【正点原子FPGA连载】第十五章U-Boot图形化配置及其原理--摘自【正点原子】领航者 ZYNQ 之linux驱动开发指南

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第十五章U-Boot图形化配置及其原理

在前两章中我们知道uboot可以通过zynq_altk_defconfig来配置。还有另外一种配置uboot的方法，就是图形化配置，以前的uboot是不支持图形化配置，只有Linux内核才支持图像化配置。不过不知从什么时候开始，uboot也支持图形化配置了，本章我们就来学习一下如何通过图形化配置uboot，并且学习一下图形化配置的原理，因为后面学习Linux驱动开发的时候可能要修改图形配置文件。



1.1U-Boot图形化配置体验
uboot或Linux内核可以通过输入“make menuconfig”来打开图形化配置界面，menuconfig是一套图形化的配置工具，需要ncurses库支持。ncurses库提供了一系列的API函数供调用者生成基于文本的图形界面，因此需要先在Ubuntu中安装ncurses库（我们在安装Petalinux工具的时候已经安装，因而不需要再安装），命令如下：

1. sudo apt-get install build-essential libncurses5 libncurses5-dev

复制代码

menuconfig重点会用到两个文件：.config和Kconfig。.config文件前面已经说了，这个文件保存着uboot的配置项，使用menuconfig配置完uboot以后肯定要更新.config文件。Kconfig文件是图形界面的描述文件，也就是描述界面应该有什么内容，很多目录下都会有Kconfig文件。
在打开图形化配置界面之前，要先使用“make xxx_defconfig”对uboot进行一次默认配置，只需要一次即可。如果使用“make clean”清理了工程的话就那就需要重新使用“make xxx_defconfig”再对uboot进行一次配置。进入uboot源码根目录，输入如下命令：

1. make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- zynq_altk_defconfig
   
2. make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

复制代码

如果显示如下所示错误信息：

1. Your display is too small to run Menuconfig!
   
2. It must be at least 19 lines by 80 columns.
   
3. scripts/kconfig/Makefile:37: recipe for target 'menuconfig' failed
   
4. make[1]: *** [menuconfig] Error 1
   
5. Makefile:479: recipe for target 'menuconfig' failed
   
6. make: *** [menuconfig] Error 2

复制代码

这是因为终端窗口有点小了，用鼠标调大点就可以了。
打开后的图形化界面如下图所示：

图 26.1.1 uboot图形化配置界面

上图就是主界面，主界面上方的英文就是简单的操作说明，操作方法我们在使用Petalinux时已经介绍过，具体见17.2.4节配置petalinux工程。
uboot有许多配置项，可通过键盘上的上下键移动到配置项。后面跟着“--->”表示此配置项有子配置项，按回车键就可以进入子配置项。
我们以如何使能dns命令为例，讲解一下如何通过图形化界面来配置uboot。进入“Command line interface  --->”这个配置项，此配置项用于配置uboot的命令，进入以后如下图所示：

图 26.1.2 Command line interface配置项

从上图可以看出，有很多配置项，这些配置项也有子配置项，选择“Network commands  --->”，进入网络相关命令配置项，如下图所示：

图 26.1.3 Network commands配置项

从上图可以看出，uboot中有很多和网络有关的命令，比如bootp、tftpboot、dhcp等等。选中dns，然后按下键盘上的“Y”键，此时dns前面的“[ ]”变成了“[ * ]”，如下图所示：

图 26.1.4选中dns命令

每个选项有3种编译选项，分别为：编译进uboot、取消编译(也就是不编译这个功能模块)、编译为模块。按下“Y”键表示编译进uboot，此时“[ ]”变成了“[ * ]”；按下“N”表示不编译，“[ ]”默认表示不编译；有些功能模块是支持编译为模块的，这个一般在Linux内核里面很常用，uboot下面不使用，如果要将某个功能编译为模块，那就按下“M”，此时“[ ]”就会变为“< M >”。
选中dns，然后按下“H”或者“?”键可以打开dns命令的提示信息，如下图所示：

