ARM Linux啟動(dòng)過程分析

ARMLinux啟動(dòng)過程分析

摘要：嵌入式Linux的可移植性使得我們可以在各種電子產(chǎn)品上看到它的身影。對(duì)于不同體系結(jié)構(gòu)的處理器來說Linux的啟動(dòng)過程也有所不同。本文以S3C2410ARM處理器為例，詳細(xì)分析了系統(tǒng)上電后bootloader的執(zhí)行流程及ARMLinux的啟動(dòng)過程。關(guān)鍵詞：ARMLinuxbootloader啟動(dòng)過程Abstract:WecanseeembeddedLinuxinkindsofelectronicproductsbecauseofitsportability.Linux’sstart-upprocedurefordifferentprocessorsisalsodifferent.ThispaperprovidestheanalysisofbootloaderexecutionprocessandLinuxkernelstart-upprocedure-takingtheS3C2410ARMprocessorasexample.Keywords:ARMLinuxbootloaderstart-upprocedure1.引言Linux最初是由瑞典赫爾辛基大學(xué)的學(xué)生LinusTorvalds在1991年開發(fā)出來的，之后在GNU的支持下，Linux獲得了巨大的發(fā)展。雖然Linux在桌面PC機(jī)上的普及程度遠(yuǎn)不及微軟的Windows操作系統(tǒng)，但它的發(fā)展速度之快、用戶數(shù)量的日益增多，也是微軟所不能輕視的。而近些年來Linux在嵌入式領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，更是給Linux注入了新的活力。一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件角度看可以分為四個(gè)部分[1]：引導(dǎo)加載程序（bootloader），Linux內(nèi)核，文件系統(tǒng)，應(yīng)用程序。其中bootloader是系統(tǒng)啟動(dòng)或復(fù)位以后執(zhí)行的第一段代碼，它主要用來初始化處理器及外設(shè)，然后調(diào)用Linux內(nèi)核。Linux內(nèi)核在完成系統(tǒng)的初始化之后需要掛載某個(gè)文件系統(tǒng)做為根文件系統(tǒng)（RootFilesystem）。根文件系統(tǒng)是Linux系統(tǒng)的核心組成部分，它可以做為Linux系統(tǒng)中文件和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)域，通常它還包括系統(tǒng)配置文件和運(yùn)行應(yīng)用軟件所需要的庫。應(yīng)用程序可以說是嵌入式系統(tǒng)的“靈魂”，它所實(shí)現(xiàn)的功能通常就是設(shè)計(jì)該嵌入式系統(tǒng)所要達(dá)到的目標(biāo)。如果沒有應(yīng)用程序的支持，任何硬件上設(shè)計(jì)精良的嵌入式系統(tǒng)都沒有實(shí)用意義。從以上分析我們可以看出bootloader和Linux內(nèi)核在嵌入式系統(tǒng)中的關(guān)系和作用。Bootloader在運(yùn)行過程中雖然具有初始化系統(tǒng)和執(zhí)行用戶輸入的命令等作用，但它最根本的功能就是為了啟動(dòng)Linux內(nèi)核。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的過程中，很大一部分精力都是花在bootloader和Linux內(nèi)核的開發(fā)或移植上。如果能清楚的了解bootloader執(zhí)行流程和Linux的啟動(dòng)過程，將有助于明確開發(fā)過程中所需的工作，從而加速嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程。而這正是本文的所要研究的內(nèi)容。2.Bootloader2.1Bootloader的概念和作用Bootloader是嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)加載程序，它是系統(tǒng)上電后運(yùn)行的第一段程序，其作用類似于PC機(jī)上的BIOS。在完成對(duì)系統(tǒng)的初始化任務(wù)之后，它會(huì)將非易失性存儲(chǔ)器（通常是Flash或DOC等）中的Linux內(nèi)核拷貝到RAM中去，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的第一條指令處繼續(xù)執(zhí)行，從而啟動(dòng)Linux內(nèi)核。