2022 April 17 PageView:

为树莓派3B+型号增加u-boot的支持

材料

2022-01-28-raspios-bullseye-armhf-lite.img
2022-04-04-raspios-bullseye-arm64-lite.img
Raspberry 3B+ 主板一块
32GB tf卡两张
tf卡读卡器一个
CH341A UART转USB转接板一块
杜邦线若干
安装UBUNTU的PC机一台（虚拟机）
u-boot-2022.04.tar.bz2
linux-rpi-5.15.y.zip

给tf卡刷写官方镜像

直接刷写

在刷写之前，首先要判断tf卡是哪个设备，如/dev/sdb。接下来通过dd命令直接刷写img到tf卡, 命令如下

dd if=2022-01-28-raspios-bullseye-armhf-lite.img of=/dev/sdb bs=1M status=progress && sync

手动分区

通过fdisk命令，把tf卡分两个分区，第一个分区大小为256M, 第二个分区为剩余空间第一个分区格式化为fat32（注意，fat32分区最好在windows下格式化，因为linux 使用mkfs.vfat 格式化为fat16）第二个分区格式化为ext4

该部分我在“自己制作树莓派启动盘”有写过，这里不再赘述。

使能UART串口打印

使能bootcode串口打印

sed -i 's/BOOT_UART=0/BOOT_UART=1/' bootcode.bin

使能UART

在config.txt中配置enable_uart=1

rpi 3b+的串口知识

rpi 3b+有两个UART，一个是ttyAMA0, 一个是ttyS0，另外还有两个链接文件指向这两个设备，serial0和serial1，默认情况下/dev/serial0 –> /dev/ttyS0, /dev/serial1 –> /dev/ttyAMA0，serial0用于串口通信，serial1用于蓝牙通信。ttyAMA0比ttyS0稳定。可以通过设备树修改这两个串口的关系，让串口用ttyAMA0，让蓝牙用ttyS0。也可以通过在config.txt中配置dtoverlay=pi3-disable-bt，让/dev/serial0 –> /dev/ttyAMA0, /dev/serial1 –> /dev/ttyS0。

刷写镜像并使能UART后，启动系统，第一次启动时，init为一个脚本，该脚本会初始化一些设置，完成之后，会自动重启。

重启过程中，串口打印里有两个信息要重点关注

MESS:00:00:02.626431:0: Loading 'bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb' to 0x100 size 0x7a22

这个设备树信息用于传给kernel指定的对象，默认是kernel7l.img, 而如果kernel=u-boot.bin, 那这个文件就是传给u-boot。

[    0.000000] Kernel command line: coherent_pool=1M 8250.nr_uarts=1 snd_bcm2835.enable_compat_alsa=0 snd_bcm2835.enable_hdmi=1 video=Composite-1:720x480@60i vc_mem.mem_base=0x3ec00000 vc_mem.mem_size=0x40000000  console=ttyS0,115200 console=tty1 root=PARTUUID=73ccfd8e-02 rootfstype=ext4 fsck.repair=yes rootwait

这个是内核启动的默认配置，在制作boot.scr.uimg时有用到。

编译并使用u-boot启动

编译并配置32位u-boot

编译

apt install gcc-arm-linux-gnueabi
apt install device-tree-compiler

编译器版本信息如下

gcc-arm-linux-gnueabi is already the newest version (4:11.2.0-2).
device-tree-compiler is already the newest version (1.6.1-1).

编译命令

export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
make distclean
make rpi_3_32b_defconfig
make -j8

配置
编译完成后，生成u-boot.bin文件，这个文件是裸机二进制文件。

把u-boot.bin拷贝到tf卡的boot分区;
把boot分区的bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb重命名为bcm2710-rpi-3-b-plus-kernel.dtb;
把./arch/arm/dts/bcm2837-rpi-3-b-plus.dtb拷贝到tf卡的boot分区，并重命名为bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb，
制作boot.scr.uimg文件

