嵌入式 FreeBSD：构建 U-boot

原文：Embedded FreeBSD: Building U-boot
作者：Christopher R. Bowman

一位读者写信告诉我，他在编译 U-boot 时遇到了困难，所以我想走一遍这个过程，因为我也打算启动另一块 Zynq 开发板，反正也得经历这一流程。我需要声明：下面所写内容是准确的，但这些系统很复杂，我可能在某些细节上有误。如果你发现我写错了，欢迎指正。

正如我们之前讨论的，U-boot 是第二阶段和第三阶段的引导加载程序，它运行后会加载 FreeBSD 的加载器，而 FreeBSD 加载器则负责加载 FreeBSD 内核本身。U-boot 是个开源社区的项目，广泛用于各种系统以提供启动服务。相关文档可通过其官网获取：U-boot 文档。

在 AMD/Xilinx Zynq 芯片上，第一阶段引导加载程序存放在 Zynq 芯片本身的 BootROM 中。Zynq 的启动流程可参考 Zynq 7000 SoC 技术参考手册第 6 章 “Boot and Configuration”。简要描述是：设备上电时，会采样一些引脚，根据其状态选择多种启动方式之一。这允许开发板上的跳线（根据 Zybo Z7 参考手册图 2.1 的 JP5）选择启动方式，其中之一是从 SD 卡启动。如果选择这种方式，BootROM 代码会在 SD 卡的 FAT16 或 FAT32 分区上寻找名为 boot.bin 的文件。这就是 U-boot 所称的二级程序加载器（SPL）。Zynq 芯片包含少量板载 RAM，因此 BootROM 能加载的程序大小受到限制。在非裸机应用中，SPL 必须包含足够的代码来配置 Zynq 芯片（PLL、内存接口等），以便启动内存系统并加载完整的 U-boot。完整的 U-boot 是功能更丰富的版本（支持文件系统等）。

我们非常幸运，因为 Zybo Z7 已经在 U-boot 中得到支持。所以，我们只需要让编译流程能够正常运行即可。U-boot 通常是在主机系统上为目标系统构建的。前面提到的 U-boot 文档建议，我们应通过环境变量来设置用于交叉编译的编译器。我们将使用 GCC 编译器和 GNU 工具进行交叉编译，因此需要安装这些软件包并设置交叉编译器。U-boot 还使用 gmake 构建，而不是标准的 BSD make，因此我们需要安装 gmake，以及其他一些软件包：

pkg install gmake
pkg install arm-none-eabi-gcc
pkg install bison
pkg install gnutls
pkg install gmake
pkg install pkgconf
pkg install coreutils
pkg install dtc
pkg install gdd

setenv CROSS_COMPILE arm-none-eabi-

奇怪的是，你使用的是 arm-none-eabi- 而不是 arm-none-eabi-gcc，但这不是笔误。

接下来，我们需要为目标板配置 U-boot 源代码树。Zybo Z7 开发板由 configs 目录下的 xilinx_zynq_virt_defconfig 支持。该配置支持多块板，其中就包括 Zybo Z7。要配置源代码树，我们运行：

make xilinx_zynq_virt_defconfig

但我们必须注意使用 GNU make，而不是 BSD make。为此，我创建了一个目录，其中有一个名为 make 的符号链接指向 /usr/local/bin/gmake，并将该目录放在我的 PATH 的最前面。这种方法运行得很好。

接下来，我们只需调用 make 并等待（如果你有多余的 CPU 核心，我强烈建议使用 -j 参数）。它像我一样报错了吗？

我得到的输出如下：

make[1]: *** [scripts/Makefile.xpl:257: spl/U-boot-spl-align.bin] Error 1
make: *** [Makefile:2358: spl/U-boot-spl] Error 2
make: *** Deleting file 'spl/U-boot-spl'

scripts/Makefile.xpl 中的相关行如下：

$(obj)/$(SPL_BIN)-align.bin: $(obj)/$(SPL_BIN).bin
        @dd if=$< of=$@ conv=block,sync bs=4 2>/dev/null;

如果你去掉输出重定向到 /dev/null，你会看到 dd 的报错信息：

dd: record operations require cbs

看来 FreeBSD 的 dd 与 GNU 版本在命令行上并不完全兼容。最初，我只是通过安装 GNU 版本的 dd 并在本地 bin 目录创建符号链接来使用，但实际上你只需从 dd 命令中删除 block 即可。

此外，可以通过设置 V 这个 make 变量来控制构建输出的详细程度。如果你的构建失败，我强烈建议使用单核并设置 V=1 再次运行：

make V=1

如果一切顺利构建完成，你应该会得到一个 U-boot.img 文件和一个 spl/boot.bin 文件。它们分别是完整的 U-boot 和二级程序加载器。将它们复制到 SD 卡上，然后尝试启动吧！

等等，没成功？嗯！正如我之前所说，这个配置支持多块开发板，而默认的设备树并不是针对 Zybo Z7 的。参考前面提到的板级文档，我们可以通过设置 DEVICE_TREE 来指定默认的设备树：

setenv DEVICE_TREE zynq-zybo-z7

这会覆盖配置文件中的默认 DTS。重新构建并尝试启动。等等，怎么又出了问题？内核可以加载，但在探测硬件时崩溃？哦，对。FreeBSD 对 DTS 的要求与 Linux 不同。某些硬件识别所需的 compat 字符串不同，而且 FreeBSD 似乎要求一些 clock-frequency 属性，虽然我不确定这些值是否被实际使用。或许在 FreeBSD 驱动中添加与 Linux 期望一致的 compat 值是合理的，但我并不是提交者。我不得不在 DTS 文件 arch/arm/dts/zynq-zybo-z7.dts 中添加以下内容：

&sdhci0 {
        compatible = "arasan,sdhci-8.9a", "xlnx,zy7_sdhci";
   U-boot,dm-pre-reloc;
        status = "okay";
};

&devcfg {
compatible = "xlnx,zynq-devcfg-1.0", "xlnx,zy7_devcfg";
status = "okay";
};

&global_timer {clock-frequency = <50000000>;};
&ttc0 {clock-frequency = <50000000>;};
&ttc1 {clock-frequency = <50000000>;};
&scutimer {clock-frequency = <50000000>;};

既然我们已经学会了如何构建 U-boot，现在看看是否可以将其做成一个 Port。U-boot 有一整套 Ports，它们都是基于 Port U-boot-master 构建的。要使用这些 Ports，我们需要包含 master Port 的 Makefile。我们必须指定开发板、型号以及应使用的配置。对于上面所做的修改，我们还有一些补丁，最终可以得到如下内容。

MASTERDIR=      ${.CURDIR}/../U-boot-master

MODEL=          zybo-z7
BOARD_CONFIG=   xilinx_zynq_virt_defconfig
FAMILY=         zynq_7000

EXTRA_PATCHES=  ${.CURDIR}/files

BUILD_DEPENDS+= gdd:sysutils/coreutils

COMMENT=        ported by Christopher R. Bowman <my_initials>@ChrisBowman.com

.include "${MASTERDIR}/Makefile"

希望这些专栏对你有所帮助。欢迎提出你的评论或反馈，你可以通过 [email protected] 与我联系。

Christopher R. Bowman 最早在 1989 年在约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室地下两层的 VAX 11/785 上使用 BSD。90 年代中期，他在马里兰大学设计第一颗 2 微米 CMOS 芯片时使用了 FreeBSD。从那时起，他一直是 FreeBSD 用户，并对硬件设计及其驱动的软件感兴趣。在过去 20 年里，他一直从事着半导体设计自动化行业的工作。

最后更新于1天前

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