由此可見，bootloader和Linux內(nèi)核有著密不可分的聯(lián)系，要想清楚的了解Linux內(nèi)核的啟動(dòng)過程，我們必須先得認(rèn)識(shí)bootloader的執(zhí)行過程，這樣才能對(duì)嵌入式系統(tǒng)的整個(gè)啟過程有清晰的掌握。2.2Bootloader的執(zhí)行過程不同的處理器上電或復(fù)位后執(zhí)行的第一條指令地址并不相同，對(duì)于ARM處理器來說，該地址為0x00000000。對(duì)于一般的嵌入式系統(tǒng)，通常把Flash等非易失性存儲(chǔ)器映射到這個(gè)地址處，而bootloader就位于該存儲(chǔ)器的最前端，所以系統(tǒng)上電或復(fù)位后執(zhí)行的第一段程序便是bootloader。而因?yàn)榇鎯?chǔ)bootloader的存儲(chǔ)器不同，bootloader的執(zhí)行過程也并不相同，下面將具體分析。嵌入式系統(tǒng)中廣泛采用的非易失性存儲(chǔ)器通常是Flash，而Flash又分為NorFlash和NandFlash兩種。它們之間的不同在于：NorFlash支持芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP，eXecuteInPlace），這樣代碼可以在Flash上直接執(zhí)行而不必拷貝到RAM中去執(zhí)行。而NandFlash并不支持XIP，所以要想執(zhí)行NandFlash上的代碼，必須先將其拷貝到RAM中去，然后跳到RAM中去執(zhí)行。實(shí)際應(yīng)用中的bootloader根據(jù)所需功能的不同可以設(shè)計(jì)得很復(fù)雜，除完成基本的初始化系統(tǒng)和調(diào)用Linux內(nèi)核等基本任務(wù)外，還可以執(zhí)行很多用戶輸入的命令，比如設(shè)置Linux啟動(dòng)參數(shù)，給Flash分區(qū)等；也可以設(shè)計(jì)得很簡單，只完成最基本的功能。但為了能達(dá)到啟動(dòng)Linux內(nèi)核的目的，所有的bootloader都必須具備以下功能[2]：1)初始化RAM因?yàn)長inux內(nèi)核一般都會(huì)在RAM中運(yùn)行，所以在調(diào)用Linux內(nèi)核之前bootloader必須設(shè)置和初始化RAM，為調(diào)用Linux內(nèi)核做好準(zhǔn)備。初始化RAM的任務(wù)包括設(shè)置CPU的控制寄存器參數(shù)，以便能正常使用RAM以及檢測RAM大小等。2)初始化串口串口在Linux的啟動(dòng)過程中有著非常重要的作用，它是Linux內(nèi)核和用戶交互的方式之一。Linux在啟動(dòng)過程中可以將信息通過串口輸出，這樣便可清楚的了解Linux的啟動(dòng)過程。雖然它并不是bootloader必須要完成的工作，但是通過串口輸出信息是調(diào)試bootloader和Linux內(nèi)核的強(qiáng)有力的工具，所以一般的bootloader都會(huì)在執(zhí)行過程中初始化一個(gè)串口做為調(diào)試端口。3)檢測處理器類型Bootloader在調(diào)用Linux內(nèi)核前必須檢測系統(tǒng)的處理器類型，并將其保存到某個(gè)常量中提供給Linux內(nèi)核。Linux內(nèi)核在啟動(dòng)過程中會(huì)根據(jù)該處理器類型調(diào)用相應(yīng)的初始化程序。4)設(shè)置Linux啟動(dòng)參數(shù)Bootloader在執(zhí)行過程中必須設(shè)置和初始化Linux的內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)。目前傳遞啟動(dòng)參數(shù)主要采用兩種方式：即通過structparam_struct和structtag（標(biāo)記列表，taggedlist）兩種結(jié)構(gòu)傳遞。structparam_struct是一種比較老的參數(shù)傳遞方式，在2.4版本以前的內(nèi)核中使用較多。從2.4版本以后Linux內(nèi)核基本上采用標(biāo)記列表的方式。但為了保持和以前版本的兼容性，它仍支持structparam_struct參數(shù)傳遞方式，只不過在內(nèi)核啟動(dòng)過程中它將被轉(zhuǎn)換成標(biāo)記列表方式。標(biāo)記列表方式是種比較新的參數(shù)傳遞方式，它必須以ATAG_CORE開始，并以ATAG_NONE結(jié)尾。中間可以根據(jù)需要加入其他列表。Linux內(nèi)核在啟動(dòng)過程中會(huì)根據(jù)該啟動(dòng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的初始化工作。5)調(diào)用Linux內(nèi)核映像Bootloader完成的最后一項(xiàng)工作便是調(diào)用Linux內(nèi)核。如果Linux內(nèi)核存放在Flash中，并且可直接在上面運(yùn)行（這里的Flash指NorFlash），那