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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。對于不同體系結(jié)構(gòu)的處理器來說Linux的啟動過程也有所不同。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的啟動過程。

關(guān)鍵詞：ARMLinuxbootloader啟動過程

Abstract:

WecanseeembeddedLinuxinkindsofelectronicproductsbecauseofitsportability.Linux’sstart-upprocedurefordifferentprocessorsisalsodifferent.ThispaperprovidestheanalysisofbootloaderexecutionprocessandLinuxkernelstart-upprocedure-takingtheS3C2410ARMprocessorasexample.

Keywords:ARMLinuxbootloaderstart-upprocedure

1.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。

一個嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件角度看可以分為四個部分[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.Bootloader

2.1Bootloader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。在完成對系統(tǒng)的初始化任務(wù)之后，它會將非易失性存儲器（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)核的啟動過程，我們必須先得認(rèn)識bootloader的執(zhí)行過程，這樣才能對嵌入式系統(tǒng)的整個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，對于ARM處理器來說，該地址為0x00000000。對于一般的嵌入式系統(tǒng)，通常把Flash等非易失性存儲器映射到這個地址處，而bootloader就位于該存儲器的最前端，所以系統(tǒng)上電或復(fù)位后執(zhí)行的第一段程序便是bootloader。而因為存儲bootloader的存儲器不同，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啟動參數(shù)，給Flash分區(qū)等；也可以設(shè)計得很簡單，只完成最基本的功能。但為了能達(dá)到啟動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

因為Linux內(nèi)核一般都會在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都會在執(zhí)行過程中初始化一個串口做為調(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，并將其保存到某個常量中提供給Linux內(nèi)核。Linux內(nèi)核在啟動過程中會根據(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)核啟動參數(shù)。目前傳遞啟動參數(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)核在啟動過程中會根據(jù)該啟動參數(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），那么可直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核中去執(zhí)行。但由于在Flash中執(zhí)行代碼會有種種限制，而且速度也遠(yuǎn)不及RAM快，所以一般的嵌入式系統(tǒng)都是將Linux內(nèi)核拷貝到RAM中，然后跳轉(zhuǎn)到RAM中去執(zhí)行。不論哪種情況，在跳到Linux內(nèi)核執(zhí)行之前CUP的寄存器必須滿足以下條件：r0＝0，r1＝處理器類型，r2＝標(biāo)記列表在RAM中的地址。

.Linux內(nèi)核的啟動過程

在bootloader將Linux內(nèi)核映像拷貝到RAM以后，可以通過下例代碼啟動Linux內(nèi)核：call_linux(0,machine_type,kernel_params_base)。

其中，machine_tpye是bootloader檢測出來的處理器類型，kernel_params_base是啟動參數(shù)在RAM的地址。通過這種方式將Linux啟動需要的參數(shù)從bootloader傳遞到內(nèi)核。Linux內(nèi)核有兩種映像：一種是非壓縮內(nèi)核，叫Image，另一種是它的壓縮版本，叫zImage。根據(jù)內(nèi)核映像的不同，Linux內(nèi)核的啟動在開始階段也有所不同。zImage是Image經(jīng)過壓縮形成的，所以它的大小比Image小。但為了能使用zImage，必須在它的開頭加上解壓縮的代碼，將zImage解壓縮之后才能執(zhí)行，因此它的執(zhí)行速度比Image要慢。但考慮到嵌入式系統(tǒng)的存儲空容量一般比較小，采用zImage可以占用較少的存儲空間，因此犧牲一點(diǎn)性能上的代價也是值得的。所以一般的嵌入式系統(tǒng)均采用壓縮內(nèi)核的方式。

對于ARM系列處理器來說，zImage的入口程序即為arch/arm/boot/compressed/head.S。它依次完成以下工作：開啟MMU和Cache，調(diào)用decompress_kernel()解壓內(nèi)核，最后通過調(diào)用call_kernel()進(jìn)入非壓縮內(nèi)核Image的啟動。下面將具體分析在此之后Linux內(nèi)核的啟動過程。

