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本文介绍如何使用我们开发的vf2_bootloader引导程序代替Uboot，在Visionfive 2平台上运行。

预先准备环境：

Visionfive2 开发板
一台Linux主机或虚拟机（能够读写SD卡）
riscv工具链（unknow-none）
Rust语言环境
Uart USB转TTL（或其他可以连接uart的设备）

VisionFive 2 及启动流程

VisionFive 2是一款搭载RISC-V处理器的单板计算机，它拥有一个采用RV64GC ISA的四核64位SoC，运行速度高达1.5 GHz，提供了丰富的外设。

VisionFive2 的启动流程为 BootROM > SPL + Open SBI + UBoot > Kernel + File System > Boot Complete。其中BootROM为片上内存，spl是Uboot的一部分，OpenSBI编译后同UBoot链接在一起，启动过程如下图所示：

VisionFive 2启动流程

加电后，第一步是执行BootROM，然后需要根据启动模式执行下一步；启动模式如下：

index	启动模式	RGPIO_1	RGPIO_0
1	1-bit QSPI Nor Flash	0 (L)	0 (L)
2	SDIO3.0	0 (L)	1 (H)
3	eMMC	1 (H)	0 (L)
4	UART	1 (H)	1 (H)

boot_mode

第二步是根据选择的启动模式将spl加载至SRAM中执行，spl是Uboot的一部分，它主要的任务是调整一些板子的设置并加载Uboot到主存；第三步：spl加载完Uboot并跳转到Uboot的入口地址执行，Uboot提供了很多命令，可以用来查看一些板子的配置信息、设置环境变量、加载内核到内存…… 最重要的功能就是向内核传递一些参数并将内核加载至内存，最终跳转到内核执行。

如果想加载自定义的操作系统内核，使用Uboot可能不是那么容易，因此我们重写了启动引导第三步的程序，并把它命名为vf2_bootloader，将这个程序刷写到设备中，就可以实现自由灵活的加载自定义的内核了。

在刷写程序之前，有个问题需要先考虑一下：板载BootROM固件根据启动模式选择SPL的加载位置有三种，QSPI Flash、SD、NVME、eMMC（Uart用于恢复SPL和Uboot），spl和Uboot被放置在一个设备的不同分区中，我们需要考虑这三种设备中，哪种设备便于刷入程序，并且最好不要随意刷写焊接在板子上的硬件，因为硬件损坏不易维修。QSPI Flash和eMMC（不自带）被焊接在板子上，出现硬件问题不易解决，而NVME硬盘成本稍高，不宜反复插拔，而SD卡容易插拔、出问题更换的成本低。

所以本实验使用SD卡进行，你需要按照上面的图将启动模式调整为SDIO模式，那么话不多说，我们开始吧！

开始制作自定义的引导程序

本机环境为x86_64架构，Ubuntu 24.04，首先我们来安装一些必要的环境。

1. Rust 语言环境

安装Rust语言环境，可能会由于网络问题比较缓慢，我们可以配置国内镜像解决这个问题，在您的终端中输入：

$ export RUSTUP_DIST_SERVER=https://mirrors.ustc.edu.cn/rust-static
$ export RUSTUP_UPDATE_ROOT=https://mirrors.ustc.edu.cn/rust-static/rustup

你也可以选择将这两个环境变量写入环境变量配置文件，使其永久生效。（比如将这条命令追加到~/.bashrc，然后source ~/.bashrc 使环境变量立即生效）。

接下来，就可以安装Rust语言环境了，执行

curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh

Install Rust

安装程序需要我们确认安装，此时我们直接Enter默认安装即可，等待安装完成。需要执行source ~/.bashrc使环境变量生效，执行rustc --version和cargo --version验证Rust语言环境是否安装成功：

$ rustc --version
rustc 1.83.0 (90b35a623 2024-11-26)
$ cargo --version
cargo 1.83.0 (5ffbef321 2024-10-29)