图 26.1.5 dns命令提示信息

按两下ESC键即可退出提示界面，相当于返回上一层。选择dns命令以后，按两下ESC键（按两下ESC键相当于返回上一层），退出当前配置项，进入到上一层配置项。如果没有要修改的就按两下ESC键，退出到主配界面，如果也没有其他要修改的，那就再次按两下ESC键退出menuconfig配置界面。如果修改过配置的话，在退出主界面的时候会有如下图所示提示：

图 26.1.6是否保存新的配置文件对话框

上图询问是否保存新的配置文件，通过键盘的←或→键来选择“Yes”或“No”项，此处我们保持默认选择“Yes”，然后按下键盘上的回车键确认保存。至此，我们就完成了通过图形界面使能了uboot的dns命令，打开.config文件，会发现多了“CONFIG_CMD_DNS=y”这一行，如下图中的488行所示：

图 26.1.7.config文件

使用如下命令编译uboot：

1. make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j8

复制代码

编译完成以后下载到领航者开发板中运行，下载方式见25.1.3。下载完成后输入“?”查看是否有“dns”命令，一般肯定有的。测试一下dns命令工作是否正常，使用dns命令来查看一下百度官网“www.baidu.com”的IP地址。要先设置一下dns服务器的IP地址，也就是设置环境变量dnsip的值，命令如下：

1. setenv dnsip 114.114.114.114
   
2. saveenv

复制代码

设置好以后就可以使用dns命令查看百度官网的IP地址了，输入命令：

1. dns <a href="www.baidu.com" target="_blank">www.baidu.com</a>

复制代码

结果如下图所示：

图 26.1.8 dns命令

从上图可以看出，“www.baidu.com”的IP地址为180.101.49.12，说明dns命令工作正常。这个就是通过图形化命令来配置uboot，一般用来使能一些命令还是很方便的，这样就不需要到处找命令的配置宏是什么，然后再到配置文件里面去定义。
1.2menuconfig图形化配置原理
1.2.1make menuconfig过程分析
当输入“make menuconfig”以后会匹配到顶层Makefile的如下代码：
示例代码 顶层Makefile代码段

1. 478 %config: scripts_basic outputmakefile FORCE
   
2. 479     $(Q)$(MAKE) $(build)=scripts/kconfig $@

复制代码

这个在23.3.13小节已经详细的讲解过了，其中build=-f ./scripts/Makefile.build obj，将479行的规则展开就是：

1. @ make -f ./scripts/Makefile.build obj=scripts/kconfig menuconfig       //也可以没有@

复制代码

Makefilke.build会读取scripts/kconfig/Makefile中的内容，在scripts/kconfig/Makefile中可以找到如下代码：
示例代码 scripts/kconfig/Makefile代码段

1. 36 menuconfig: $(obj)/mconf
   
2. 37          [        DISCUZ_CODE_195        ]lt; $(silent) $(Kconfig)

复制代码

其中obj= scripts/kconfig，silent是设置静默编译的，在这里可以忽略不计，Kconfig=Kconfig，因此扩展以后就是：

1. menuconfig: scripts/kconfig/mconf
   
2. scripts/kconfig/mconf Kconfig

复制代码

目标menuconfig依赖scripts/kconfig/mconf，因此scripts/kconfig/mconf.c这个文件会被编译，生成mconf这个可执行文件。目标menuconfig对应的规则为scripts/kconfig/mconf Kconfig，也就是说mconf会调用uboot源码根目录下的Kconfig文件开始构建图形配置界面。
1.2.2Kconfig语法简介
上一小节我们已经知道了scripts/kconfig/mconf会调用uboot根目录下的Kconfig文件开始构建图形化配置界面，接下来简单学习一下Kconfig的语法。因为后面学习Linux驱动开发的时候可能会涉及到修改Kconfig，对于Kconfig语法我们不需要太深入的去研究，关于Kconfig的详细语法介绍，可以参考linux内核源码(uboot源码中没有这个文件)中的文件Documentation/kbuild/kconfig-language.txt，本节我们大概了解其原理即可。打开uboot根目录下的Kconfig，这个Kconfig文件就是顶层Kconfig，我们就以这个文件为例来简单学习一下Kconfig语法。
1、mainmenu
故名思议mainmenu就是主菜单，也就是输入“make menuconfig”以后打开的默认界面，在顶层Kconfig中有如下代码：
示例代码 顶层Kconfig代码段

