ARM板移植Linux系统启动（六）烧写系统到emmc

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能够从Uart把系统跑起来，基本上已经完成了移植工作的关键。但此时自动的引导流程还没有建立好，要想让系统能正常启动，必须将数据烧写到存储设备里去。烧写的原理对于所有的板子都是一样的，只是烧写数据的来源和目标有区别，掌握原理以后就可以自己灵活修改，不用拿着从ftp烧写的脚本对着USB烧写的需求一筹莫展。:-)

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BeagleBoneBlack的烧写

BeagleBoneBlack支持外部TF卡(emmc)烧写系统。它的流程是启动时长按某个button进入TF启动模式，然后修改init命令行参数让系统重新启动后自动运行烧写脚本。这个过程其实分几个步骤：

  1. 按住button调整启动模式。BeagleBoneBlack有两种顺序不同的启动模式：｛SPI0，MMC0，USB0，UART0｝和｛MMC1，MMC0，UART0，USB0｝，按下时进入第二种模式。TF卡是外接在MMC1上，即意味着按下button时优先启动TF卡上的系统。注意这里的MMC0和MMC1是硬件意义上的，与进入系统后的设备结点mmc0,mmc1没有对应关系，可以不同。
  2. BootROM在TF卡上寻找到uboot数据，进入uboot；然后uboot引导卡上的kernel，进入系统。
  3. 如果此时的init参数已经修改，则自动运行init指定的脚本，进行烧写系统的工作。
  4. 烧写完毕，系统自动断电，等待重新上电启动。

从这个过程我们可以推理出几件事：

  • 因为引导系统的uboot也是来自于外部TF卡，这种烧写方法可以用在完全被破坏的无法启动的板子上，例如板载emmc被彻底擦除干净的设备。这就意味着你可以随意折腾你的板载系统，不用害怕，TF卡烧写是一种有效的救援措施
  • 官方的烧写教程是让我们enable uEnv.txt中的一行代码cmdline=init=/opt/scripts/tools/eMMC/init-eMMC-flasher-v3.sh，这个flasher-v3.sh就是官方的烧写脚本。进入系统后手动运行效果也是一样的
  • 从整个引导的过程来看，MMC0和MMC1的启动没有区别，所以实际上我们可以制作自己的TF卡系统而不是只局限于烧录，便于调试和使用（像RasspberryPi那样，换一张卡换个系统，甚至可以跑Windows），并且emmc是可读写的，修改的任何数据都会保留，不会重启消失
  • 我们同样可以修改flasher-v3.sh，来完成自己的需求
    关于怎么玩BeagleBoneBlack，不是这篇文章的讨论重点，我只是为了弄清楚BeagleBoneBlack的烧写机制以为己用。TF卡烧写很好用，可惜我的板子没有TF卡。:(

烧写前的准备

  1. 编译kernel， uboot，获得zImage, MLO, u-boot.img等binary
  2. 准备一个根文件系统，通常Linux发行版会提供一个小型的文件系统，将Kernel镜像（一般放在/boot下），以及编译出来的驱动等等更新，打包并压缩。
  3. 编写合适的烧写脚本，等下会详细介绍。
  4. 确定你能进入console，并且在console里能access上面所提到的文件和脚本。
  5. 将准备好的文件拷贝进某个存储介质，例如USB，或者放在服务器端等待tftp获取。

烧写流程

flasher-v3.sh整个脚本很长，用的各种判断和变量也非常多，刚开始读难免眼花缭乱。我基于这个脚本，根据自己的需要，重新写了一份。文件系统烧写的原理都是一样：将存放源数据的设备挂载成文件夹A，将烧写的目标设备挂载成文件夹B，然后读取A中的数据解压，将文件系统写入B中。而对于bootloader的情况就比较复杂，他们的数据写入通常是不基于文件系统的，而写入的位置必须跟BootROM相对应，需要阅读厂商的文档。
我做的项目不是开源，所以无法发布完整的烧写脚本，读者可以根据大致流程自行编写。

变量定义

source="/dev/sda1"
destination="/dev/mmcblk1"
src="/tmp/usb/"
dst="/tmp/dst/"
spl_file="${src}/MLO"
uboot_file="${src}/u-boot.img"
rootfs_file="${src}/rootfs.tar.gz"
boot_label="TEST"
boot_fstype=ext3

这里定义几个全局变量方便使用，分别是数据源和目标设备的设备结点和挂载点，以及一些文件名的定义。读者可以根据需要自行修改，例如mmcblk1换成sdc1，或者从TF烧写而不是USB的时候将sda1换成mmcblk0p1等等。

