U-Boot 和 Linux 内核的关系及设备树详解

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│                 嵌入式系统启动流程                   │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│ 阶段 1：硬件复位 → BootROM（固化在芯片中）           │
│          ↓                                          │
│ 阶段 2：U-Boot（第一阶段：SPL）                      │
│          ↓                                          │
│ 阶段 3：U-Boot（第二阶段：主程序）                   │
│          ↓                                          │
│ 阶段 4：Linux 内核（内核初始化）                    │
│          ↓                                          │
│ 阶段 5：根文件系统 → 用户空间                       │
└─────────────────────────────────────────────────────┘

┌─────────┐     ┌─────────┐     ┌─────────┐
│  毛坯房  │━━━━▶│ 施工队   │━━━━▶│ 精装房  │
│ (硬件)   │     │ (U-Boot) │     │ (Linux) │
└─────────┘     └─────────┘     └─────────┘
     │               │               │
 只有水泥墙      通水通电、         装修完成
  和地基        搬运建材           可入住

// 简化版的启动过程代码示意
void boot_process(void) {
    // 1. 硬件复位（不可控，芯片自动执行）
    
    // 2. U-Boot第一阶段（SPL）
    chip_hardware_init();      // 初始化最基础硬件
    load_uboot_image();        // 加载U-Boot主程序
    jump_to_uboot();           // 跳转到U-Boot
    
    // 3. U-Boot第二阶段
    init_all_hardware();       // 初始化所有外设
    load_device_tree();        // 加载设备树
    load_kernel_image();       // 加载Linux内核
    set_boot_args();           // 设置启动参数
    jump_to_kernel(0x80008000);// 跳转到内核
    
    // 4. Linux内核接管
    // U-Boot的使命结束，生命周期终止
}

2005年前：代码硬编码          → 2010年后：设备树标准
├─ ARM平台：板级文件           ├─ 一个.dts文件描述硬件
├─ 大量arch/arm/mach-*目录     ├─ 内核通用，无需修改
├─ 内核臃肿，移植困难          ├─ 内核精简，易于移植
└─ 每个板子需要内核修改        └─ 只需替换设备树文件

├── 源文件（人类可读可编辑）
│   ├── dts（Device Tree Source）      - 具体板子的设备树
│   └── dtsi（Device Tree Source Include）- 公共部分，可被包含
│
├── 中间文件（编译过程生成）
│   └── dtb（Device Tree Blob）        - 二进制格式，由dts编译
│
└── 运行时（内存中）
    └── FDT（Flattened Device Tree）   - dtb加载到内存后的结构

// U-Boot 的 SD 卡设备树片段 (简化)
sdhci: sdhci@fe330000 {
    compatible = "snps,dwcmshc-sdhci";
    reg = <0x0 0xfe330000 0x0 0x10000>;
    clocks = <&cru SCLK_SDMMC>;
    clock-names = "core";
    u-boot,dm-spl;                    // ← U-Boot专用属性
    status = "okay";
};

// Linux 内核的 SD 卡设备树片段
sdhci: sdhci@fe330000 {
    compatible = "snps,dwcmshc-sdhci";
    reg = <0x0 0xfe330000 0x0 0x10000>;
    interrupts = <GIC_SPI 12 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>; // ← 内核需要中断
    clocks = <&cru SCLK_SDMMC>, <&cru TMCLK_SDMMC>;
    clock-names = "core", "timeout";
    resets = <&cru SRST_SDMMC>;       // ← 内核需要复位控制
    reset-names = "reset";
    status = "okay";
};

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│               设备树从源码到内核的完整流程                    │
├─────────────┬─────────────┬─────────────┬─────────────┤
│    阶段1    │    阶段2    │    阶段3    │    阶段4    │
│  源码准备   │  编译阶段   │   U-Boot    │  内核使用   │
├─────────────┼─────────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 开发板.dts  │  dtc编译器  │  加载DTB    │  解析DTB    │
│   +         │     ↓       │    到内存   │     ↓       │
│  SoC.dtsi   │  board.dtb  │     ↓       │ 创建platform│
│   +         │  (二进制)   │ 可选：修改  │  设备       │
│ common.dtsi │             │  设备树     │     ↓       │
│             │             │     ↓       │ 匹配驱动    │
│             │             │ 传递给内核  │     ↓       │
│             │             │             │ 初始化硬件  │
└─────────────┴─────────────┴─────────────┴─────────────┘

# 编译过程
$ make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- dtbs
# 生成: bcm2711-rpi-4-b.dtb

# U-Boot 加载流程
U-Boot> load mmc 0:1 ${kernel_addr_r} Image
U-Boot> load mmc 0:1 ${fdt_addr_r} bcm2711-rpi-4-b.dtb
U-Boot> fdt addr ${fdt_addr_r}          # 设置设备树地址
U-Boot> fdt resize 8192                 # 调整大小（可选）
U-Boot> fdt set /chosen bootargs "console=ttyAMA0"  # 修改参数
U-Boot> booti ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr_r}

# Linux内核启动日志片段（可以看到设备树解析）
[    0.000000] OF: fdt: Machine model: Raspberry Pi 4 Model B
[    0.000000] printk: console [ttyAMA0] enabled
[    0.123456] mmc0: SDHCI controller on fe340000.mmc [fe340000.mmc]

症状                         可能原因
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内核panic，找不到根文件系统      内存地址配置错误
某个外设不工作                  设备树节点缺失或配置错误
内核无法启动，卡在early boot    设备树格式错误或版本不兼容

# 查看设备树
U-Boot> fdt print /soc/mmc@fe330000

# 修改设备树（临时）
U-Boot> fdt set /soc/mmc@fe330000 status "disabled"

# 保存修改后的设备树
U-Boot> fdt save ${fdt_addr_r}

# 检查设备树完整性
U-Boot> fdt checks

# 查看系统中的设备树
$ ls /proc/device-tree/

# 查看特定设备属性
$ cat /proc/device-tree/soc/mmc@fe330000/compatible

# 使用dtc工具反编译DTB
$ dtc -I dtb -O dts -o output.dts /boot/bcm2711-rpi-4-b.dtb

原设备树DTB + 叠加overlay.dtbo = 新配置
     ↓              ↓
 基础硬件配置    特定扩展板配置