ARM开发板实现双文件系统引导的一种方法——基于迅为iTOP-4412开发板

前言

　　本文所用的uboot代码为迅为官方提供，开发板是迅为iTOP-4412开发板(不带设备树)。

　　首先，我们确定一下系统启动的流程：首先启动uboot，uboot启动内核并挂载rootfs(根文件系统)，内核启动完成且rootfs工作完成后，挂载emmc上的文件系统，操作系统正式开始工作。

　　本文实现的双系统引导，都是基于Linux的，即两个系统使用同一个内核、只是emmc上的文件系统有所不同。第一个系统是一个最小Linux系统，第二个系统是一个带Qt/E的Linux系统。uboot启动后会从emmc的特定位置读取一定长度的字符串，若字符串是“qte”，则启动带Qt/E的Linux系统；若字符串是“lin”，则启动最小Linux系统。

1.分区信息

　　

　　上图是emmc的分区信息。可以看到，分成了两个部分“Raw区域”和“主要分区”。Raw区域中我们主要关注bootloader、kernel、ramdisk这三个分区。ramdisk中存放根文件系统(rootfs)，kernel中存放内核，bootloader中存放uboot。在主要分区中，mmcblk0p1指的是emmc的第一个分区，mmcblk0p2指的是emmc的第二个分区，mmcblk0p3指的是emmc的第三个分区，mmcblk0p4指的是emmc的第四个分区。在本文的环境中，mmcblk0指emmc，mmcblk1指SD卡。

　　(1) 打开开发板和串口终端，摁回车进入uboot模式，在串口终端输入命令“fdisk -p mmc”，可以看到开发板emmc的“主要分区”信息，如下图所示。

　　

 

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

　　(2) 在串口终端输入命令“fastboot”，可以看到“Raw区域”和“主要分区”的详细信息，如下图所示。

　　

　　其中，“bootloader”、“kernel”、“ramdisk”、“Recovery”分别对应“Raw区域”中的四个分区，“system”、“userdata”、“cache”、“fat”分别对应“主要分区”中的mmcblk0p2、mmcblk0p3、mmcblk0p4、mmcblk0p1四个分区。“system”中存放的就是操作系统的文件系统，在默认情况下，uboot引导起内核，内核启动完成后，会挂载位于“system”中的文件系统。要实现双系统引导，我们可以把第一个系统存放在“system”分区中，把第二个系统存放在“userdata”分区中，在启动时，让内核在两个分区的文件系统中进行选择。

　　(3) 在串口终端输入命令“printenv”，可以看到环境变量信息，如下图所示。

　　

　　这里我们主要分析“bootcmd=movi read kernel 40008000;movi read rootfs 40df0000 100000;bootm 40008000 40df0000”这个语句，该语句的作用是把“movi read kernel 40008000;movi read rootfs 40df0000 100000;bootm 40008000 40df0000”赋给bootcmd变量。

　　而bootcmd变量的值就是uboot启动后要执行的命令：先把内核从kernel分区中读取到内存的0x40008000处；再从ramdisk分区中（此处的rootfs分区实际就是指ramdisk分区，因为uboot判断分区时只判断首字母，所以即使写rootfs，仍然会导向ramdisk分区，这里写成rootfs是为了方便用户理解）读取0x100000个字节到内存的0x40df0000处；最后使用bootm命令，启动(挂载)已经读取到内存中的内核和根文件系统。

　　在正常情况下，环境变量中还应有一个bootargs变量，bootargs的值就是uboot要传递给内核的参数，但是在上图的环境变量信息中并没有发现它，所以我们猜测迅为给的uboot源码中并没有给bootargs变量赋值。

2.uboot源码分析

　　(1) 在uboot源码的“iTop4412_uboot/include/movi.h”文件中可以看到Raw区域的信息，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区域总大小为16MB，包含了BL1、BL2、环境变量、内核、rootfs、uboot等信息。我们主要关注kernel、rootfs、uboot这三部分。内核存放在kernel分区中，根文件系统(rootfs)存放在ramdisk分区中、uboot存放在bootloader分区中。

　　(2) 而对“Raw区域”和“主要分区”的操作，则在“iTop4412_uboot/common/cmd_fastboot.c”文件的“set_partition_table_sdmmc”函数中，如下(请看注释)。　　

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区域中的bootloader分区，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区域中的kernel分区，存放内核
    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区域中的ramdisk分区，存放rootfs(根文件系统)
    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区域中的Recovery分区
    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);    //主要分区中的mmcblk0p2分区，默认情况下存放操作系统的文件系统
    if (pid != 0x83)　　    　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
        goto part_type_error;
    strcpy(ptable[pcount].name, "system");    //分区名称为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);    //主要分区中的mmcblk0p3分区，默认情况下存放用户数据，我们也可以在该分区存放另一个系统
    if (pid != 0x83)          　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
        goto part_type_error;
    strcpy(ptable[pcount].name, "userdata");    //分区名称为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);    //主要分区中的mmcblk0p4分区
    if (pid != 0x83)
        goto part_type_error;
    strcpy(ptable[pcount].name, "cache");    //分区名称为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);    //主要分区中的mmcblk0p1分区
    if (pid != 0xc)
        goto part_type_error;
    strcpy(ptable[pcount].name, "fat");    //分区名称为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”函数中，可以看到关于bootcmd变量的信息，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");    //这条语句不会编译
#else
#ifdef SMDK4412_SUPPORT_UBUNTU
        sprintf(boot_cmd, "movi read kernel 40008000;bootm 40008000 40d00000");    //这条语句不会编译
#else
        sprintf(boot_cmd, "movi read kernel 40008000;movi read rootfs 40df0000 100000;bootm 40008000 40df0000");    //只有这条关于bootcmd变量的语句会编译
#endif
#endif
/* end modify */
        setenv("bootcmd", boot_cmd);
        }