烧写bootloader（uboot）

bootloader的烧写包括两个文件：MLO和u-boot.img，烧写是直接使用dd写入数据，参数来自TI官方release。

# 烧写之前先擦除整块emmc
echo "Erasing: ${destination} any partion information"
dd if=/dev/zero of=${destination} bs=1M count=20
sync

# 烧写SPL和uboot
spl_opt="count=1 seek=1 conv=notrunc bs=128k"
uboot_opt="count=2 seek=1 conv=notrunc bs=384k"

echo "dd if=${spl_file} of=${destination} ${spl_opt}"
dd if=${spl_file} of=${destination} ${spl_opt}

echo "dd if=${uboot_file} of=${destination} ${uboot_opt}"
dd if=${uboot_file} of=${destination} ${uboot_opt}

对烧写的目标设备分区

过去，kernel的镜像文件的数据是不基于文件系统的，也就是并非以一个文件的形式存放在某个目录里，因为那时的uboot并没有文件系统的支持，只能从固定的块、页、扇区读取数据。后来特别是EFI被广泛运用后，将关键的文件系统相关数据写在一个单独的Fat32分区中成了一种普遍的方案，通常会将它们只读挂载在/boot下，系统数据和各种库文件是分开的，日常使用更加安全。而现在，uboot支持了更多的文件系统，也就使得我们可以将所有数据都放在一起，怎么设计这些分区，也就更加随意和灵活。TI所用的脚本中，就有了两种选择：fat+ext4或者整个emmc只有一个ext4分区。在这块板子上我选择了后面的方案，方便后期的开发和调试，烧写方案也比较简洁。
烧写的工具使用的是sfdisk，请确保你的最小系统中包含这个工具。

# 参数变量设置
sfdisk_options="--force --Linux --in-order --unit M"
sfdisk_boot_startmb=1
sfdisk_fstype="L"

# 使用sfdisk分区
test_sfdisk=$(LC_ALL=C sfdisk --help | grep -m 1 -e "--in-order" || true)
if [ "x${test_sfdisk}" = "x" ] ; then
    echo "sfdisk: [2.26.x or greater]"
    if [ "x${bootrom_gpt}" = "xenable" ] ; then
        sfdisk_options="--force --label gpt"
    else
        sfdisk_options="--force"
    fi
    sfdisk_boot_startmb="${sfdisk_boot_startmb}M"
fi
echo "sfdisk: [$(LC_ALL=C sfdisk --version)]"
echo "sfdisk: [sfdisk ${sfdisk_options} ${destination}]"
echo "sfdisk: [${sfdisk_boot_startmb},${sfdisk_boot_endmb},${sfdisk_fstype},*]"

LC_ALL=C sfdisk ${sfdisk_options} "${destination}" <<-__EOF__
    ${sfdisk_boot_startmb},,${sfdisk_fstype},*
__EOF__

分区完毕，将分区格式化为ext3，然后就可以往里面写数据了。

echo "mkfs.${boot_fstype} ${destination}p1 -L ${boot_label}"
mkfs.${boot_fstype} ${destination}p1 -L ${boot_label}
sync

烧写文件系统

文件系统的烧写实际上就是数据拷贝的过程。在TI的TF卡烧写方式中，是将当前系统（也就是TF卡上的系统）的所有文件都拷贝到目标文件夹，再进行一定的动态支持处理，我这里是直接将准备好的文件系统包解压到对应的地方。首先挂载分区：

#mount emmc partition
mkdir -p $dst
mount ${destination}p1 $dst -o async,noatime
is_mounted=$(grep ${destination}p /proc/mounts | awk '{print $2}')
if grep -q ${destination}p /proc/mounts; then
        echo "Found mounted partition(s) on " ${destination}": " $is_mounted
else
        echo "No eMMC partition found. exit."
        exit
fi

然后将数据解压，并做一点点小的处理，确保login系统的正常运行：

cd $dst
tar xzvf $rootfs_file
cd - 

if [ -d $dst/etc/ssh/ ] ; then
    #ssh keys will now get regenerated on the next bootup
    touch $dst/etc/ssh/ssh.regenerate
    sync
fi

最后将挂载点umount，完成全部烧写工作： 

umount $dst || umount -l $dst
dd if=${destination} of=/dev/null count=100000
sync
echo "Syncing: ${destination} complete"

至此，全部烧写完毕，板子应该能顺利地跑起来了，开机试试吧！:-)