ARM+Linux啟動(dòng)過程分析

1、ARM Linux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 S3C2410 ARM 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 ARM Linux 的啟動(dòng)過程。關(guān)鍵詞：ARM Linux bootloader 啟動(dòng)過程中圖分類號(hào):TP3161.引言Linux最初是由瑞典赫爾辛基大學(xué)的學(xué)生Linus Torvalds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 Wind

2、ows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)(Root Filesystem )。根文件系統(tǒng)是 Linux系統(tǒng)的核心組成部分，它可以做 為L(zhǎng)inux系統(tǒng)中文件和數(shù)

3、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(kù)。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Lin

4、ux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. Bootloader2.1 Bootloader 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

5、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)啟動(dòng)過程有清晰的掌握。2.2 Bootloader 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 0 x00000000。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

6、,而 Flash又分為 Nor Flash和Nand Flash 兩種。它們之間的不同在于：Nor Flash支持芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP, eXecute InPlace),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 Nand Flash并不支持 XIP ,所以要想執(zhí)行 Nand Flash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)

7、得很簡(jiǎn)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)?Linux 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(cè) 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 程。雖然它并不是 bo

8、otloader 必須要完成的工作，但是通過串口輸出信息是調(diào)試和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。Linux的啟動(dòng)過3）檢測(cè)處理器類型Bootloader在調(diào)用 Linux內(nèi)核前必須檢測(cè)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 struct param_struct 和 struct tag （

9、標(biāo)記列表，tagged list ）兩 種結(jié)構(gòu)傳遞。struct param_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 struct param_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

10、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 Nor Flash),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(huì)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。3. Linux內(nèi)核的啟動(dòng)過程在 bootloader 將 Linux內(nèi)核映像拷貝到RAM以后，可以通過下例代

11、碼啟動(dòng)Linux內(nèi)核：call_linux(0, machine_type, kernel_params_base)。其中，machine_tpye 是 bootloader 檢測(cè)出來的處理器類型，kernel_params_base 是啟動(dòng)參數(shù)在 RAM 的地址。通過這種方式將 Linux啟動(dòng)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(dòng)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

12、 ,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(chǔ)空容量一般比較小，采用zImage可以占用較少的存儲(chǔ)空間，因此犧牲一點(diǎn)性能上的代價(jià)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(duì)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(dòng)。下面將具體分析在此之后Linux內(nèi)核的啟

13、動(dòng)過程。3.1 Linux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(dòng) 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?yàn)樵撐募c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(duì)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

14、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(cè)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(duì)它的調(diào)用：bl _lookup_processor_type。_lookup_processor_type調(diào)用結(jié)束返回原程序時(shí)，會(huì)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(hào)，r10保存了與處理器相關(guān)的struproc_info_list 結(jié)構(gòu)地址。檢測(cè)處理器類型是在匯編子函數(shù)_lookup_architecture_type中完成的。與_lookup_processor_ty

15、pe 類似，它通過代碼：“bl _lookup_processor_type 來實(shí)現(xiàn)對(duì)它的調(diào)用。該函數(shù)返回時(shí)，會(huì)將返回結(jié)構(gòu)保存在 r5、r6和 r7三個(gè)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(cè)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0 xC0000000開始的虛擬地址處。對(duì)筆者的 S3C2410 開發(fā)板而言，RAM連接到物理地址0 x30000000處，當(dāng)調(diào)用 _create_page_tables

16、結(jié)束后 0 x30000000 0 x30400000 物理地址將映射到 0XC0000000 0 xC0400000 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：b SYMBOL_NAME(start_kernel)3.2 start_kernel 函數(shù)start_kernel 是所有 Linux平臺(tái)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(tái)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(gè)用戶進(jìn)程一init 進(jìn)程并等待用戶進(jìn)程的執(zhí)行，這樣整個(gè) Linux內(nèi)核便啟動(dòng)完畢。該函數(shù)

17、所做的具體工 作有45:1) 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(gè)初始化工作；對(duì)不同的體系結(jié)構(gòu)來說該函數(shù)有不同的定義。對(duì)于 ARM 平臺(tái)而言，該函數(shù)定義在arch/arm/kernel/Setup.c。它首先通過檢測(cè)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(shí)鐘中斷處理機(jī)制；4) 初始化串口控制臺(tái)(serial

18、-console );ARM-Linux在初始化過程中一般都會(huì)初始化一個(gè)串口做為內(nèi)核的控制臺(tái)，這樣內(nèi)核在 啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，虛擬文件系統(tǒng)(VirtualFile System )及頁緩存。6) 初始化內(nèi)存管理，檢測(cè)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(huì)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(gè)進(jìn)程一 init 進(jìn)程來結(jié)束內(nèi)核的啟動(dòng)。

19、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(huì)執(zhí)行用 戶傳遞過來的“iniM ”啟動(dòng)參數(shù)執(zhí)行用戶指定的命令，或者執(zhí)行以下幾個(gè)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(huì)被調(diào)用來使系統(tǒng)處于閑置(等待用戶程序的執(zhí)行。至此，整

20、個(gè) Linux內(nèi)核啟動(dòng)完畢。4.結(jié)論Linux內(nèi)核是一個(gè)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 發(fā)展到現(xiàn)在的幾百兆。清晰的了解它執(zhí)行的每一個(gè)過程是件非常困難的事。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(tái)上。通過對(duì) linux的啟動(dòng)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(duì)。而 linux內(nèi)核的分層設(shè)計(jì)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.http:/ , 2003.12 .2 Russell King Booting ARM LinuxZ Linux Documentation May 20023 劉淼.嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)與Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)M.北京航空航天大學(xué)出版社.2006.64 William Gatliff The Linux 2.4 Kernel s Startup ProcedureDB/C20P2 Embed