ARM Linux啟動過程分析

ARMLinux啟動過程分析

摘要：嵌入式Linux的可移植性使得我們可以在各種電子產品上看到它的身影。對于不同體系結構的處理器來說Linux的啟動過程也有所不同。本文以S3C2410ARM處理器為例，詳細分析了系統(tǒng)上電后bootloader的執(zhí)行流程及ARMLinux的啟動過程。關鍵詞：ARMLinuxbootloader啟動過程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的學生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機上的普及程度遠不及微軟的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]：引導加載程序（bootloader），Linux內核，文件系統(tǒng)，應用程序。其中bootloader是系統(tǒng)啟動或復位以后執(zhí)行的第一段代碼，它主要用來初始化處理器及外設，然后調用Linux內核。Linux內核在完成系統(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)配置文件和運行應用軟件所需要的庫。應用程序可以說是嵌入式系統(tǒng)的“靈魂”，它所實現(xiàn)的功能通常就是設計該嵌入式系統(tǒng)所要達到的目標。如果沒有應用程序的支持，任何硬件上設計精良的嵌入式系統(tǒng)都沒有實用意義。從以上分析我們可以看出bootloader和Linux內核在嵌入式系統(tǒng)中的關系和作用。Bootloader在運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容。2.Bootloader2.1Bootloader的概念和作用Bootloader是嵌入式系統(tǒng)的引導加載程序，它是系統(tǒng)上電后運行的第一段程序，其作用類似于PC機上的BIOS。在完成對系統(tǒng)的初始化任務之后，它會將非易失性存儲器（通常是Flash或DOC等）中的Linux內核拷貝到RAM中去，然后跳轉到內核的第一條指令處繼續(xù)執(zhí)行，從而啟動Linux內核。由此可見，bootloader和Linux內核有著密不可分的聯(lián)系，要想清楚的了解Linux內核的啟動過程，我們必須先得認識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。實際應用中的bootloader根據(jù)所需功能的不同可以設計得很復雜，除完成基本的初始化系統(tǒng)和調用Linux內核等基本任務外，還可以執(zhí)行很多用戶輸入的命令，比如設置Linux啟動參數(shù)，給Flash分區(qū)等；也可以設計得很簡單，只完成最基本的功能。但為了能達到啟動Linux內核的目的，所有的bootloader都必須具備以下功能[2]：1)初始化RAM因為Linux內核一般都會在RAM中運行，所以在調用Linux內核之前bootloader必須設置和初始化RAM，為調用Linux內核做好準備。初始化RAM的任務包括設置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試bootloader和Linux內核的強有力的工具，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試端口。3)檢測處理器類型Bootloader在調用Linux內核前必須檢測系統(tǒng)的處理器類型，并將其保存到某個常量中提供給Linux內核。Linux內核在啟動過程中會根據(jù)該處理器類型調用相應的初始化程序。4)設置Linux啟動參數(shù)Bootloader在執(zhí)行過程中必須設置和初始化Linux的內核啟動參數(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（標記列表，taggedlist）兩種結構傳遞。structparam_struct是一種比較老的參數(shù)傳遞方式，在2.4版本以前的內核中使用較多。從2.4版本以后Linux內核基本上采用標記列表的方式。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，只不過在內核啟動過程中它將被轉換成標記列表方式。標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結尾。中間可以根據(jù)需要加入其他列表。Linux內核在啟動過程中會根據(jù)該啟動參數(shù)進行相應的初始化工作。5)調用Linux內核映像Bootloader完成的最后一項工作便是調用Linux內核。如果Linux內核存放在Flash中，并且可直接在上面運行（這里的Flash指NorFlash），那