1. 6 mainmenu "U-Boot $UBOOTVERSION Configuration"

复制代码

上述代码就是定义了一个名为“U-Boot $UBOOTVERSION Configuration”的主菜单，其中UBOOTVERSION=2018.01，因此主菜单名为“U-Boot 2018.01 Configuration”，如下图所示：

图 26.2.1主菜单名字

2、调用其他目录下的Kconfig文件
和makefile一样，Kconfig也可以调用其他子目录中的Kconfig文件，调用方法如下：

1. source "xxx/Kconfig"         //xxx为具体的目录名，相对路径

复制代码

在顶层Kconfig中有如下代码：
示例代码 顶层Kconfig代码段source代码

1. 13  source "arch/Kconfig"
   
2. ......
   
3. 403 source "api/Kconfig"
   
4. 404
   
5. 405 source "common/Kconfig"
   
6. 406
   
7. 407 source "cmd/Kconfig"
   
8. 408
   
9. 409 source "disk/Kconfig"
   
10. 410
    
11. 411 source "dts/Kconfig"
    
12. 412
    
13. 413 source "env/Kconfig"
    
14. 414
    
15. 415 source "net/Kconfig"
    
16. 416
    
17. 417 source "drivers/Kconfig"
    
18. 418
    
19. 419 source "fs/Kconfig"
    
20. 420
    
21. 421 source "lib/Kconfig"
    
22. 422
    
23. 423 source "test/Kconfig"

复制代码

从上述示例代码中可以看出，顶层Kconfig文件调用了很多其他子目录下的Kcofig文件，这些子目录下的Kconfig文件在主菜单中生成各自的菜单项。
3、menu/endmenu条目
menu用于生成菜单，endmenu就是菜单结束标志，这两个成对出现，用于定义一个拥有若干配置选项或子菜单的配置菜单。在顶层Kconfig中有如下代码：
示例代码 顶层Kconfig代码段menu代码

1. 15  menu "General setup"
   
2. 16  
   
3. 17  config BROKEN
   
4. 18      bool
   
5. 19      help
   
6. 20        This option cannot be enabled. It is used as dependency
   
7. 21        for broken and incomplete features.
   
8. ......
   
9. 184 endmenu     # General setup
   
10. 185
    
11. 186 menu "Boot images"
    
12. 187
    
13. 188 config ANDROID_BOOT_IMAGE
    
14. 189     bool "Enable support for Android Boot Images"
    
15. ......
    
16. 401 endmenu     # Boot images

复制代码

上述示例代码中有两个menu/endmenu代码块，这两个代码块就是两个子菜单。第15行的“menu "General setup"”表示子菜单“General setup”。第186行的“menu "Boot images"”表示子菜单“Boot images”。体现在主菜单界面的效果如下图所示：

图 26.2.2子菜单

在“General setup”菜单上面还有“Architecture select (ARM architecture)”和“ARM architecture”这两个子菜单，但是在顶层Kconfig中并没有看到这两个子菜单对应的menu/endmenu代码块，那这两个子菜单是怎么来的呢？这两个子菜单就是arch/Kconfig文件生成的。包括主界面中的“Boot timing”、“Console recording”等等这些子菜单，都是分别由顶层Kconfig所调用的common/Kconfig、cmd/Kconfig等这些子Kconfig文件来创建的。
3、config条目
顶层Kconfig中的“General setup”子菜单内容如下：
示例代码 顶层Kconfig代码段

1. 15  menu "General setup"
   
2. 16  
   
3. 17  config BROKEN
   
4. 18      bool
   
5. 19      help
   
6. 20        This option cannot be enabled. It is used as dependency
   
7. 21        for broken and incomplete features.
   
8. 22  
   
9. 23  config LOCALVERSION
   
10. 24      string "Local version - append to U-Boot release"
    
11. 25      help
    
12. ......
    
13. 86  config SYS_MALLOC_F
    
14. 87      bool "Enable malloc() pool before relocation"
    
15. 88      default y if DM
    
16. 89      help
    
17. ......
    
