ARM開發板實現雙系統引導的一種方法——基於迅為iTOP-4412開發板

前言

　　本文所用的uboot程式碼為迅為官方提供，開發板是迅為iTOP-4412開發板。本文如有錯誤，歡迎指正。

　　首先，我們確定一下系統啟動的流程：首先啟動uboot，uboot啟動內核並掛載rootfs(根文件系統)，內核啟動完成且rootfs工作完成後，掛載emmc上的文件系統，作業系統正式開始工作。（讀者要弄懂根文件系統和普通文件系統的區別與聯繫，網上資料很多，本文不作贅述。）

　　本文實現的雙系統引導，都是基於Linux的，即兩個系統使用同一個內核、同一個根文件系統，只是emmc上的文件系統有所不同。第一個系統是一個最小Linux系統，第二個系統是一個帶Qt/E的Linux系統。uboot啟動後會從mmcblk0p4分區中讀取一定長度的字元串，若字元串是「qte」，則啟動帶Qt/E的Linux系統；若字元串是「lin」，則啟動最小Linux系統。

1.分區資訊

　　

 

　　上圖是emmc的分區資訊。可以看到，分成了兩個部分「Raw區域」和「主要分區」。Raw區域中我們主要關注bootloader、kernel、ramdisk這三個分區。ramdisk中存放根文件系統(rootfs)，kernel中存放內核，bootloader中存放uboot。在主要分區中，mmcblk0p1指的是emmc的第一個分區，mmcblk0p2指的是emmc的第二個分區，mmcblk0p3指的是emmc的第三個分區，mmcblk0p4指的是emmc的第四個分區。mmcblk0指emmc，mmcblk1指SD卡。

　　(1) 打開開發板和串口終端，摁回車進入uboot模式，在串口終端輸入命令「fdisk -p mmc」，可以看到開發板emmc的「主要分區」資訊，如下圖所示。

　　

 

　　mmcblk0p1佔12536MB，mmcblk0p2佔1024MB，mmcblk0p3佔1024MB，mmcblk0p4佔300MB。

　　(2) 在串口終端輸入命令「fastboot」，可以看到「Raw區域」和「主要分區」的詳細資訊，如下圖所示。

　　

　　其中，「bootloader」、「kernel」、「ramdisk」、「Recovery」分別對應「Raw區域」中的四個分區，「system」、「userdata」、「cache」、「fat」分別對應「主要分區」中的mmcblk0p2、mmcblk0p3、mmcblk0p4、mmcblk0p1四個分區。「system」中存放的就是作業系統的文件系統，在默認情況下，uboot引導起內核，內核啟動完成後，會掛載位於「system」中的文件系統。要實現雙系統引導，我們可以把第一個系統存放在「system」分區中，把第二個系統存放在「userdata」分區中，在啟動時，讓內核在兩個分區的文件系統中進行選擇。

　　(3) 在串口終端輸入命令「printenv」，可以看到環境變數資訊，如下圖所示。

　　

　　這裡我們主要分析「bootcmd=movi read kernel 40008000;movi read rootfs 40df0000 100000;bootm 40008000 40df0000」這個語句，該語句的作用是把「movi read kernel 40008000;movi read rootfs 40df0000 100000;bootm 40008000 40df0000」賦給bootcmd變數。

　　而bootcmd變數的值就是uboot啟動後要執行的命令：先把內核從kernel分區中讀取到記憶體的0x40008000處；再從ramdisk分區中（此處的rootfs分區實際就是指ramdisk分區，因為uboot判斷分區時只判斷首字母，所以即使寫rootfs，仍然會導向ramdisk分區，這裡寫成rootfs是為了方便用戶理解）讀取0x100000個位元組到記憶體的0x40df0000處；最後使用bootm命令，啟動(掛載)已經讀取到記憶體中的內核和根文件系統。

　　在正常情況下，環境變數中還應有一個bootargs變數，bootargs的值就是uboot要傳遞給內核的參數，但是在上圖的環境變數資訊中並沒有發現它，所以我們猜測迅為給的uboot源碼中並沒有給bootargs變數賦值。