编译环境要求使用Rust Nightly版本，执行

rustup default nightly

将自动安装并切换到Nightly版本的Rust语言环境。然后，添加riscv架构支持，执行

rustup target add riscv64gc-unknown-none-elf

验证安装，执行

rustup target list | grep installed

输出中存在riscv64gc-unknown-none-elf (installed)，即代表操作成功。

为了支持no_std环境的编译，还需要添加一些东西，执行

rustup component add rust-src

2. 安装riscv 工具链

在Ubuntu上，可以直接使用apt安装riscv工具链：

$ sudo apt install gcc-riscv64-unknown-elf
$ riscv64-unknown-elf-gcc --version
riscv64-unknown-elf-gcc (13.2.0-11ubuntu1+12) 13.2.0
Copyright (C) 2023 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

注意，我们要安装的是unknown-elf，而不是linux-gnu，其他发行版安装方法可能不一样，如果您不知道其他发行版该如何使用包管理安装，可以手动编译安装：

$ git clone https://github.com/riscv/riscv-gnu-toolchain
$ cd riscv-gnu-toolchain
$ git submodule update --init --recursive
$ ./configure --prefix=/opt/riscv
$ make -j$(nproc)

注意--prefix参数为工具链安装目录，可以自行替换，github仓库克隆时间和编译时间可能较长，需要等待编译完成后，配置好工具链环境变量。

3. 准备SD卡并写入引导程序

Note：下面步骤中，对SD卡分区或向SD卡写入数据，要注意将/dev/sdX 替换为自己的设备，可以通过fdisk -l命令查看自己的SD卡设备名

首先，准备一个至少32GB的SD卡和一个读卡器，将其插入自己的Linux机器，进行分区和格式化：

$ sudo sgdisk -g --clear --set-alignment=1 \
--new=1:4096:+2M: --change-name=1:'spl' --typecode=1:2e54b353-1271-4842-806f-e436d6af6985 \
--new=2:8192:+16M: --change-name=2:'opensbi-uboot' --typecode=2:5b193300-fc78-40cd-8002-e86c45580b47 \
--new=3:40961:+64M --change-name=3:'efi' --typecode=3:C12A7328-F81F-11D2-BA4B-00A0C93EC93B \
/dev/sdX
$ sudo mkfs.fat -F 32 /dev/sdX3

如果mkfs.fat命令未找到，需要安装dosfstools。接下来，我们开始制作引导程序，并将程序写入SD卡的分区中：

$ git clone https://github.com/QIUZHILEI/vf2_bootloader.git
$ cd vf2_bootloader
$ cargo fetch
$ ./gen_img.sh

执行完上述命令后，会在vf2_bootloader目录下生成一个fw.img的文件，在tools目录下，已经准备好了spl u-boot-spl.bin.normal.out 和一个用于测试的内核 LEGO.OS ，我们继续将 u-boot-spl.bin.normal.out 和 fw.img 分别写入SD卡的第一个和第二个分区，将LEGO.OS拷贝到第三个分区，在vf2_bootloader目录下执行：

$ sudo dd if=./tools/u-boot-spl.bin.normal.out of=/dev/sdX1
$ sudo dd if=./fw.img of=/dev/sdX2
$ sudo mount /dev/sdX3 /mnt
$ sudo cp ./tools/LEGO.OS /mnt/
$ sudo umount /mnt

至此，SD卡制作完成。

Note：注意mount命令挂载的位置，如果/mnt被占用，可以选择其他目录

4. 准备Visionfive2

按下图将Vision five2的Uart串口引脚与USB转TTL线连接：

Uart connection

Note：另一端需要使用一个Type-C数据线，将USB转TTL模块连接到自己的机器

本机需要安装一个能够监视Uart串口输入输出的软件，例如MobaXterm、vscode Serial Monitor插件、minicom命令行、picocom命令行，这里我们使用minicom命令行工具（你需要使用包管理或手动编译安装这个工具），串口设备在我的机器上映射名称为ttyACM0，VisionFive2 uart的波特率为115200，执行

sudo minicom -b 115200 -D /dev/ttyACM0

开始监视串口设备。minicom可能存在不自动换行问题，执行完上述命令后，可以通过按Ctrl+A再按Z，找到加入换行（应该是按U）打开即可。

按照前文所述的启动模式，将Visionfive 2板子的启动模式调整为SDIO模式。