    return 0;
}

 3.修改uboot源码

　　大概思路已经在前面讲过，为了方便读者理解，再详述一下双系统引导的思路。两个系统共用同一套uboot、内核、rootfs(根文件系统)，在mmcblk0p2分区中存放一个系统，在mmcblk0p3中存放另一个系统，uboot每次启动时，会从mmcblk0p4分区中读取定长的字符串，根据字符串的内容来决定该引导哪一个系统。修改后的分区信息如下图所示。

　　

　　(1) 打开“iTop4412_uboot/common/cmd_fastboot.c”文件，修改“set_partition_table_sdmmc”函数中有关mmcblk0p2分区和mmcblk0p3分区的命名部分(只修改分区名称，其他的不做修改)，将原先的“system”和“userdata”两个分区名称改为“system_linux”和“system_qte”，方便记忆。　　　　

　　/* Qt/E System */
    get_mmc_part_info((dev_number_write == 0)?"0":"1", 2, &start, &count, &pid);    //主要分区中的mmcblk0p2分区，用于存放最小Qt/E系统
    if (pid != 0x83)
        goto part_type_error;
    strcpy(ptable[pcount].name, "system_qte");　　//分区名改为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++;

    /* Linux System */
    get_mmc_part_info((dev_number_write == 0)?"0":"1", 3, &start, &count, &pid);    //主要分区中的mmcblk0p3分区，用于存放最小Linux系统
    if (pid != 0x83)
        goto part_type_error;
    //strcpy(ptable[pcount].name, "userdata");
    strcpy(ptable[pcount].name, "system_linux");    //分区名改为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) 打开“iTop4412_uboot/common/main.c”文件，在“main_loop”函数中添加如下代码。　　

    char bootargstr[10];
    run_command("mmc read 0 40008000 408000 10", 0);    //从emmc的0x408000块处读取0x10个块的数据到内存的0x40008000处，至于为什么从emmc的0x408000处读，请看后文的解析
    memcpy(bootargstr, (char*)0x40008000, 3);    //把读取到的数据赋给bootargstr
    if(!strncmp(bootargstr, "qte", 3))    //判断bootargstr的内容，如果是字符串“qte”
        sprintf(bootargstr, "root=/dev/mmcblk0p2");    //把mmcblk0p2设置为系统的根，即启动带Qt/E的Linux系统
    else
        sprintf(bootargstr, "root=/dev/mmcblk0p3");    //把mmcblk0p3设置为根，即启动最小Linux系统
    setenv("bootargs", bootargstr);    //设置环境变量bootargs，把bootargstr字符串的内容赋给环境变量bootargs

　　添加位置如下图所示。

　　

　　为什么要从emmc的0x408000块处读字符串呢？首先我们明确一下“mmc read”命令的用法：mmc read <device num> addr blk# cnt [partition]，即从某设备的第blk#个块(一个块为512B)开始，读取cnt个块的数据，将数据存放到内存的addr位置。其次，在前文中我们曾经获取过emmc的“主要分区”信息，如下图。

　　

　　可以看到mmcblk0p4分区的起始块(block start #)是4227072，这是个十进制数，我们把它转换为十六进制，便得到了0x408000。

 4.编译和烧写

　　(1) 编译修改后的uboot，用fastboot工具将其烧写到开发板中。

　　

　　烧写完成后，重启开发板，并进入uboot模式。在串口终端输入命令“printenv”，可以看到环境变量中又添加了一个bootargs变量，它是用来告诉内核要挂载哪个分区中的文件系统的，挂载不同的文件系统，就实现了不同系统的引导。根据bootargs变量的值可知，目前要引导的系统是位于mmcblk0p3分区中的系统，即最小Linux系统。

　　

　　在串口终端输入命令“fastboot”，可以看到原先的“system”和“userdata”分区名称已经被修改为“system_qte”和“system_linux”，如下图所示。

　　

　　(2) 用fastboot工具把两个系统分别烧写进各自的分区中，如下图所示。

　　

　　(3) 重启开发板（不要进入uboot模式），可以看到开发板进入到了最小Linux系统。

　　在串口终端输入命令“echo "qte" > /dev/mmcblk0p4”，该命令表示向mmcblk0p4分区的起始位置写入字符串“qte”。

　　

　　然后重启开发板，可以看到开发板进入到了Qt/E系统。

　　再在串口终端输入命令“echo "lin" > /dev/mmcblk0p4”，该命令表示向mmcblk0p4分区的起始位置写入字符串“lin”。

　　

　　重启开发板，可以看到开发板又回到了最小Linux系统。

　　双系统引导成功！