IMX6ULL第一章深入学习：启动配置与引导加载器


参考资源链接：[NXP i.MX6ULL应用处理器参考手册中文版](https://wenku.csdn.net/doc/3bygm26r9f?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. IMX6ULL深入学习：启动配置与引导加载器

## 1.1 IMX6ULL简介及其重要性

IMX6ULL是一款广泛应用于嵌入式领域的ARM Cortex-A7核心处理器。了解IMX6ULL的启动配置和引导加载器，是深入探索其强大功能的基础。启动配置定义了设备上电后的初始化过程，而引导加载器则负责初始化硬件、加载操作系统，确保系统能够顺利启动。

## 1.2 启动配置的必要性与作用

启动配置是系统在启动初期的"蓝图"，它决定哪些组件被初始化、加载的顺序、以及如何加载。正确的启动配置能够保证硬件资源被正确管理，防止资源冲突，并优化系统性能。例如，内存的分配、CPU的频率设置等都是启动配置的关键组成部分。

## 1.3 引导加载器的角色与功能

引导加载器（Bootloader）在硬件和操作系统之间扮演着桥梁的角色。以U-Boot为例，它执行以下任务：

- 上电自检（POST），检查硬件状态。
- 加载操作系统，如Linux内核。
- 提供用户交互界面，用于系统启动前的配置。

引导加载器的设计要考虑到高效性、兼容性和可扩展性，以适应不断变化的硬件和软件需求。在后续章节中，我们将详细探讨U-Boot的安装、配置和优化过程。

# 2. IMX6ULL硬件概述与系统启动序列

## 2.1 IMX6ULL芯片架构解析

### 2.1.1 核心架构特点

IMX6ULL处理器是由NXP公司开发的一款基于ARM Cortex-A7核心的高性能处理器。它以小巧的尺寸和低功耗著称，适合用于物联网和嵌入式设备。IMX6ULL的核心架构特点包括：

- ARMv7指令集，使得它能与多种现有的软件生态系统兼容。
- 内置的NEON技术，加速了多媒体处理，使得执行复杂算法时性能更佳。
- 多种电源管理功能，如DVFS（动态电压和频率调节）和PMIC（电源管理集成电路）的支持，进一步优化了能耗。
- 安全特性，比如TrustZone技术，保证了处理过程中的数据安全性和完整性。

### 2.1.2 外设接口和性能参数

IMX6ULL提供了一系列丰富的外设接口，这些外设接口在嵌入式系统设计中扮演着至关重要的角色，具体包括：

- 多个串行接口（如UART, SPI, I2C）用于与其他设备通信。
- 高性能的以太网接口，支持10/100 Mbps。
- USB接口支持高速和全速设备，非常适合数据传输和设备连接。
- 支持各种存储介质的接口，例如SDHC, eMMC, NOR Flash等。
- 显示和图形处理能力，包括并行和MIPI接口，支持最高1080p的显示输出。

为了能够更好地理解IMX6ULL的性能参数，下表详细罗列了部分核心规格：

| 规格 | 描述 |
|-----------------|------------------------------------------------------------|
| 核心数量 | 单核ARM Cortex-A7 |
| 主频 | 最高达1 GHz |
| 内存 | 最高支持512 MB DDR3/LV-DDR3/DDR3L-1066内存 |
| 存储 | 最高支持32 GB eMMC, 256 MB NOR Flash, SDHC等 |
| 显示和图形 | 支持高达1080p的显示输出，支持OpenGL ES 2.0 |
| 网络 | 10/100 Mbps以太网，802.11 b/g/n Wi-Fi，BT4.0 |
| 电源管理 | DVFS，支持睡眠状态，PMIC兼容 |
| 安全性 | TrustZone技术，硬件加密加速器，安全引导（Secure Boot） |

## 2.2 启动过程中的初始化流程

### 2.2.1 上电自检（POST）

IMX6ULL在上电后立即执行一系列自检流程，称为上电自检（Power-On Self-Test，简称POST）。这个过程包括对处理器的内部寄存器、RAM的完整性、外设接口以及系统的其他关键部分进行测试。POST的目的是确保硬件在进入操作系统之前处于良好的工作状态，任何检测到的故障都会通过错误代码告知用户，以便及时进行故障排查。

