U-Boot 和 Linux 内核的关系及设备树详解

U-Boot 和 Linux 内核的关系及设备树详解
一、U-Boot 和 Linux 内核的关系
系统启动流程全景图
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ 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 │
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U-Boot 的作用（系统引导程序）
U-Boot（Universal Bootloader） 相当于嵌入式系统的"启动管家"，主要负责：

主要功能：
硬件初始化 - CPU、内存、时钟、串口等
加载内核 - 从存储设备（eMMC、SD卡、Flash）读取内核镜像
传递参数 - 通过设备树和命令行参数告诉内核硬件信息
引导启动 - 跳转到内核入口点，移交控制权
类比理解：建筑工地开工
┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐
│ 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
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启动过程详细时序
// 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
}
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二、设备树（Device Tree）全面解析
什么是设备树？
设备树是一种描述硬件配置的数据结构，相当于硬件的"身份证"和"说明书"。

设备树的演进历史
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
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设备树文件类型
├── 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
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三、U-Boot设备树 vs Linux内核设备树
详细对比表格
特性 U-Boot 设备树 Linux 内核 设备树 说明
主要目的 硬件初始化和配置 内核驱动识别硬件 U-Boot用来"点亮"硬件，内核用来"驱动"硬件
生命周期 启动阶段使用 整个系统运行期使用 U-Boot完成任务后销毁，内核持续使用
修改权限 可修改、可调整 只读参考 U-Boot可动态修改DTB再传给内核
包含内容 基础硬件描述+U-Boot专用节点 完整硬件描述+内核驱动绑定
典型差异 可能包含内存测试节点、引导参数 包含中断控制器、时钟、DMA等复杂外设
文件位置 U-Boot源码：arch/*/dts/*.dts Linux源码：arch/*/boot/dts/*.dts 通常同名但内容有差异
场景示例：SD卡控制器配置
// 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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四、设备树的传递流程
完整传递过程图示
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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 │
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实际启动示例：Raspberry Pi 4
# 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]
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五、常见问题和调试技巧
1. 设备树不匹配的症状
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
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2. 调试命令和工具
U-Boot 中的设备树操作：
# 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
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Linux 内核中的设备树查看：
# 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
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3. 设备树覆盖（Device Tree Overlay）
适用于动态修改硬件配置：

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
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六、最佳实践和开发建议
设备树编写原则：
复用原则：相同SoC使用同一个.dtsi，具体板子.dts包含它
最小差异：板级设备树只描述与参考设计不同的部分
属性规范：严格按照bindings文档编写属性
版本控制：设备树与内核版本、U-Boot版本匹配
工作流程图解：
U-Boot测试
内核测试
硬件设计完成
编写设备树.dts
编译测试
U-Boot能初始化硬件
内核能识别所有外设
验证通过
产品发布
硬件变更
仅修改.dts文件
重新编译dtb
更新启动介质
无需重新编译内核
总结：核心要点回顾
U-Boot是引导程序，内核是操作系统，两者接力完成启动
设备树是硬件描述文件，避免内核代码硬编码硬件信息
U-Boot和内核各有设备树，前者用于初始化，后者用于驱动
设备树可以传递和修改，U-Boot可调整后再传给内核
设备树使内核通用化，同一内核支持不同硬件只需换设备树
一句话概括：
U-Boot用设备树初始化硬件，然后把"硬件说明书"（设备树）交给Linux内核，内核根据说明书加载驱动、管理硬件。

这种设计实现了硬件描述与内核代码的分离，大大提高了嵌入式系统的可移植性和可维护性，是现代嵌入式Linux系统的标准架构。
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