18. 95  config SYS_MALLOC_F_LEN
    
19. 96      hex "Size of malloc() pool before relocation"
    
20. 97      depends on SYS_MALLOC_F
    
21. 98      default 0x400
    
22. 99      help
    
23. ......
    
24. 132 menuconfig EXPERT
    
25. 133     bool "Configure standard U-Boot features (expert users)"
    
26. 134     default y
    
27. 135     help
    
28. ......
    
29. 141 if EXPERT
    
30. 142     config SYS_MALLOC_CLEAR_ON_INIT
    
31. 143     bool "Init with zeros the memory reserved for malloc (slow)"
    
32. 144     default y
    
33. 145     help
    
34. ......
    
35. 166 endif # EXPERT
    
36. ......
    
37. 184 endmenu     # General setup

复制代码

可以看出，在menu/endmenu代码块中有大量的“config xxxx”的代码块，也就是config条目。config条目就是“General setup”菜单的具体配置项，如下图所示：

图 26.2.3 General setup配置项

可以看到“config LOCALVERSION”对应着第一个配置项，“config LOCALVERSION_AUTO”对应着第二个配置项，以此类推，至于为什么没有“config BROKEN”的配置项，后面会说明。我们以“config LOCALVERSION”和“config LOCALVERSION_AUTO”这两个为例来分析一下config配置项的语法：
示例代码 顶层Kconfig代码段

1. 23  config LOCALVERSION
   
2. 24      string "Local version - append to U-Boot release"
   
3. 25      help
   
4. 26        Append an extra string to the end of your U-Boot version.
   
5. ......
   
6. 31        be a maximum of 64 characters.
   
7. 32
   
8. 33  config LOCALVERSION_AUTO
   
9. 34      bool "Automatically append version information to the version string"
   
10. 35      default y
    
11. 36      help
    
12. 37        This will try to automatically determine if the current tree is a
    
13. 38        release tree by looking for Git tags that belong to the current
    
14. 39        top of tree revision.
    
15. ......
    
16. 51    which is done within the script "scripts/setlocalversion".)

复制代码

第23和33行，这两行都以“config”关键字开头，后面跟着“LOCALVERSION”和“LOCALVERSION_AUTO”，这两个是配置项名字。假如我们使能了LOCALVERSION_AUTO这个功能，那么就会在.config文件中生成CONFIG_LOCALVERSION_AUTO，这个在上一小节讲解如何使能dns命令的时候讲过了。由此可知，.config文件中的“CONFIG_xxx”(xxx是具体的配置项名字)就是Kconfig文件中config关键字后面的配置项名字加上“CONFIG_”前缀。
config关键字下面的几行是配置项属性，第23~31行是LOCALVERSION的属性，第33~51行是LOCALVERSION_AUTO的属性。属性里面描述了配置项的类型、输入提示、依赖关系、帮助信息和默认值等。
第24行的string是变量类型，也就是“CONFIG_ LOCALVERSION”的变量类型。变量类型一共有5种，分别是：bool、tristate、string、hex和int，最常用的是bool、tristate和string这三种。bool类型有两种值：y和n，当为y的时候表示使能该配置项，当为n的时候表示禁止该配置项。tristate类型有三种值：y、m和n，其中y和n的涵义与bool类型一样，m表示将这个配置项编译为模块。string为字符串类型，所以LOCALVERSION是个字符串变量，用来存储本地字符串，选中以后即可输入用户定义的本地版本号，如下图所示：

图 26.2.4本地版本号配置

可以在上图中输入本地版本号，此处我们只是演示下，不输入，直接按“OK”退出。
另外，可以看到“string”后面的“Local version - append to U-Boot release”对应该配置项在图形界面上显示出来的标题。也就是说变量类型后面的输入提示会显示在图形配置界面上。由于“config BROKEN”只有“boot”变量类型，没有对应输入提示，所以没有显示在图形配置界面上。
第25行，help表示帮助信息，告诉我们配置项的含义，当我们按下“h”或“?”弹出来的帮助界面就是help的内容。
第34行，说明“CONFIG_LOCALVERSION_AUTO”是个bool类型，可以通过按下Y或N键来使能或者禁止CONFIG_LOCALVERSION_AUTO。
第35行，“default y”表示CONFIG_LOCALVERSION_AUTO的默认值就是y，所以这一行默认会被选中。
4、depends on和select
打开arch/arm/Kconfig文件，在里面有这如下代码：
示例代码 arch/arm/Kconfig代码段