新建一个boot.scr文件，内容如下
fatload mmc 0:1 ${kernel_addr_r} kernel7l.img
fatload mmc 0:1 ${fdt_addr} bcm2710-rpi-3-b-plus-kernel.dtb
setenv bootargs coherent_pool=1M 8250.nr_uarts=1 snd_bcm2835.enable_compat_alsa=0 snd_bcm2835.enable_hdmi=1 video=Composite-1:720x480@60i vc_mem.mem_base=0x3ec00000 vc_mem.mem_size=0x40000000  console=ttyS0,115200 console=tty1 root=/dev/mmcblk0p2 rootfstype=ext4 fsck.repair=yes rootwait
bootz ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr}

把boot.scr转化为boot.scr.uimg
./tools/mkimage -A arm -O linux -T script -C none -n boot.scr -d boot.scr boot.scr.uimg

把boot.scr.uimg文件拷贝到tf卡的boot分区;
编辑config.txt, 配置kernel=u-boot.bin
重启rpi，在u-boot启动时，读秒时按任意键，可以进入u-boot界面，代表u-boot的设备树是正常的。
内核启动后有打印，并有终端提示符，可通过pi/raspberry登录系统，即为配置成功。
登录后，可通过sudo su直接拿到root权限。

因为kernel7l.img可以通过u-boot的bootz命令启动，所以默认情况下，不需要自己编译内核。下面只介绍编译32位内核的方法。

编译32位kernel

编译命令

export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
make -C linux-rpi-5.15.y O=`pwd`/rpi-515_32 distclean
make -C linux-rpi-5.15.y O=`pwd`/rpi-515_32 bcm2835_defconfig
make -C linux-rpi-5.15.y O=`pwd`/rpi-515_32 zImage dtbs -j8

编译并配置64位u-boot

编译

apt-get install gcc-aarch64-linux-gnu

编译器版本:

gcc-aarch64-linux-gnu is already the newest version (4:11.2.0-2).

编译64位u-boot
编译命令

export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
make distclean
make rpi_arm64_defconfig
make -j8

编译64位内核
编译命令

export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
make -C linux-rpi-5.15.y O=`pwd`/rpi-515_64 distclean
make -C linux-rpi-5.15.y O=`pwd`/rpi-515_64 bcmrpi3_defconfig
make -C linux-rpi-5.15.y O=`pwd`/rpi-515_64 Image dtbs -j8

配置
64位的u-boot默认没有bootz启动命令，有booti命令，该命令支持压缩的内核或者裸机内核（也就是Image文件），经过验证发现，32位的raspbian系统，可以通过32位的u-boot启动kernel7l.img文件，但是64位的u-boot无法通过booti启动kernel8文件，基于这个原因，需要自己编译内核Image裸机内核镜像，用于u-boot引导启动。

把u-boot.bin拷贝到tf卡的boot分区;
把boot分区的bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb重命名为bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb.bak;
把./arch/arm/dts/bcm2837-rpi-3-b-plus.dtb(u-boot设备树)拷贝到tf卡的boot分区，并重命名为bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb，
制作boot.scr.uimg文件

新建一个boot.scr文件，内容如下
fatload mmc 0:1 ${kernel_addr_r} Image
fatload mmc 0:1 ${fdt_addr} bcm2710-rpi-3-b-plus-kernel.dtb
setenv bootargs initcall_debug=1 coherent_pool=1M 8250.nr_uarts=1 snd_bcm2835.enable_compat_alsa=0 snd_bcm2835.enable_hdmi=1 video=Composite-1:720x480@60i vc_mem.mem_base=0x3ec00000 vc_mem.mem_size=0x40000000  console=ttyS0,115200 console=tty1 root=/dev/mmcblk0p2 rootfstype=ext4 fsck.repair=yes rootwait
booti ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr}

把boot.scr转化为boot.scr.uimg
./tools/mkimage -A arm -O linux -T script -C none -n boot.scr -d boot.scr boot.scr.uimg

