat、ifconfig、mount |
两者命令完全不同，不要混淆。 U-Boot中不存在 ls、cat 等Linux命令。
常见术语解释
| 术语 | 解释 |
|---|---|
| SPL（Secondary Program Loader） | 二级加载器，在SRAM中运行，负责初始化DDR并加载完整U-Boot |
| SRAM | 芯片内部静态随机存储器，容量小但速度快，上电即可使用 |
| DDR | 外部动态随机存储器，容量大，需初始化后才能使用 |
| DTB（Device Tree Blob） | 设备树二进制文件，描述硬件信息 |
| FIT（Flattened Image Tree） | U-Boot的统一镜像格式，支持多组件打包和签名 |