正点原子 I.MX6ULL MINI 开发板学习笔记：Linux 系统移植——U-Boot、Kernel、rootfs 编译与启动

这篇笔记开始进入 Linux 部分：在正点原子 I.MX6ULL MINI 开发板上完成系统移植——从源码编译 U-Boot、Linux 内核和 busybox 根文件系统，让开发板从裸机状态跑起完整的 Linux。内容整理自我的学习笔记（note.pdf），每一步都实际跑通过。

1. 完成什么实验？

从源代码出发，分别编译出三个系统组件：U-Boot（引导程序）、zImage+dtb（内核与设备树）、busybox rootfs（根文件系统），并通过 SD 卡烧录 + tftp 下载内核 + NFS 挂载根文件系统的方式，把开发板启动到 Linux 命令行。

2. U-Boot、Kernel、rootfs 各是什么？

• U-Boot：bootloader 的一种。内核加载之前先初始化硬件（时钟、DDR、启动设备），再把内核镜像读进内存并跳转过去，为内核运行提供引导。
• Kernel（Linux 内核）：操作系统的核心代码。我们用的是 NXP 维护的 Linux 4.1.15，需要针对开发板裁剪、编译。
• rootfs（根文件系统）：内核启动后挂载的第一个文件系统，/bin、/etc、/lib 等目录都在里面，shell、库文件、配置文件都由它提供。用 busybox 手工构建，最容易理解移植过程。

3. U-Boot 编译与烧录

U-Boot 图形化配置基于 ncurses 库，先装依赖；然后清配置、打默认配置、编译：

sudo apt-get install libncurses5-dev
tar -zxvf uboot.tar.gz
cd uboot

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- distclean
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- mx6ull_alientek_emmc_defconfig
make V=0 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j16

编译产物是顶层目录的 u-boot.imx。它不是纯程序，前面还有一段给 BootROM 看的头部：

烧录用正点原子提供的 imxdownload 工具，本质是把 u-boot.imx 用 dd 写到 SD 卡 1KB 偏移处（BootROM 固定从 1KB 偏移读镜像；分区表在 0~512 字节，第一个分区从 1MB 开始，两者错开互不干扰）：

./imxdownload u-boot.imx /dev/sdd   # 写整张卡，不是某个分区

4. U-Boot 环境变量与常用命令

bootcmd 是倒计时结束后自动执行的命令，bootargs 是传给内核的启动参数。开发阶段最常用的是“tftp 下载内核 + NFS 挂载 rootfs”组合：

# 从 EMMC 启动（烧录完成后用）
setenv bootcmd 'mmc dev 1; fatload mmc 1:1 80800000 zImage; fatload mmc 1:1 83000000 imx6ull-alientek-emmc.dtb; bootz 80800000 - 83000000;'
setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw'
saveenv

# 网络启动（开发调试用：zImage 从 tftp 下载，rootfs 走 NFS）
setenv bootcmd 'tftp 80800000 zImage; tftp 83000000 imx6ull-alientek-emmc.dtb; bootz 80800000 - 83000000'
setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.100:/home/linux/nfs/rootfs,v3,proto=tcp rw ip=192.168.1.50:192.168.1.100:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0:off'
saveenv

5. 内核编译与裁剪

sudo apt-get install lzop
tar -zxvf linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek.tar.gz
cd linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek/

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- distclean
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- imx_alientek_emmc_defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig   # 图形化裁剪驱动
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- all -j16

cp arch/arm/boot/zImage ~/tftpboot/
cp arch/arm/boot/dts/imx6ull-alientek-emmc.dtb ~/tftpboot/

产物有三个：内核镜像 arch/arm/boot/zImage、设备树 arch/arm/boot/dts/imx6ull-alientek-emmc.dtb、以及各驱动模块 *.ko。配置体系的关系是：menuconfig 的每个选项来自各级目录的 Kconfig，选择结果写进顶层 .config，Makefile 再根据 .config 里的 CONFIG_xxx 变量决定编译哪些 .c。

6. busybox 手工制作 rootfs

rootfs 常见做法有 busybox、Buildroot、Yocto 三种。busybox 最手工、最能看清根文件系统的构成，步骤如下：

tar -vxjf busybox-1.29.0.tar.bz2
cd busybox-1.29.0/
# 顶层 Makefile 改两处：ARCH ?= arm 、CROSS_COMPILE ?= arm-linux-gnueabihf-

make defconfig
make menuconfig
#   Settings -> [*] Build static binary (no shared libs)   静态链接，省去库依赖
#   Linux Module Utilities -> [*] Simplified modutils       insmod/rmmod 等
#   Linux System Utilities -> [*] mdev                       自动生成 /dev 节点

make
make install CONFIG_PREFIX=/home/linux/nfs/rootfs

busybox 装完后还缺 C 库和目录骨架，要从交叉工具链拷贝（注意 ld-linux-armhf.so.3 是符号链接，必须删掉换成真实文件）：

cd /home/linux/nfs/rootfs
mkdir lib
cp <工具链>/arm-linux-gnueabihf/libc/lib/*so* lib/ -d
cp <工具链>/arm-linux-gnueabihf/libc/lib/*.a  lib/ -d
rm lib/ld-linux-armhf.so.3                              # 删符号链接
cp <工具链>/arm-linux-gnueabihf/libc/lib/ld-linux-armhf.so.3 lib/   # 拷真实文件
mkdir -p usr/lib
cp <工具链>/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/lib/*so* usr/lib/ -d
cp <工具链>/arm-linux-gnueabihf/libc/usr/lib/*.a  usr/lib/ -d

