임베디드 Bootloader 체인 — BootROM·SPL·U-Boot·Kernel·Secure Boot

#한 줄 요약

“부팅은 점진적 환경 확장입니다.” 작은 ROM에서 출발해 전체 OS까지 확장합니다.

#일반 ARM Cortex-A 부팅 단계

부트 체인을 그림으로 보면 다음과 같습니다.

각 stage가 어떤 환경에서 무엇을 하는지 단계별로 정리합니다.

#BootROM

• Chip mask ROM, 변경 불가
• TPL (Tertiary), 또는 SBL (Secondary Boot Loader) 라고도
• Strap pin·fuse로 부트 소스 결정 · SD card? · eMMC? · NOR flash? · UART (recovery)?
• 매체에서 고정 offset에서 binary 읽음 · NXP i.MX: 0x400 offset, IVT header · STM32MP1: 0 offset, partition ‘fsbl1’ · Allwinner: 8 KB offset
• Header 검증 → signature check (secure boot 시)
• SRAM에 로드 후 jump

#SPL (Secondary Program Loader)

1
/* U-Boot SPL의 역할 */
2
void board_init_f(ulong dummy) {
3
    /* 1. Pin mux·clock·UART (debug) */
4
    preloader_console_init();
5

6
    /* 2. DDR controller·PHY 초기화 */
7
    ddr_init();
8

9
    /* 3. 다음 단계 binary 로드 */
10
    spl_board_init();
11
    spl_load_image(IH_TYPE_FIRMWARE, &spl_image);
12

13
    /* 4. Jump to U-Boot proper */
14
    jump_to_image_no_args(&spl_image);
15
}

크기가 극도로 제한됩니다. chip 내장 SRAM에 들어가야 하므로 보통 64-128 KB 범위입니다.

#U-Boot Proper

1
=> printenv
2
bootcmd=run distro_bootcmd
3
fdt_addr=0x83000000
4
kernel_addr=0x82000000
5
initrd_addr=0x84000000
6

7
=> setenv bootargs "console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2"
8
=> fatload mmc 0:1 ${kernel_addr} zImage
9
=> fatload mmc 0:1 ${fdt_addr} board.dtb
10
=> bootz ${kernel_addr} - ${fdt_addr}

bootcmd는 자동 실행 명령입니다. bootdelay 초만 wait하고, 키 입력이 없으면 자동으로 시작합니다.

#FIT Image — 통합 부트 이미지

1
FIT (Flattened Image Tree): 한 파일에 kernel + DTB + initrd + 서명

1
/dts-v1/;
2
/ {
3
    description = "ARM kernel image";
4
    images {
5
        kernel {
6
            description = "Linux 5.15";
7
            data = /incbin/("./zImage");
8
            type = "kernel";
9
            arch = "arm";
10
            os = "linux";
11
            compression = "none";
12
            load = <0x82000000>;
13
            entry = <0x82000000>;
14
            hash-1 { algo = "sha256"; };
15
            signature-1 {
16
                algo = "sha256,rsa2048";
17
                key-name-hint = "dev";
18
            };
19
        };
20
        fdt {
21
            data = /incbin/("./board.dtb");
22
            type = "flat_dt";
23
        };
24
    };
25
    configurations {
26
        default = "conf-1";
27
        conf-1 {
28
            kernel = "kernel";
29
            fdt = "fdt";
30
        };
31
    };
32
};

1
mkimage -f boot.its boot.itb

boot.itb 단일 파일로 서명 + 검증이 가능합니다.

#Secure Boot

1
Hardware Root of Trust:
2
[eFuse / OTP — public key hash]
3
   ↓
4
[BootROM — public key 확인]
5
   ↓
6
[SPL — 서명된 image만 로드]
7
   ↓
8
[U-Boot — kernel/DTB 서명 검증]
9
   ↓
10
[Kernel — IMA·dm-verity로 user space 검증]

각 단계에서 다음 stage의 서명을 확인합니다. 한 단계라도 검증에 실패하면 부팅이 중단됩니다.