2.uboot源碼分析

　　(1) 在uboot源碼的「iTop4412_uboot/include/movi.h」文件中可以看到Raw區域的資訊，如下。　　

#define MAGIC_NUMBER_MOVI    (0x24564236)

#define SS_SIZE            (16 * 1024)

#define eFUSE_SIZE        (1 * 512)    // 512 Byte eFuse, 512 Byte reserved

#define MOVI_BLKSIZE        (1<<9) 
//mj defined
#define FWBL1_SIZE        (8* 1024) //IROM BL1 SIZE 8KB
#define BL2_SIZE        (16 * 1024)//uboot BL2 16KB

/* partition information */
#define PART_SIZE_UBOOT        (495 * 1024)
#define PART_SIZE_KERNEL    (6 * 1024 * 1024)   

#define PART_SIZE_ROOTFS    (2 * 1024 * 1024)//  2M
#define RAW_AREA_SIZE        (16 * 1024 * 1024)// 16MB

#define MOVI_RAW_BLKCNT        (RAW_AREA_SIZE / MOVI_BLKSIZE)   
#define MOVI_FWBL1_BLKCNT    (FWBL1_SIZE / MOVI_BLKSIZE)    
#define MOVI_BL2_BLKCNT        (BL2_SIZE / MOVI_BLKSIZE)    
#define MOVI_ENV_BLKCNT        (CONFIG_ENV_SIZE / MOVI_BLKSIZE)    
#define MOVI_UBOOT_BLKCNT    (PART_SIZE_UBOOT / MOVI_BLKSIZE)
#define MOVI_ZIMAGE_BLKCNT    (PART_SIZE_KERNEL / MOVI_BLKSIZE)
#define ENV_START_BLOCK        (544*1024)/MOVI_BLKSIZE

#define MOVI_UBOOT_POS        ((eFUSE_SIZE / MOVI_BLKSIZE) + MOVI_FWBL1_BLKCNT + MOVI_BL2_BLKCNT)

#define MOVI_ROOTFS_BLKCNT    (PART_SIZE_ROOTFS / MOVI_BLKSIZE)

　　Raw區域總大小為16MB，包含了BL1、BL2、環境變數、內核、rootfs、uboot等資訊。我們主要關注kernel、rootfs、uboot這三部分。內核存放在kernel分區中，根文件系統(rootfs)存放在ramdisk分區中、uboot存放在bootloader分區中。

　　(2) 而對「Raw區域」和「主要分區」的操作，則在「iTop4412_uboot/common/cmd_fastboot.c」文件的「set_partition_table_sdmmc」函數中，如下(請看注釋)。　　　

static int set_partition_table_sdmmc()
{
    int start, count;
    unsigned char pid;

    pcount = 0;

#if defined(CONFIG_FUSED)
    /* FW BL1 for fused chip */
    strcpy(ptable[pcount].name, "fwbl1");
    ptable[pcount].start = 0;
    ptable[pcount].length = 0;
    ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MOVI_CMD;
    pcount++;
#endif

    /* Bootloader */
    strcpy(ptable[pcount].name, "bootloader");    //Raw區域中的bootloader分區，存放uboot
    ptable[pcount].start = 0;
    ptable[pcount].length = 0;
    ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MOVI_CMD;
    pcount++;

    /* Kernel */
    strcpy(ptable[pcount].name, "kernel");    //Raw區域中的kernel分區，存放內核
    ptable[pcount].start = 0;
    ptable[pcount].length = 0;
    ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MOVI_CMD;
    pcount++;

    /* Ramdisk */
    strcpy(ptable[pcount].name, "ramdisk");    //Raw區域中的ramdisk分區，存放rootfs(根文件系統)
    ptable[pcount].start = 0;
    ptable[pcount].length = 0x300000;
    ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MOVI_CMD;
    pcount++;

    /* Recovery*/
    #ifdef CONFIG_RECOVERY //mj 
    strcpy(ptable[pcount].name, "Recovery");    //Raw區域中的Recovery分區
    ptable[pcount].start = 0;
    ptable[pcount].length = 0x600000; //6MB
    ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MOVI_CMD;
    pcount++;

