U-Boot 환경 변수와 bootcmd — 부팅 시나리오 정의하기

#한 줄 요약

환경 변수는 U-Boot의 가변 상태 전부입니다. 부트 시나리오, 커널 인자, 네트워크 설정, MAC 주소까지 모두 environment에 들어가고, bootcmd가 그 변수들을 엮어 부트를 완성합니다.

10~12장에서 본 부트 미디어별 명령들은 결국 어떤 변수들의 조합으로 환경에 박힙니다. bootcmd는 그 조합의 entry point이고, distroboot는 표준화된 fallback 사슬입니다. 부트 동작을 바꾸고 싶다면 코드를 다시 빌드하지 않고도 환경 변수만으로 충분합니다.

이 글에서는 환경 변수의 저장 위치, 주요 변수의 의미, bootcmd의 구조, distro_bootcmd의 자동 fallback, 그리고 redundancy까지 정리합니다.

#환경은 어디에 저장되나

부트 ROM이 적재한 U-Boot 바이너리에는 default environment가 박혀 있습니다. saveenv로 수정하면 그 변경분이 persistent storage에 저장됩니다. 저장 위치는 빌드 시 CONFIG_ENV_IS_IN_*로 정합니다.

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CONFIG_ENV_IS_IN_MMC=y         # eMMC/SD의 raw offset
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CONFIG_ENV_IS_IN_SPI_FLASH=y   # SPI NOR의 erase block
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CONFIG_ENV_IS_IN_NAND=y        # NAND의 UBI 볼륨 또는 raw
4
CONFIG_ENV_IS_IN_FAT=y         # FAT 파일 시스템의 uboot.env 파일
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CONFIG_ENV_IS_IN_EXT4=y        # ext4 파일 시스템의 uboot.env 파일
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CONFIG_ENV_IS_NOWHERE=y        # 메모리에만 (saveenv 안됨)

eMMC를 쓰는 보드의 환경은 user area의 특정 offset이나 boot partition에 있습니다.

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#define CONFIG_ENV_OFFSET           0x400000   /* 4MiB offset */
2
#define CONFIG_ENV_SIZE             0x10000    /* 64KiB */
3
#define CONFIG_SYS_MMC_ENV_DEV      0
4
#define CONFIG_SYS_MMC_ENV_PART     1          /* boot partition 1 */

저장 위치는 erase size 단위로 정렬해야 합니다. SPI Flash의 sector size가 4KB면 offset도 4KB의 배수여야 합니다. 그렇지 않으면 erase가 다른 데이터를 같이 지웁니다.

#기본 명령들

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=> printenv
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arch=arm64
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baudrate=115200
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board=myboard
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bootargs=console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw rootwait
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bootcmd=run distro_bootcmd
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bootdelay=2
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fdt_addr_r=0x43000000
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fdtfile=myboard.dtb
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kernel_addr_r=0x40400000
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loadaddr=0x40400000
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serverip=192.168.1.10
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...
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=> printenv bootargs
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bootargs=console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw rootwait
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=> setenv bootargs "console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 ro quiet"
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=> saveenv
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Saving Environment to MMC... Writing to MMC(0)... OK
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=> editenv bootargs
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edit: console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 ro quiet

setenv var ""은 변수를 삭제합니다. saveenv는 전체 environment를 한 번에 직렬화해 저장합니다. 변수 하나 변경에도 전체가 다시 쓰입니다.

#핵심 변수들

이 변수들은 U-Boot 코드에서 기본값이 들어 있습니다. 보드별 헤더에서 CONFIG_EXTRA_ENV_SETTINGS로 추가합니다.

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#define CONFIG_EXTRA_ENV_SETTINGS \
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    "kernel_addr_r=0x40400000\0" \
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    "fdt_addr_r=0x43000000\0" \
4
    "ramdisk_addr_r=0x44000000\0" \
5
    "fdtfile=myboard.dtb\0" \
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    "boot_targets=mmc0 usb0 pxe dhcp\0" \
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    "console=ttyS0,115200\0" \
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    "bootargs_default=console=${console} root=/dev/mmcblk0p2 rw rootwait\0"

각 항목 끝의 \0이 변수 구분자입니다. \0 두 개가 연속되면 목록의 끝입니다.