1. 1    menu "ARM architecture"
   
2. 2       depends on ARM
   
3. 3   
   
4. 4    config SYS_ARCH
   
5. 5       default "arm"
   
6. 6   
   
7. 7    config ARM64
   
8. 8       bool
   
9. 9       select PHYS_64BIT
   
10. 10      select SYS_CACHE_SHIFT_6

复制代码

        第2行的“depends on”说明“ARM architecture”项依赖于“ARM”，也就是说“ARM”被选中以后“ARM architecture”才会显示。
第9~10行的“select”表示反向依赖，当选中“ARM64”以后，“PHYS_64BIT”、“SYS_CACHE_SHIFT_6”这两个也会被选中。
4、choice/endchoice
在arch/Kconfig文件中有如下代码：
示例代码 arch/ Kconfig代码段

1. 7   choice
   
2. 8       prompt "Architecture select"
   
3. 9       default SANDBOX
   
4. 10  
   
5. 11  config ARC
   
6. 12      bool "ARC architecture"
   
7. ......
   
8. 20  config ARM
   
9. 21      bool "ARM architecture"
   
10. ......
    
11. 30  config MICROBLAZE
    
12. 31      bool "MicroBlaze architecture"
    
13. ......
    
14. 1156
    
15. 1157 endchoice

复制代码

choice/endchoice代码段用来定义一组可选择项，将多个类似的配置项组合在一起，供用户单选或者多选。上述示例代码就是选择处理器架构，可以从ARC、ARM、MICROBLAZE等这些架构中选择，这里是单选。在uboot图形配置界面上选择“Architecture select”，进入以后如下图所示：

图 26.2.5架构选择界面

可以在上图中通过移动光标来选择所使用的CPU架构。第8行的prompt给出这个choice/endchoice段的提示信息为“Architecture select”。
5、menuconfig
menuconfig和menu很类似，但是menuconfig是个带选项的菜单，其一般用法为：
示例代码 menuconfig用法

1. 1 menuconfig MODULES
   
2. 2     bool "菜单"
   
3. 3 if MODULES
   
4. 4 ...
   
5. 5 endif # MODULES

复制代码

第1行，定义了一个可选的菜单MODULES，只有选中了MODULES后第3~5行的if到endif之间的内容才会显示。在顶层Kconfig中有如下代码：
示例代码 顶层Kconfig代码段

1. 15  menu "General setup"
   
2. ......
   
3. 132 menuconfig EXPERT
   
4. 133     bool "Configure standard U-Boot features (expert users)"
   
5. 134     default y
   
6. 135     help
   
7. 136       This option allows certain base U-Boot options and settings
   
8. 137       to be disabled or tweaked. This is for specialized
   
9. 138       environments which can tolerate a "non-standard" U-Boot.
   
10. 139       Use this only if you really know what you are doing.
    
11. 140
    
12. 141 if EXPERT
    
13. 142     config SYS_MALLOC_CLEAR_ON_INIT
    
14. 143     bool "Init with zeros the memory reserved for malloc (slow)"
    
15. 144     default y
    
16. 145     help
    
17. 146       This setting is enabled by default. The reserved malloc
    
18. 147       memory is initialized with zeros, so first malloc calls
    
19. ......
    
20. 157
    
21. 158 config TOOLS_DEBUG
    
22. 159     bool "Enable debug information for tools"
    
23. 160     help
    
24. 161       Enable generation of debug information for tools such as mkimage.
    
25. 162       This can be used for debugging purposes. With debug information
    
26. 163       it is possible to set breakpoints on particular lines, single-step
    
27. 164       debug through the source code, etc.
    
28. 165
    
29. 166 endif # EXPERT
    
30. ......
    