3.1Linux內(nèi)核入口

Linux非壓縮內(nèi)核的入口位于文件/arch/arm/kernel/head-armv.S中的stext段。該段的基地址就是壓縮內(nèi)核解壓后的跳轉(zhuǎn)地址。如果系統(tǒng)中加載的內(nèi)核是非壓縮的Image，那么bootloader將內(nèi)核從Flash中拷貝到RAM后將直接跳到該地址處，從而啟動Linux內(nèi)核。不同體系結(jié)構(gòu)的Linux系統(tǒng)的入口文件是不同的，而且因為該文件與具體體系結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以一般均用匯編語言編寫[3]。對基于ARM處理的Linux系統(tǒng)來說，該文件就是head-armv.S。該程序通過查找處理器內(nèi)核類型和處理器類型調(diào)用相應(yīng)的初始化函數(shù)，再建立頁表，最后跳轉(zhuǎn)到start_kernel()函數(shù)開始內(nèi)核的初始化工作。

檢測處理器內(nèi)核類型是在匯編子函數(shù)__lookup_processor_type中完成的。通過以下代碼可實(shí)現(xiàn)對它的調(diào)用：bl__lookup_processor_type。__lookup_processor_type調(diào)用結(jié)束返回原程序時，會將返回結(jié)果保存到寄存器中。其中r8保存了頁表的標(biāo)志位，r9保存了處理器的ID號，r10保存了與處理器相關(guān)的struproc_info_list結(jié)構(gòu)地址。

檢測處理器類型是在匯編子函數(shù)__lookup_architecture_type中完成的。與__lookup_processor_type類似，它通過代碼：“bl__lookup_processor_type”來實(shí)現(xiàn)對它的調(diào)用。該函數(shù)返回時，會將返回結(jié)構(gòu)保存在r5、r6和r7三個寄存器中。其中r5保存了RAM的起始基地址，r6保存了I/O基地址，r7保存了I/O的頁表偏移地址。當(dāng)檢測處理器內(nèi)核和處理器類型結(jié)束后，將調(diào)用__create_page_tables子函數(shù)來建立頁表，它所要做的工作就是將RAM基地址開始的4M空間的物理地址映射到0xC0000000開始的虛擬地址處。對筆者的S3C2410開發(fā)板而言，RAM連接到物理地址0x30000000處，當(dāng)調(diào)用__create_page_tables結(jié)束后0x30000000～0x30400000物理地址將映射到0xC0000000～0xC0400000虛擬地址處。

當(dāng)所有的初始化結(jié)束之后，使用如下代碼來跳到C程序的入口函數(shù)start_kernel()處，開始之后的內(nèi)核初始化工作：

bSYMBOL_NAME(start_kernel)

3.2start_kernel函數(shù)

start_kernel是所有Linux平臺進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)核初始化后的入口函數(shù)，它主要完成剩余的與硬件平臺相關(guān)的初始化工作，在進(jìn)行一系列與內(nèi)核相關(guān)的初始化后，調(diào)用第一個用戶進(jìn)程－init進(jìn)程并等待用戶進(jìn)程的執(zhí)行，這樣整個Linux內(nèi)核便啟動完畢。該函數(shù)所做的具體工作有[4][5]

：

1)調(diào)用setup_arch()函數(shù)進(jìn)行與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的第一個初始化工作；

對不同的體系結(jié)構(gòu)來說該函數(shù)有不同的定義。對于ARM平臺而言，該函數(shù)定義在arch/arm/kernel/Setup.c。它首先通過檢測出來的處理器類型進(jìn)行處理器內(nèi)核的初始化，然后通過bootmem_init()函數(shù)根據(jù)系統(tǒng)定義的meminfo結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)存結(jié)構(gòu)的初始化，最后調(diào)用paging_init()開啟MMU，創(chuàng)建內(nèi)核頁表，映射所有的物理內(nèi)存和IO空間。