#bootcmd의 구조

가장 단순한 bootcmd는 한 줄짜리 명령입니다.

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bootcmd=mmc dev 0; ext4load mmc 0:1 ${kernel_addr_r} /boot/Image; \
2
        ext4load mmc 0:1 ${fdt_addr_r} /boot/${fdtfile}; \
3
        booti ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr_r}

그러나 보드별 차이, 부트 실패 시 fallback, 멀티 OS 지원 같은 요구가 늘면 함수 단위로 쪼개야 합니다.

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bootcmd=run try_mmc || run try_usb || run try_dhcp
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try_mmc=mmc dev 0 && ext4load mmc 0:1 ${kernel_addr_r} /boot/Image && \
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        ext4load mmc 0:1 ${fdt_addr_r} /boot/${fdtfile} && \
5
        booti ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr_r}
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try_usb=usb start && load usb 0:1 ${kernel_addr_r} /boot/Image && \
8
        load usb 0:1 ${fdt_addr_r} /boot/${fdtfile} && \
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        booti ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr_r}
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try_dhcp=dhcp ${kernel_addr_r} && booti ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr_r}

이런 식의 수작업 환경 변수가 보드별로 누적되면 관리가 어려워집니다. 그래서 도입된 것이 distroboot입니다.

#distro_bootcmd — 표준 부트 시나리오

distroboot는 표준화된 부트 시나리오 라이브러리입니다. include/config_distro_bootcmd.h에 정의되어 있고, 보드는 CONFIG_DISTRO_DEFAULTS=y를 켜기만 하면 됩니다.

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boot_targets=mmc0 mmc1 nvme0 scsi0 usb0 pxe dhcp
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bootcmd=run distro_bootcmd
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distro_bootcmd=
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    setenv scriptaddr 0x40200000;
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    for target in ${boot_targets}; do
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        run bootcmd_${target};
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    done
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bootcmd_mmc0=
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    setenv devnum 0;
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    run mmc_boot
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mmc_boot=
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    mmc dev ${devnum};
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    if mmc rescan; then
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        run scan_dev_for_boot_part;
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    fi
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scan_dev_for_boot_part=
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    part list mmc ${devnum} -bootable devplist;
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    for distro_bootpart in ${devplist}; do
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        if load mmc ${devnum}:${distro_bootpart} ${scriptaddr} boot.scr; then
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            source ${scriptaddr};
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            exit;
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        fi
28
    done

흐름이 한눈에 들어옵니다.

1. boot_targets을 순서대로 시도한다.
2. 각 미디어에서 bootable 파티션을 찾는다.
3. boot.scr나 extlinux/extlinux.conf가 있으면 그것을 실행한다.
4. 한 미디어가 실패하면 다음으로 fall-through.

boot.scr는 10장에서 본 파일 시스템 안의 스크립트입니다. 부트 시나리오를 파일로 두면, U-Boot 환경을 건드리지 않고 OS만 새로 배포할 수 있습니다.

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# /boot/boot.cmd (사람이 읽는 원본)
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setenv bootargs "console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw rootwait"
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load mmc ${devnum}:${distro_bootpart} ${kernel_addr_r} /boot/Image
4
load mmc ${devnum}:${distro_bootpart} ${fdt_addr_r}    /boot/${fdtfile}
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booti ${kernel_addr_r} - ${fdt_addr_r}
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# 빌드
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mkimage -A arm64 -O linux -T script -C none -d boot.cmd boot.scr

#환경 변수 redundancy

저장 미디어가 부트 도중 전원이 꺼지면 environment가 깨질 수 있습니다. erase 중에 전원이 빠지면 sector가 all-FF 상태로 남아 다음 부트에서 environment를 못 읽습니다.