把boot.scr.uimg文件拷贝到tf卡的boot分区;
编辑config.txt, 配置kernel=u-boot.bin
把boot分区的overlays重命名为overlays.bak
进入rpi-515_64/arch/arm64/boot目录，把Image拷贝到boot分区
进入rpi-515_64/arch/arm64/boot/dts目录，把overlays拷贝到boot分区
进入rpi-515_64/arch/arm64/boot/dts/broadcom目录，把bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb（内核设备树）拷贝到boot分区，并重命名为bcm2710-rpi-3-b-plus-kernel.dtb
进入rootfs分区，修改/etc/shadow文件，把pi:*:19086:0:99999:7:::修改为pi::19086:0:99999:7:::
重启rpi，在u-boot启动时，读秒时按任意键，可以进入u-boot界面，代表u-boot的设备树是正常的。
内核启动后有打印，并有终端提示符，可通过pi登录系统，即为配置成功。
登录后，可通过sudo su直接拿到root权限。

tips：编译完内核后，当我把rpi-515_64/arch/arm64/boot/dts/broadcom/bcm2837-rpi-3-b-plus.dtb拷贝到boot分区，并重命名为bcm2710-rpi-3-b-plus-kernel.dtb时，内核启动过程中，会卡在[ 5.687754] random: crng init done，而当我把bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb拷贝到boot分区，并重命名为bcm2710-rpi-3-b-plus-kernel.dtb时，内核启动过程正常。

那些移植u-boot碰到的坑

我在给rpi 3b+移植u-boot时，碰到最多的问题就是UART串口问题，要么u-boot读秒时无法输入，要么内核没有打印信息，卡在‘Starting kernel …’，要么内核打印信息但是无法输入、无法登录。要么就是内核卡在某个地方不执行。所有的这些问题都和一个东西有关，那就是设备树。

u-boot本身也会依赖设备树，根据编译的配置决定的。在uboot的configs下面，有很多预置的编译配置，我发现在u-boot-2020.04.tar.bz2版本中编译rpi_arm64_config配置时，uboot可以在读秒时，输入字符进入uboot，而编译rpi_3_32b_defconfig时，不能输入进入uboot，这里有一个有趣的点，编译rpi_arm64_config配置时，不会编译dtb设备树文件，可以理解为这个配置下的u-boot，不依赖设备树，也正因为这样，才误打误撞能在u-boot阶段输入字符。

所以如果想要编译这种不依赖设备树的32位的u-boot，可以在configs目录下，新建一个rpi_arm32_defconfig文件，文件配置如下

CONFIG_ARM=y
CONFIG_ARCH_BCM283X=y
CONFIG_SYS_TEXT_BASE=0x00008000
CONFIG_TARGET_RPI_3_32B=y
CONFIG_SYS_MALLOC_F_LEN=0x2000
CONFIG_NR_DRAM_BANKS=2
CONFIG_DISTRO_DEFAULTS=y
CONFIG_OF_BOARD_SETUP=y
CONFIG_USE_PREBOOT=y
CONFIG_PREBOOT="usb start"
CONFIG_MISC_INIT_R=y
# CONFIG_DISPLAY_CPUINFO is not set
# CONFIG_DISPLAY_BOARDINFO is not set
CONFIG_SYS_PROMPT="U-Boot> "
CONFIG_CMD_GPIO=y
CONFIG_CMD_MMC=y
CONFIG_CMD_USB=y
CONFIG_CMD_FS_UUID=y
CONFIG_OF_BOARD=y
CONFIG_ENV_FAT_INTERFACE="mmc"
CONFIG_ENV_FAT_DEVICE_AND_PART="0:1"
CONFIG_ENV_VARS_UBOOT_RUNTIME_CONFIG=y
CONFIG_DM_KEYBOARD=y
CONFIG_DM_MMC=y
CONFIG_MMC_SDHCI=y
CONFIG_MMC_SDHCI_BCM2835=y
CONFIG_DM_ETH=y
CONFIG_BCMGENET=y
CONFIG_PINCTRL=y
# CONFIG_PINCTRL_GENERIC is not set
# CONFIG_REQUIRE_SERIAL_CONSOLE is not set
CONFIG_USB=y
CONFIG_DM_USB=y
CONFIG_USB_DWC2=y
CONFIG_USB_KEYBOARD=y
CONFIG_USB_HOST_ETHER=y
CONFIG_USB_ETHER_LAN78XX=y
CONFIG_USB_ETHER_SMSC95XX=y
CONFIG_DM_VIDEO=y
# CONFIG_VIDEO_BPP8 is not set
# CONFIG_VIDEO_BPP16 is not set
CONFIG_SYS_WHITE_ON_BLACK=y
CONFIG_CONSOLE_SCROLL_LINES=10
CONFIG_PHYS_TO_BUS=y
CONFIG_OF_LIBFDT_OVERLAY=y