2)創(chuàng)建異常向量表和初始化中斷處理函數(shù)；

3)初始化系統(tǒng)核心進(jìn)程調(diào)度器和時鐘中斷處理機(jī)制；

4)初始化串口控制臺（serial-console）；

ARM-Linux在初始化過程中一般都會初始化一個串口做為內(nèi)核的控制臺，這樣內(nèi)核在啟動過程中就可以通過串口輸出信息以便開發(fā)者或用戶了解系統(tǒng)的啟動進(jìn)程。

5)創(chuàng)建和初始化系統(tǒng)cache，為各種內(nèi)存調(diào)用機(jī)制提供緩存，包括;動態(tài)內(nèi)存分配，虛擬文件系統(tǒng)（VirtualFileSystem）及頁緩存。

6)初始化內(nèi)存管理，檢測內(nèi)存大小及被內(nèi)核占用的內(nèi)存情況；

7)初始化系統(tǒng)的進(jìn)程間通信機(jī)制（IPC）；

當(dāng)以上所有的初始化工作結(jié)束后，start_kernel()函數(shù)會調(diào)用rest_init()函數(shù)來進(jìn)行最后的初始化，包括創(chuàng)建系統(tǒng)的第一個進(jìn)程－init進(jìn)程來結(jié)束內(nèi)核的啟動。Init進(jìn)程首先進(jìn)行一系列的硬件初始化，然后通過命令行傳遞過來的參數(shù)掛載根文件系統(tǒng)。最后init進(jìn)程會執(zhí)行用戶傳遞過來的“init＝”啟動參數(shù)執(zhí)行用戶指定的命令，或者執(zhí)行以下幾個進(jìn)程之一：

execve("/sbin/init",argv_init,envp_init);

execve("/etc/init",argv_init,envp_init);

execve("/bin/init",argv_init,envp_init);

execve("/bin/sh",argv_init,envp_init)。

當(dāng)所有的初始化工作結(jié)束后，cpu_idle()函數(shù)會被調(diào)用來使系統(tǒng)處于閑置（idle）狀態(tài)并等待用戶程序的執(zhí)行。至此，整個Linux內(nèi)核啟動完畢。

4.結(jié)論

Linux內(nèi)核是一個非常龐大的工程，經(jīng)過十多年的發(fā)展，它已從從最初的幾百KB大小發(fā)展到現(xiàn)在的幾百兆。清晰的了解它執(zhí)行的每一個過程是件非常困難的事。但是在嵌入式開發(fā)過程中，我們并不需要十分清楚linux的內(nèi)部工作機(jī)制，只要適當(dāng)修改linux內(nèi)核中那些與硬件相關(guān)的部分，就可以將linux移植到其它目標(biāo)平臺上。通過對linux的啟動過程的分析，我們可以看出哪些是和硬件相關(guān)的，哪些是linux內(nèi)核內(nèi)部已實(shí)現(xiàn)的功能，這樣在移植linux的過程中便有所針對。而linux內(nèi)核的分層設(shè)計將使linux的移植變得更加容易。

參考文獻(xiàn)

[1]詹榮開．嵌入式系統(tǒng)bootloader技術(shù)內(nèi)幕[EB/OL]./developerworks/cn/linux/l-btloader/index.html，2003.12．

[2]RussellKing．BootingARMLinux[Z]．LinuxDocumentation．May2002

[3]劉淼．嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計與Linux驅(qū)動程序開發(fā)[M]．北京航空航天大學(xué)出版社．2006.6

[4]WilliamGatliff．TheLinux2.4Kernel’sStartupProcedure[DB/CD]．2002EmbeddedSystemConferenceSanFrancisco，March..2002

[5]ClaudiaSalzbergRodriguez,GordonFischer,StevenSmolski．Linux內(nèi)核編程[M]．陳莉君,賀炎,劉霞林．機(jī)械工業(yè)出版社．2006.7