대책은 redundancy입니다. 두 카피를 두고, 한쪽이 망가져도 다른쪽으로 부트합니다.

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CONFIG_ENV_OFFSET=0x400000
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CONFIG_ENV_OFFSET_REDUND=0x410000
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CONFIG_SYS_REDUNDAND_ENVIRONMENT=y

저장 시 번갈아 가며 새 카피를 쓰고, 둘 다 유효하면 flag byte로 최신을 구분합니다. 한쪽이 깨졌다면 다른 쪽을 그대로 씁니다.

양산 보드는 redundancy를 기본으로 켭니다. 양산 중에 한 번의 갑작스러운 power loss로도 출하 후 부트가 안 될 수 있기 때문입니다.

#환경 변수의 default 처리

OTA나 공장 초기화 후 environment를 default로 되돌리고 싶을 때는 다음 절차를 씁니다.

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=> env default -a
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## Resetting to default environment
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=> saveenv

-a는 all입니다. 특정 변수만 default로 돌리려면 env default ipaddr serverip처럼 씁니다.

코드 측에서 default를 정의하는 곳은 include/env_default.h와 보드별 CONFIG_EXTRA_ENV_SETTINGS입니다. 빌드 후 변경할 수 없는 baseline입니다.

#자주 하는 실수

• saveenv 후 erase boundary에 다른 데이터가 있습니다. SPI Flash에서 env가 끝나는 sector에 부트로더 일부가 걸쳐 있으면 saveenv가 부트로더를 지웁니다. layout을 항상 erase size 단위로.
• bootargs에서 변수 expansion 시점이 헷갈립니다. setenv bootargs "root=${root_dev}"은 setenv 시점에 ${root_dev}가 펼쳐집니다. 부트 시점에 펼치고 싶다면 single-quote처럼 escape하거나 run 안에서 펼치세요.
• MAC 주소가 매번 random입니다. ethaddr이 비어 있으면 U-Boot가 random MAC을 만듭니다. DHCP 서버의 고정 매핑이 깨집니다. ethaddr을 fuse나 env에 박아 두세요.
• redundant env를 켜고 원래 offset만 채웠습니다. 두 카피 모두 각각의 위치에 초기 값이 있어야 합니다. 빌드 산출물의 u-boot.env를 두 위치에 모두 굽으세요.
• boot.scr의 mkimage -T script 형식을 빠뜨립니다. plain text로 두면 source가 실행하지 못합니다. 반드시 mkimage -T script로 헤더를 붙이세요.

#정리

• 환경은 U-Boot의 가변 상태 전부입니다. 부트 시나리오, 커널 인자, 네트워크가 모두 들어갑니다.
• 저장 위치는 빌드 시 CONFIG_ENV_IS_IN_*로 정하고, erase size 단위로 정렬합니다.
• 핵심 변수는 bootcmd, bootargs, loadaddr, *_addr_r, boot_targets, ethaddr입니다.
• bootcmd는 짧으면 한 줄, 길면 함수 단위 분해입니다.
• distro_bootcmd는 표준 fall-through 라이브러리이고, boot_targets만 정하면 끝입니다.
• 양산 보드는 redundancy를 켜서 power loss로 인한 env 손상을 막습니다.
• 변수 expansion 시점, MAC 영구화, erase 정렬이 1차 실수입니다.

#다음 장 예고

다음 글에서는 모던 U-Boot의 bootflow/bootmeth를 봅니다. distro_bootcmd의 거대한 env 스크립트를 C 코드 기반의 모듈로 대체하는 새 모델입니다.

#관련 항목

• Ch 10: 스토리지 부트 — boot.scr 패턴
• Ch 11: 네트워크 부트 — distroboot의 pxe/dhcp target
• Ch 14: bootflow / bootmeth — distro_bootcmd의 후계자
• BSP Ch 6: U-Boot 포팅 — 보드별 환경 설정
• U-Boot Distro Bootcmd 문서