接下来就是编译32位u-boot的常规操作

export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
make distclean
make rpi_arm32_defconfig
make -j8

编译完成后，u-boot.bin就不依赖设备树，在u-boot目录，也找不到dtb文件。

rpi_3_32b_defconfig 有一个配置是CONFIG_DEFAULT_DEVICE_TREE=”bcm2837-rpi-3-b”。有这个配置，uboot就会编译dtb文件，uboot也会依赖这个dtb。正常启动过程，是bootcode.bin加载内核到0x00008000，加载bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb，我用的2022-01-28-raspios-bullseye-armhf-lite.img，看启动记录

MESS:00:00:02.292243:0: dtb_file 'bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb'
MESS:00:00:02.302511:0: brfs: File read: /mfs/sd/bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb
MESS:00:00:02.307607:0: Loading 'bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb' to 0x100 size 0x3898

然后把跳转到0x00008000位置（内核位置）执行，把控制权交给内核。

而加入uboot后，如果uboot依赖设备树，需要注意一点，需要把编译uboot后的设备树也就是bcm2837-rpi-3-b-plus.dtb拷贝到boot目录，并且要重命名为bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb，让bootcode像启动kernel那样，启动uboot，这时设备树和uboot是配套的，uboot串口操作才能正常。

root@kali:~/u-boot-2022.04# find . -name *.dts | grep rpi
./arch/arm/dts/bcm2837-rpi-3-b-plus.dts
./arch/arm/dts/bcm2836-rpi-2-b.dts
./arch/arm/dts/bcm2837-rpi-cm3-io3.dts
./arch/arm/dts/bcm2711-rpi-4-b.dts
./arch/arm/dts/bcm2837-rpi-3-a-plus.dts
./arch/arm/dts/bcm2835-rpi-zero-w.dts
./arch/arm/dts/bcm2837-rpi-3-b.dts
./arch/arm/dts/bcm2835-rpi-b-plus.dts
./arch/arm/dts/bcm2835-rpi-b-rev2.dts
./arch/arm/dts/bcm2835-rpi-a.dts
./arch/arm/dts/bcm2835-rpi-a-plus.dts
./arch/arm/dts/bcm2835-rpi-zero.dts
./arch/arm/dts/bcm2835-rpi-b.dts
./arch/arm/dts/bcm2835-rpi-cm1-io1.dts

树莓派有两个UART在u-boot源码的arch/arm/dts/bcm2837-rpi-3-b-plus.dts文件中，配置了

	chosen {
		/* 8250 auxiliary UART instead of pl011 */
		stdout-path = "serial1:115200n8";
	};

......

/* uart0 communicates with the BT module */
&uart0 {
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&uart0_ctsrts_gpio30 &uart0_gpio32 &gpclk2_gpio43>;
	status = "okay";

	bluetooth {
		compatible = "brcm,bcm43438-bt";
		max-speed = <2000000>;
		shutdown-gpios = <&expgpio 0 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
	};
};

/* uart1 is mapped to the pin header */
&uart1 {
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&uart1_gpio14>;
	status = "okay";
};

