第3章 Bootloader与内核启动

第三章 Bootloader与内核启动：U-Boot移植与配置、Linux内核裁剪与编译、设备树（DTS）基础

各位同学，今天我们来聊聊嵌入式Linux启动过程中最关键的两个环节——Bootloader和内核启动。说实话，我在刚入行那会儿，觉得这部分特别神秘，好像系统一上电就自动跑起来了。后来自己动手做项目，才发现这里面的门道可不少。

嗯，咱们先从U-Boot说起。

3.1 U-Boot移植与配置

U-Boot，全称是Universal Bootloader。说白了，它就是嵌入式系统的"第一段程序"。CPU上电后，最先执行的就是它。它的任务很简单：初始化硬件，加载内核到内存，然后跳转过去执行。

我在项目中遇到过最头疼的事，就是U-Boot移植。不同板子的硬件配置千差万别，你得一个一个去适配。不过别怕，掌握了套路，其实也不难。

3.1.1 U-Boot的目录结构

先看看U-Boot的源码目录，我习惯先了解整体框架：

u-boot/
├── arch/          # 架构相关代码（ARM、x86、RISC-V等）
├── board/         # 板级支持包
├── common/        # 通用功能
├── drivers/       # 驱动代码
├── dts/           # 设备树文件
├── include/       # 头文件
├── net/           # 网络协议栈
├── cmd/           # 命令行命令
└── tools/         # 辅助工具

我个人建议，刚开始接触时重点关注 board/ 和 arch/ 这两个目录。因为移植工作主要就是改这两个地方。

3.1.2 移植U-Boot的基本步骤

移植U-Boot，说白了就是让它在你的板子上能跑起来。我总结了一下，核心就三步：

选择参考板：找一个和你硬件最接近的板子作为起点
修改板级配置：调整内存、时钟、外设等参数
编译验证：烧录到板子上看能不能跑

举个例子，假设我们要为一块基于i.MX6ULL的板子移植U-Boot：

# 1. 配置
make mx6ull_14x14_evk_defconfig

# 2. 修改板级文件
# 编辑 board/freescale/mx6ullevk/mx6ullevk.c
# 修改DDR配置、GPIO初始化等

# 3. 编译
make -j4

小技巧：我刚开始做移植时，经常忘记修改时钟配置。结果U-Boot跑起来后，串口输出全是乱码。后来我养成了一个习惯——先确认时钟树，再改其他配置。你想想看，时钟不对，啥都白搭。

3.1.3 U-Boot的配置系统

U-Boot使用Kconfig配置系统，和Linux内核类似。你可以通过 make menuconfig 来图形化配置：

make menuconfig

这里我建议重点关注几个配置项：

配置项	说明	我的建议
CONFIG_BOOTDELAY	启动延时（秒）	调试时设为3，量产时设为0
CONFIG_BOOTCOMMAND	默认启动命令	根据你的存储介质设置
CONFIG_SYS_TEXT_BASE	U-Boot加载地址	要和硬件设计匹配

注意：我曾经因为CONFIG_SYS_TEXT_BASE设置错误，导致U-Boot加载到内存后和别的程序冲突，系统直接死机。这个地址一定要和你的内存布局对应好，别想当然。

3.2 Linux内核裁剪与编译

U-Boot跑起来后，下一步就是加载Linux内核。但内核本身很大，动辄几十兆。对于嵌入式设备来说，存储空间和内存都有限，所以我们需要裁剪内核。

说白了，内核裁剪就是去掉你不需要的功能。比如你的设备没有WiFi，那就把WiFi驱动去掉。没有USB，就把USB子系统去掉。这样内核体积能小很多。

3.2.1 获取内核源码

从kernel.org下载，或者用芯片厂商提供的BSP包。我个人习惯用厂商的BSP，因为已经针对硬件做了优化：

# 以Linux 5.10为例
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.10.tar.xz
tar -xf linux-5.10.tar.xz
cd linux-5.10

3.2.2 配置内核

内核配置有三种方式：

make defconfig：默认配置，适合快速上手
make menuconfig：图形化配置，我最常用
make savedefconfig：保存最小配置

我建议先用 make defconfig 生成基础配置，再用 make menuconfig 手动裁剪：

# 生成默认配置
make ARCH=arm defconfig

# 图形化裁剪
make ARCH=arm menuconfig

在menuconfig界面里，我通常会重点检查这几个地方：

General setup：关闭调试选项
Device Drivers：只保留需要的驱动
File systems：只保留需要的文件系统
Networking support：按需裁剪网络协议栈