    /* System */
    get_mmc_part_info((dev_number_write == 0)?"0":"1", 2, &start, &count, &pid);    //主要分區中的mmcblk0p2分區，存放作業系統的文件系統
    if (pid != 0x83)
        goto part_type_error;
    strcpy(ptable[pcount].name, "system");
    ptable[pcount].start = start * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
    ptable[pcount].length = count * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
    ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MMC_CMD;
    pcount++;

    /* User Data */
    get_mmc_part_info((dev_number_write == 0)?"0":"1", 3, &start, &count, &pid);    //主要分區中的mmcblk0p3分區
    if (pid != 0x83)
        goto part_type_error;
    strcpy(ptable[pcount].name, "userdata");
    ptable[pcount].start = start * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
    ptable[pcount].length = count * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
    ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MMC_CMD;
    pcount++;

    /* Cache */
    get_mmc_part_info((dev_number_write == 0)?"0":"1", 4, &start, &count, &pid);    //主要分區中的mmcblk0p4分區
    if (pid != 0x83)
        goto part_type_error;
    strcpy(ptable[pcount].name, "cache");
    ptable[pcount].start = start * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
    ptable[pcount].length = count * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
    ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MMC_CMD;
    pcount++;

    /* Fat */
    get_mmc_part_info((dev_number_write == 0)?"0":"1", 1, &start, &count, &pid);    //主要分區中的mmcblk0p1分區
    if (pid != 0xc)
        goto part_type_error;
    strcpy(ptable[pcount].name, "fat");
    ptable[pcount].start = start * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
    ptable[pcount].length = count * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
    ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MMC_CMD;
    pcount++;

#if 1 // Debug
    fastboot_flash_dump_ptn();
#endif

    LCD_setleftcolor(0x8a2be2);

    return 0;

part_type_error:
    printf("Error: No MBR is found at SD/MMC.\n");
    printf("Hint: use fdisk command to make partitions.\n");

    return -1;
}

　　(3) 在「iTop4412_uboot/board/samsung/smdkc210/smdkc210.c」文件的「board_late_init」函數中，可以看到關於bootcmd變數的資訊，如下。　　　　

int board_late_init (void)
{
    int ret = check_bootmode();
    if ((ret == BOOT_MMCSD || ret == BOOT_EMMC441 || ret == BOOT_EMMC43 )
                && boot_mode == 0) {
        //printf("board_late_init\n");
        char boot_cmd[100];

#if 0
        sprintf(boot_cmd, "movi read kernel 40008000;movi read rootfs 40d00000 100000;bootm 40008000 40d00000");    //這條語句不會編譯
#else
#ifdef SMDK4412_SUPPORT_UBUNTU
        sprintf(boot_cmd, "movi read kernel 40008000;bootm 40008000 40d00000");    //這條語句不會編譯
#else
        sprintf(boot_cmd, "movi read kernel 40008000;movi read rootfs 40df0000 100000;bootm 40008000 40df0000");    //只有這條關於bootcmd變數的語句會編譯
#endif
#endif
/* end modify */
        setenv("bootcmd", boot_cmd);
        //setenv("bootargs", "root=/dev/mmcblk0p2");
        }

    return 0;
}

 3.修改uboot源碼

　　大概思路已經在前面講過，為了方便讀者理解，再詳述一下雙系統引導的思路。兩個系統共用同一套uboot、內核、rootfs(根文件系統)，在mmcblk0p2分區中存放一個系統，在mmcblk0p3中存放另一個系統，uboot每次啟動時，會從mmcblk0p4分區中讀取定長的字元串，根據字元串的內容來決定該引導哪一個系統。

　　(1) 打開「iTop4412_uboot/common/cmd_fastboot.c」文件，修改「set_partition_table_sdmmc」函數中有關mmcblk0p2分區和mmcblk0p3分區的命名部分(只修改分區名稱，其他的不做修改)，將原先的「system」和「userdata」兩個分區名稱改為「system_linux」和「system_qte」，方便記憶。　　　　