而树莓派支持在config.txt中配置dtoverlay=pi3-disable-bt，如果配置了这个，那么串口关系如下

/dev/serial0 --> /dev/ttyAMA0
/dev/serial1 --> /dev/ttyS0

到目前为止我也没搞清楚这些UART之间的关联，我猜测的应该是u-boot及内核默认或者设置了哪个串口和gpio的pin6，8，10相关联，比如u-boot设置了ttyS0和gpio的pin6，8，10相关联，但是通过dtoverlay=pi3-disable-bt，bootcode.bin设置了ttyAMA0和gpio的pin6，8，10相关联。这样导致了各种问题。以上存粹是我的猜想，有个问题是如果关联不恰当，那应该是输入输出都没有了，我经常碰到的是有输出但是没有输入。

sd卡的boot分区一定要有bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb或者bcm2710-rpi-3-b.dtb文件，因为bootcode.bin需要读取这个文件并加载到内存，如果没有这两个文件之一，则卡在bootcode不进行后续操作。启动过程中，有两次加载设备树的过程，第一次是bootcode.bin加载，会先尝试加载bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb，如果找到，就加载到0x100处如果没找到，就尝试加载bcm2710-rpi-3-b.dtb，如果找到，就加载到0x100处，如果没找到，就停止运行。

设备树加载好之后，会去config.txt中找kernel的配置，如果没有配置，默认32位加载kernel7l.img, 64位加载kernel8.img.

而如果有配置kernel，例如kernel=u-boot.bin, 则bootcode会把u-boot.bin加载到内存中，32位加载到0x00008000, 64位加载到0x00080000, 接下来跳转到对应内存地址执行，控制权交给u-boot。注意这里。启动的程序要和对应的设备树配套即可。比如默认加载kernel7l.img, 那就用镜像默认自带的bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb。同样的，如果启动的是u-boot，那应该把u-boot源码目录下的./arch/arm/dts/bcm2837-rpi-3-b-plus.dtb拷贝到sd卡的boot分区，并重命名为bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb即可。

u-boot编译过程中，会把dts编译为dtb，比如bcm2837-rpi-3-b-plus.dts，编译之后就变成bcm2837-rpi-3-b-plus.dtb，这个bcm2837-rpi-3-b-plus.dtb就是u-boot所依赖的设备树，需要重命名为bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb放到sd卡的boot分区。之所以要重命名是因为bootcode.bin和start.elf这些固件都是不开源的，这些固件默认只读取bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb或者bcm2710-rpi-3-b.dtb，所以必须要重命名。 u-boot和依赖的设备树匹配后，在启动过程u-boot提示Hit any key to stop autoboot: 0时，键盘输入才会有响应，否则会造成键盘输入无响应，无法进入u-boot界面。

如果kernel=u-boot，那么cmdline.txt文件就没有用，内容不重要，如果kernel=kernel7l.img等linux内核，则cmdline.txt就是传输给内核的参数，很重要，必须要填写正确才行。如果想要内核有打印，就要把quiet这个参数删除。

我根据正常情况下，也就是不通过u-boot直接启动内核时的串口打印，看到如下信息

[    0.000000] Kernel command line:

可以把 cmdline.txt设置为上面打印的参数一致。

coherent_pool=1M 8250.nr_uarts=1 snd_bcm2835.enable_compat_alsa=0 snd_bcm2835.enable_hdmi=1 video=Composite-1:720x480@60i vc_mem.mem_base=0x3ec00000 vc_mem.mem_size=0x40000000 console=ttyAMA0,115200 console=tty1 root=PARTUUID=2e499f85-02 rootfstype=ext4 fsck.repair=yes rootwait

console=ttyS0,115200，系统启动时默认是console=ttyAMA0,115200, 经测试发现console=ttyS0,115200能正常输入输出，而console=ttyAMA0,115200会出现无法输入的情况。

console=tty1是指hdmi输出有个终端界面，也就是告诉内核有两个终端，一个是串口，通过ttyS0以115200的波特率通信，另一个是tty1终端。默认情况下，内核可能会有quiet的选项，要把这个选项去掉内核才会打印，不然就是静默的执行，不输出信息。