31. 184 endmenu     # General setup

复制代码

第132~166行使用menuconfig实现了一个菜单，路径如下：

1. General setup  
   
2. -> Configure standard U-Boot features (expert users)  --->

复制代码

如下图所示：

图 26.2.6菜单Configure standard U-Boot features (expert users)

从上图可以看到，前面有“[ ]”说明这个菜单是可选的，当选中这个菜单以后就可以进入到子选项中，也就是示例代码“menuconfig EXPERT”的第141~166行所描述的配置项，如下图所示：

图 26.2.7 EXPERT子菜单

如果不使能“Configure standard U-Boot features (expert users)”菜单，那么示例代码“menuconfig EXPERT”的第141~166行所描述的配置项就不会显示出来，进去以后是空白的，不显示配置项。
6、comment
comment用于注释，也就是在图形化界面中显示一行注释，打开文件cmd/Kconfig，有如下所示代码：
示例代码 cmd/Kconfig代码段

1. 117  source "cmd/fastboot/Kconfig"
   
2. 118  
   
3. 119  config BUILD_BIN2C
   
4. 120     bool
   
5. 121  
   
6. 122  comment "Commands"

复制代码

第122行使用comment标注了一行注释，注释内容为：“Commands”，该行注释在配置项Command line interface的下面。在uboot图形配置界面上选择“Command line interface  --->”，进入后如下图所示：

图 26.2.8注释“Generic NAND options”

从上图可以看出，在配置项“Fastboot support”下面有一行注释，注释内容为“*** Commands ***”。
7、source
source用于读取另一个Kconfig，比如：
source "arch/Kconfig"
这个在前面已经讲过了。
Kconfig语法就讲解到这里，基本上常用的语法就是这些，因为uboot相比Linux内核要小很多，所以配置项也要少很多，所以建议大家使用uboot来学习Kconfig。一般无需修改uboot中的Kconfig文件，甚至都不会去使用uboot的图形化界面配置工具，本小节学习Kconfig的目的主要还是为了Linux内核作准备。
1.3添加自定义菜单
图形化配置工具的主要工作是在.config文件下面生成前缀为“CONFIG_”的变量，这些变量一般都有对应的值，为y、m、字符串或数字，在uboot源码里面会根据这些变量来决定编译哪些文件。本小节我们就来学习一下如何添加自定义菜单。添加的自定义菜单需求如下：
1)在主界面中添加一个名为“My test menu”的菜单，此菜单内部有一个配置项。
2)配置项为“MY_TESTCONFIG”，此配置项处于菜单“My test menu”中。
3)配置项的变量类型为bool，默认值为y。
4)配置项标题名（变量名）为“This is my test config”。
5)配置项的帮助信息为“This is a empty config, just for tset!”。
打开顶层Kconfig，在最后面加入如下代码：
示例代码 自定义菜单

1. 1 menu "My test menu"
   
2. 2
   
3. 3 config MY_TESTCONFIG
   
4. 4   bool "This is my test config"
   
5. 5   default y
   
6. 6   help
   
7. 7     This is a empty config, just for tset!
   
8. 8
   
9. 9 endmenu       # my test menu

复制代码

添加完成以后打开图形化配置界面，如下图所示：

图 26.3.1主界面

从上图可以看出，主配置界面最后面出现了一个名为“My test menu”的菜单，这个就是我们添加进来的自定义菜单。进入此菜单，如下图所示：

图 26.3.2“My test menu”子菜单

从上图可以看出，配置项添加成功，选中“This is my test config”配置项，然后按下“H”键打开帮助文档，如下图所示：

图 26.3.3帮助信息

从上图可以看出，帮助信息也显示正确。配置项“MY_TESTCONFIG”默认也是被选中的，因此在图形界面点击“Save”后退出，在.config文件中会有“CONFIG_MY_TESTCONFIG=y”这一行，如下图所示：

图 26.3.4.config文件

至此，我们成功的在主菜单添加的自定义菜单。以后大家如果去半导体原厂工作的话，如果要编写Linux驱动，那么很有可能需要你来修改甚至编写Kconfig文件。Kconfig语法其实不难，重要的点就是26.2.2小节中的那几个，最主要的是记住：Kconfig文件的最终目的是在.config文件中生成以“CONFIG_”开头的变量。