#TF-A (Trusted Firmware-A)

1
BL1 (BootROM)
2
   ↓
3
BL2 (Trusted Boot Firmware): DDR 초기화, 다음 binary 로드
4
   ↓
5
BL31 (EL3 Runtime): secure monitor, PSCI provider
6
   ↓
7
BL32 (Secure-EL1 OS): OP-TEE 등
8
   ↓
9
BL33 (Non-secure): U-Boot or Linux 직접

Cortex-A ARMv8 표준 부팅 chain입니다. 자동차 ECU·모바일 SoC의 표준입니다.

#A/B Boot — 안전 업데이트

Partition layout:

• /boot_a (kernel A + DTB A)
• /boot_b (kernel B + DTB B)
• /root_a, /root_b
• /misc — current slot + boot count

1
# U-Boot
2
=> if test ${current_slot} = "a"; then
3
     run boot_a
4
   else
5
     run boot_b
6
   fi
7

8
# Fail count
9
=> setexpr boot_count ${boot_count} + 1
10
=> if test ${boot_count} -ge 3; then
11
     run rollback_to_other_slot
12
   fi

업데이트 후 N회 부팅 실패가 발생하면 자동 rollback이 일어납니다. Android·Tesla·자동차 OTA에서 씁니다.

#STM32MP1 부팅 예

1. BootROM (32 KB)
2. FSBL (First Stage): TF-A BL2, 100 KB, internal SRAM
3. SSBL (Second Stage): U-Boot, DDR로 로드
4. Linux + DTB + extlinux script

STM32CubeProgrammer로 flash·verify를 수행합니다.

#i.MX8 부팅

1. BootROM
2. SCFW (System Controller Firmware): power·clock 관리 전용 ARM-M
3. SECO (Security Controller): secure key 관리
4. ATF BL31
5. U-Boot
6. Linux

이렇게 멀티 프로세서 부팅이 일어납니다. 자동차·산업 분야에서 표준입니다.

#부팅 디버깅

#UART 부트 로그 캡쳐

1
# host
2
screen /dev/ttyUSB0 115200 -L
3

4
# 보드 power on → 로그 확인
5
[ROM] Booting from SD...
6
[SPL] DRAM init done
7
[U-Boot] Hit any key to stop autoboot...

각 stage가 다른 문자열·서명을 출력합니다. 이렇게 어느 stage에서 hang이 났는지 식별할 수 있습니다.

#JTAG로 stage별 break

1
(gdb) target remote :3333
2
(gdb) break *0x10000000   # SPL entry
3
(gdb) continue

OpenOCD·J-Link로 BootROM 이후 어느 PC에 있는지 확인합니다.

#자주 하는 실수

⚠️ DTB · kernel 버전 mismatch

1
fatload mmc 0:1 ${fdt_addr} old.dtb   # 옛 DTB
2
bootz ${kernel_addr} - ${fdt_addr}     # 새 kernel
3
# → 부팅 hang or "Unable to find a usable RTC"

DTB는 kernel과 같은 버전에서 빌드해야 합니다. 자동화는 Yocto·Buildroot로 합니다.

⚠️ Boot partition offset 잘못

1
dd if=u-boot-spl.img of=/dev/mmcblk0 bs=1k seek=8   # ← BootROM offset 다름

칩별 offset을 정확히 확인해야 합니다. NXP i.MX는 0x400, Allwinner는 8 KB입니다.

⚠️ Bootargs 잘못

1
bootargs="console=ttyAMA0,115200 root=/dev/mmcblk0p2"
2
# ← console driver 이름이 잘못되면 로그가 안 나옵니다

DT의 chosen { stdout-path = ... }와 일치해야 합니다.

⚠️ Secure boot key 분실

1
eFuse에 public key hash가 박히면 revert가 불가합니다

개발 시에는 test key를 쓰고, 양산 직전에 production key로 burn합니다. 잘못하면 chip이 brick됩니다.

#정리

• 부팅은 BootROM → SPL → U-Boot → Kernel 순서입니다.
• SPL은 DDR 초기화와 다음 단계 로드를 담당합니다.
• FIT image로 통합과 서명을 합니다.
• A/B boot로 안전한 업데이트를 보장합니다.
• TF-A는 ARMv8 표준 chain입니다 (BL1~BL33).
• 디버깅에는 UART 로그와 JTAG break를 씁니다.

다음 편은 JTAG/SWD 디버깅입니다.

#관련 항목

• 1-04: Device Tree
• 1-06: JTAG·SWD