这里又有另外一个坑，console=ttyAMA0建议修改为console=ttyS0，反正这样能正常工作，内核启动后能输入数据，而如果console=ttyAMA0，内核启动过程有打印，但是提示Raspbian GNU/Linux 11 raspberrypi ttyAMA0

raspberrypi login: 会造成无法输入。原因不明。另外如果console=ttyS0，则config.txt中，就不能使能dtoverlay=pi3-disable-bt，这句不能出现，要么不写，要么注释掉。

建议串口这么配置：

根据我上面的操作，dtoverlay=pi3-disable-bt不能在config.txt中配置，否则串口会异常，如果要配置，那么u-boot，内核启动参数也要同步修改串口才能正常。
cmdline和boot.scr.uimg 都需要配置console=ttyS0

uboot要启动内核，需要指定boot.scr.uimg文件内容，首先配置boot.scr

fatload mmc 0:1 ${kernel_addr_r} kernel7l.img
fatload mmc 0:1 ${fdt_addr} bcm2710-rpi-3-b-plus-kernel.dtb
setenv bootargs coherent_pool=1M 8250.nr_uarts=1 snd_bcm2835.enable_compat_alsa=0 snd_bcm2835.enable_hdmi=1 video=Composite-1:720x480@60i vc_mem.mem_base=0x3ec00000 vc_mem.mem_size=0x40000000  console=ttyS0,115200 console=tty1 root=PARTUUID=2e499f85-02 rootfstype=ext4 fsck.repair=yes rootwait
bootz ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr}

${kernel_addr_r}是u-boot的变量，默认设置为0x00080000, ${fdt_addr}默认为 0x2effc100

fatload mmc 0:1 ${kernel_addr_r} kernel7l.img
fatload mmc 0:1 ${fdt_addr} bcm2710-rpi-3-b-plus-kernel.dtb

这两个命令分别是把fat分区的kernel7l.img文件加载到${kernel_addr_r}这个内存地址中

把fat分区的bcm2710-rpi-3-b-plus-kernel.dtb文件加载到${fdt_addr}这个内存地址中。这里bcm2710-rpi-3-b-plus-kernel.dtb是内核依赖的设备树文件，其实就是把原先镜像的bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb重命名了，避免和u-boot依赖的设备树冲突。

基于集成了u-boot的tf卡，制作DIY rpi 3b+镜像文件

把tf卡挂载到pc上，在pc上执行下面的脚本，即可生成rpi镜像。操作之前，需要先修改img，tf_boot，tf_root这几个变量，如果镜像较大，也要调整count的大小。实现机制很简单，就是基于loop设备生成文件镜像，像操作磁盘一样操作文件，对文件进行分区，格式化，挂载，文件拷贝等操作。

#!/bin/sh

img=rpi.img
tf_boot=/media/root/boot/
tf_root=/media/root/rootfs/

dd if=/dev/zero of=$img bs=1MB count=2500
parted $img --script -- mklabel msdos
parted $img --script -- mkpart primary fat32 8192s 532480s
parted $img --script -- mkpart primary ext4 534528s -1

loopdevice=`losetup -f --show $img`
kpartx -va $loopdevice
device=`echo $loopdevice| awk -F'/' '{print $3}'`
device="/dev/mapper/${device}"
partBoot="${device}p1"
partRoot="${device}p2"
mkfs.vfat $partBoot
mkfs.ext4 $partRoot

tmpdir=/tmp/media
mkdir $tmpdir
mount -t vfat $partBoot $tmpdir
cp -rfp $tf_boot/* $tmpdir
umount $tmpdir
mount -t ext4 $partRoot $tmpdir
cp -rfp $tf_root/* $tmpdir
# cd $tmpdir
# dump -0uaf - $tf_root | restore -rf -
# cd
umount $tmpdir
kpartx -d $loopdevice
losetup -d $loopdevice
rmdir $tmpdir

参考材料

[1] https://a-delacruz.github.io/ubuntu/rpi3-setup-64bit-uboot.html
[2] https://a-delacruz.github.io/ubuntu/rpi3-setup-64bit-kernel
[3] https://blog.51cto.com/u_15304255/3166221