经验之谈：我做过一个项目，客户要求内核体积控制在2MB以内。一开始觉得不可能，后来把不用的驱动、文件系统、网络协议全去掉，最后内核只有1.8MB。你想想看，裁剪的空间其实很大。

3.2.3 编译内核

配置完成后，就可以编译了：

# 编译内核镜像
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j4 zImage

# 编译设备树
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j4 dtbs

# 编译内核模块
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j4 modules

编译完成后，你会得到几个关键文件：

arch/arm/boot/zImage：压缩后的内核镜像
arch/arm/boot/dts/xxx.dtb：设备树二进制文件
模块文件：.ko文件，需要安装到根文件系统

3.3 设备树（DTS）基础

设备树，英文叫Device Tree，简称DTS。它是什么？说白了，就是描述硬件信息的配置文件。

在早期Linux版本里，硬件信息都硬编码在内核代码里。换一块板子就得改内核代码，非常麻烦。设备树出现后，硬件描述和内核代码分开了。你换板子，只需要改设备树文件就行。

3.3.1 设备树的基本结构

设备树文件以 .dts 为后缀，编译后生成 .dtb 文件。它的结构是树状的：

/dts-v1/;

/ {
    model = "My Board";
    compatible = "vendor,myboard";

    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;

    memory@80000000 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x80000000 0x10000000>;  // 256MB内存
    };

    chosen {
        bootargs = "console=ttymxc0,115200";
    };

    soc {
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;
        ranges;

        uart1: serial@02020000 {
            compatible = "fsl,imx6ul-uart";
            reg = <0x02020000 0x4000>;
            interrupts = <0 26 4>;
            status = "okay";
        };

        gpio1: gpio@0209c000 {
            compatible = "fsl,imx6ul-gpio";
            reg = <0x0209c000 0x4000>;
            interrupts = <0 66 4>;
            gpio-controller;
            #gpio-cells = <2>;
        };
    };
};

嗯，这里有几个关键概念：

节点（node）：用 {} 包裹的硬件设备描述
属性（property）：节点的具体参数，如 compatible、reg
标签（label）：如 uart1:，方便在其他地方引用

3.3.2 常用属性说明

属性	说明	示例
compatible	设备兼容性字符串	"fsl,imx6ul-uart"
reg	寄存器地址和大小	<0x02020000 0x4000>
interrupts	中断号、类型	<0 26 4>
status	设备状态（okay/disabled）	"okay"

避坑指南：我曾经在写设备树时，把 reg 属性的地址写错了。结果内核启动时，驱动去访问错误的地址，系统直接panic。后来我养成了一个习惯——写设备树时，一定对照芯片手册确认寄存器地址。

3.3.3 设备树的编译与使用

设备树源文件需要编译成二进制文件才能被内核使用：

# 编译设备树
dtc -I dts -O dtb -o myboard.dtb myboard.dts

# 反编译（调试用）
dtc -I dtb -O dts -o myboard.dts myboard.dtb

在U-Boot中，加载设备树的命令是这样的：

# 从SD卡加载设备树
fatload mmc 0:1 0x83000000 myboard.dtb

# 启动内核时传递设备树
bootz 0x80800000 - 0x83000000

这里要注意，设备树的加载地址不能和内核镜像重叠。我一般习惯把内核放在 0x80800000，设备树放在 0x83000000，中间留出足够空间。

3.4 启动流程总结

好了，我们把整个启动流程串起来看看：

上电：CPU从ROM中执行固化代码
U-Boot启动：初始化DDR、时钟、串口等
加载内核：从存储介质读取zImage到内存
加载设备树：读取dtb文件到内存
跳转到内核：U-Boot传递启动参数，跳转到内核入口
内核启动：解压内核，解析设备树，初始化驱动
挂载根文件系统：启动init进程，进入用户空间

嗯，这一章的内容就到这里。说实话，Bootloader和内核启动这部分，刚开始会觉得有点复杂。但只要你动手做一遍，把U-Boot烧到板子上，看着串口输出一行行信息，那种成就感还是很棒的。

下一章我们会讲根文件系统的构建，到时候再聊。

📚 课程目录

第三章 Bootloader与内核启动：U-Boot移植与配置、Linux内核裁剪与编译、设备树（DTS）基础

3.1 U-Boot移植与配置

3.1.1 U-Boot的目录结构

3.1.2 移植U-Boot的基本步骤

3.1.3 U-Boot的配置系统

3.2 Linux内核裁剪与编译

3.2.1 获取内核源码

3.2.2 配置内核

3.2.3 编译内核

3.3 设备树（DTS）基础

3.3.1 设备树的基本结构

3.3.2 常用属性说明

3.3.3 设备树的编译与使用

3.4 启动流程总结