mkdir dev proc mnt sys tmp root lib/modules

最后写三个配置文件，它们决定了系统启动后做什么：

# /etc/inittab —— init 的行为表：先跑 rcS，再在串口起 shell
::sysinit:/etc/init.d/rcS
console::askfirst:-/bin/sh
::restart:/sbin/init
::ctrlaltdel:/sbin/reboot
::shutdown:/sbin/umount -a -r
::shutdown:/sbin/swapoff -a

#!/bin/sh
# /etc/init.d/rcS —— 系统初始化脚本（inittab 的 sysinit 触发）
PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin:$PATH
LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/lib:/usr/lib
export PATH LD_LIBRARY_PATH
mount -a                                   # 按 /etc/fstab 挂载
mkdir /dev/pts
mount -t devpts devpts /dev/pts
echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug  # 热插拔交给 mdev
mdev -s                                     # 扫描生成 /dev 节点

# /etc/fstab —— mount -a 时挂载的虚拟文件系统
#<file system> <mount point> <type> <options> <dump> <pass>
proc  /proc  proc  defaults 0 0
tmpfs /tmp   tmpfs defaults 0 0
sysfs /sys   sysfs defaults 0 0

Ubuntu 端的 NFS 服务要在 /etc/exports 里导出 rootfs 目录：/home/linux/nfs/rootfs *(rw,sync,no_subtree_check,no_root_squash)。之后开发板用网络启动的 bootargs 就能直接把这套 rootfs 挂起来。

7. SD 卡分区布局

如果选择完全离线启动（不依赖网络），SD 卡上的布局是理解启动过程的关键：U-Boot 以裸数据形式写在 1KB 偏移的保留区，zImage 和 dtb 放在 FAT32 分区（U-Boot 的 fatload 只能读 FAT），rootfs 解压到 EXT3 分区，内核模块放到 /lib/modules。

8. 启动全流程串联

1. BootROM：芯片 0 地址处的 96KB 固化代码。按拨码开关选启动设备，初始化基础时钟（ARM PLL 396M、System PLL 528M），从 SD/EMMC 的 1KB 偏移读 IVT/BootData/DCD，按 DCD 初步初始化 DDR，把 SPL 加载到片内 RAM（OCRAM 0x00900000）并跳转。
2. SPL：片内 RAM 只有 128KB，装不下完整 U-Boot，所以分两阶段。SPL 关看门狗、把 CPU 主频设为 792MHz、初始化 PLL 和 IOMUXC、深度初始化并校准 DDR，然后把完整 U-Boot 读到 DDR 0x87800000，跳转。
3. U-Boot 主程序：初始化外设、读环境变量、执行 bootcmd——把 zImage 加载到 0x80800000、dtb 加载到 0x83000000，bootz 启动内核。跳转前内核要求：MMU 关闭、D-cache 关闭、r0=0、r1=机器 ID、r2=dtb 地址。
4. Kernel：入口 stext（arch/arm/kernel/head.S）→ __mmap_switched → start_kernel（init/main.c）→ rest_init 创建 pid 1 的 kernel_init 线程和 pid 2 的 kthreadd → kernel_init 里 do_basic_setup 完成驱动模型初始化 → 按 bootargs 挂载 rootfs → 执行 /sbin/init。
5. rootfs 用户态：/sbin/init（busybox）读 /etc/inittab → sysinit 执行 /etc/init.d/rcS（设环境变量、mount -a 挂 proc/sysfs/tmpfs、mdev -s 生成 /dev 节点）→ askfirst 在串口启动 /bin/sh → 回车进入命令行。

9. 常见坑

• NFS 挂载失败 kernel panic（VFS: Unable to mount root fs）：检查 bootargs 里 root=/dev/nfs、nfsroot 路径是否和 Ubuntu 端 exports 一致；新版本 NFS 要在 nfsroot 里加 ,v3,proto=tcp。
• rootfs 解压报错：busybox 生成的压缩包解压要加 sudo，否则权限不对。
• 库文件是符号链接：ld-linux-armhf.so.3 等直接拷符号链接会指向不存在的路径，必须替换成真实文件。
• 千万别写 SD/EMMC 前两个块：分区表在那里，mmc write 前两个块会把卡写废。

10. 实验现象

minicom 连上串口后上电：先看到 U-Boot 的版本信息和倒计时，倒计时结束自动执行 bootcmd，tftp 下载 zImage 和 dtb 后内核启动日志刷屏，最后停在 Please press Enter to activate this console——回车，出现 / # 提示符，ls 能看到 bin、etc、lib、usr 等目录，系统移植完成。

总结

系统跑起来只是第一步。接下来的笔记进入驱动开发：先写一个最简单的内核模块，再把它升级成能控制 LED 的字符设备驱动。