### 2.2.2 引导加载器的识别和加载

在硬件自检通过后，IMX6ULL处理器会根据其启动模式（从存储设备如NAND/NOR Flash，或者通过网络启动等）开始引导加载器的识别过程。这一阶段，处理器通常会检查一个固定的内存位置以寻找引导加载器的起始代码。常见的引导加载器包括U-Boot、Barebox等。

一旦引导加载器被识别，处理器会加载引导加载器到内存中，并将控制权转移给引导加载器。引导加载器随即负责加载操作系统内核到内存，并将控制权最终交给操作系统。

### 2.2.3 硬件抽象层（HAL）的作用

硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，简称HAL）在启动过程中扮演着至关重要的角色。HAL位于硬件和操作系统之间，为上层提供统一的硬件访问接口，使得操作系统无需关心底层硬件的复杂性。

在IMX6ULL的启动序列中，HAL完成了如下关键任务：

- 提供初始化硬件所需的低级驱动程序。
- 配置内存映射，确保处理器能够正确访问各种外设。
- 实现处理器与外设的通信协议，比如I2C或SPI协议。
- 提供必要的功能，如电源管理、时钟控制等。

## 2.3 引导加载器的作用与分类

### 2.3.1 引导加载器简介

引导加载器是嵌入式系统启动的关键组件之一，它在操作系统加载之前运行，并负责初始化硬件设备，构建内存空间，加载操作系统内核，以及将系统控制权交给内核。一个优秀的引导加载器应该具备灵活性、可靠性、易于维护和移植性等特点。

### 2.3.2 常见引导加载器比较（如U-Boot）

U-Boot（Universal Boot Loader）是嵌入式领域最流行的开源引导加载器之一，特别是在基于ARM架构的设备上。以下是U-Boot一些重要的特点：

- 支持多种架构和处理器平台。
- 具有丰富的启动选项，包括从各种存储介质启动。
- 可以进行设备的自动检测和配置。
- 内置命令行接口，便于用户进行交互操作和故障排查。
- 可以进行网络启动，适用于开发和部署环境。
- 拥有活跃的社区，提供持续的支持和广泛的文档资料。

U-Boot已经成为了IMX6ULL设备启动过程中的默认引导加载器，因为它提供了必要的工具和灵活性，使得系统工程师能够针对特定的应用场景进行定制化配置。

# 3. U-Boot引导加载器深入剖析

## 3.1 U-Boot的安装与配置
### 3.1.1 U-Boot的下载与安装

U-Boot（Universal Boot Loader）是嵌入式系统中常用的引导加载器之一，它支持多种体系结构，包括ARM、PowerPC、MIPS等。它是开源项目，可以在其官方网站http://www.denx.de/wiki/U-Boot/Download上下载源码包。通常情况下，针对特定硬件平台的U-Boot版本会由硬件厂商提供或已经预先编译好。

安装U-Boot的步骤通常包括以下几点：

1. **获取源码**：根据目标硬件选择合适的U-Boot版本，下载源码包。
2. **编译**：设置交叉编译环境，执行配置脚本，并编译U-Boot。
3. **烧写**：将编译好的U-Boot镜像烧写到目标硬件的启动介质中（如NAND Flash、SD卡等）。

以IMX6ULL为例，如果厂商已经提供了编译好的U-Boot镜像，你可以直接下载该镜像，并通过JTAG、USB等接口烧写到开发板的启动介质。

# 示例：编译U-Boot镜像（假设环境已经设置好）
make mx6ull_14x14_evk_defconfig  # 加载IMX6ULL开发板的默认配置
make -j8                           # 使用8个线程编译U-Boot

### 3.1.2 U-Boot的环境变量配置

U-Boot环境变量存储了一系列的配置信息，如启动选项、网络配置、启动脚本等。通过配置这些环境变量，用户可以定制U-Boot的行为。在U-Boot命令行中，可以使用`printenv`命令查看当前所有环境变量，使用`setenv`和`saveenv`命令设置和保存环境变量。

# 查看环境变量
printenv

# 设置环境变量
setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw init=/init'

# 保存环境变量到非易失性存储
saveenv

# 使用setenv命令在命令行内