　　/* Linux System */
    get_mmc_part_info((dev_number_write == 0)?"0":"1", 2, &start, &count, &pid);    //主要分區中的mmcblk0p2分區，用於存放最小Linux系統
    if (pid != 0x83)
        goto part_type_error;
    strcpy(ptable[pcount].name, "system_qte");　　//分區名改為system_qte
    ptable[pcount].start = start * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
    ptable[pcount].length = count * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
    ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MMC_CMD;
    pcount++;

    /* Qt/E System */
    get_mmc_part_info((dev_number_write == 0)?"0":"1", 3, &start, &count, &pid);    //主要分區中的mmcblk0p3分區，用於存放Qt/E系統
    if (pid != 0x83)
        goto part_type_error;
    //strcpy(ptable[pcount].name, "userdata");
    strcpy(ptable[pcount].name, "system_linux");    //分區名改為system_linux
    ptable[pcount].start = start * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
    ptable[pcount].length = count * CFG_FASTBOOT_SDMMC_BLOCKSIZE;
    ptable[pcount].flags = FASTBOOT_PTENTRY_FLAGS_USE_MMC_CMD;
    pcount++;

 　　(2) 打開「iTop4412_uboot/common/main.c」文件，在「main_loop」函數中添加如下程式碼　　

    char bootargstr[10];
    run_command("mmc read 0 40008000 408000 10", 0);    //從emmc的0x408000塊處讀取0x10個塊的數據到記憶體的0x40008000處，至於為什麼從emmc的0x408000處讀，請看後文的解析
    memcpy(bootargstr, (char*)0x40008000, 3);    //把讀取到的數據賦給bootargstr
    if(!strncmp(bootargstr, "qte", 3))    //判斷bootargstr的內容，如果是字元串「qte」
        sprintf(bootargstr, "root=/dev/mmcblk0p2");    //把mmcblk0p2設置為系統的根，即啟動帶Qt/E的Linux系統
    else
        sprintf(bootargstr, "root=/dev/mmcblk0p3");    //把mmcblk0p3設置為根，即啟動最小Linux系統
    setenv("bootargs", bootargstr);    //設置環境變數bootargs，把bootargstr字元串的內容賦給環境變數bootargs

 　　添加位置如下圖所示。

　　

　　為什麼要從emmc的0x408000塊處讀字元串呢？首先我們明確一下「mmc read」命令的用法：mmc read <device num> addr blk# cnt [partition]，即從某設備的第blk#個塊(一個塊為512B)開始，讀取cnt個塊的數據，將數據存放到記憶體的addr位置。其次，在前文中我們曾經獲取過emmc的「主要分區」資訊，如下圖

　　

　　可以看到mmcblk0p4分區的起始塊(block start #)是4227072，這是個十進位數，我們把它轉換為十六進位，便得到了0x408000。

 4.編譯和燒寫

 　　(1) 編譯修改後的uboot，用fastboot工具將其燒寫到開發板中。

　　

　　燒寫完成後，重啟開發板，並進入uboot模式。在串口終端輸入命令「printenv」，可以看到環境變數中又添加了一個bootargs變數，它是用來告訴內核要掛載哪個分區中的文件系統的，掛載不同的文件系統，就實現了不同系統的引導。根據bootargs變數的值可知，目前要引導的系統是位於mmcblk0p3分區中的系統，即最小Linux系統。

　　

　　在串口終端輸入命令「fastboot」，可以看到原先的「system」和「userdata」分區名稱已經被修改為「system_qte」和「system_linux」，如下圖所示。

　　

　　(2) 用fastboot工具把兩個系統分別燒寫進各自的分區中，如下圖所示。

　　

　　(3) 重啟開發板（不要進入uboot模式），可以看到開發板進入到了最小Linux系統。

　　在串口終端輸入命令「echo “qte” > /dev/mmcblk0p4」，該命令表示向mmcblk0p4分區的起始位置寫入字元串「qte」

　　

　　然後重啟開發板，可以看到開發板進入到了Qt/E系統。

　　再在串口終端輸入命令「「echo “lin” > /dev/mmcblk0p4」」，該命令表示向mmcblk0p4分區的起始位置寫入字元串「lin」

　　

　　重啟開發板，可以看到開發板又回到了最小Linux系統。

　　雙系統引導成功！

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