ARM 平臺上的Linux系統(tǒng)啟動流程

　　談到這就得想到硬件機制是如何滿足這個功能的了。就拿S3C2440 這個芯片來說（我的硬件平臺就是拿這個芯片作為主芯片），CPU內(nèi)部集成了一塊容量為4KB 的 sram (又叫stapping stone 墊腳石)，當(dāng)系統(tǒng)一上電，NAND controler 就自動地將nand flash 里的前4K內(nèi)容到墊腳石里，而PC 指針一上電就指向墊腳石的起始地址0x00。這樣這一部分的代碼就可以得到執(zhí)行?？梢韵胂螅绻@一部分的代碼就是bootloader 的一部分，那一上電bootloader 不就可以得到運行了么？事實確實如此，在嵌入式Linux的軟件系統(tǒng)中，nandflash前面一部分代碼往往就是bootloader ，然后就是kernel, 再接著就是根文件系統(tǒng)。

　　說了這么多，好像都沒說到啟動流程啊，別著急，咱慢慢談，所謂磨刀不誤砍柴工嘛。

　　要說啟動流程，如果只是簡單的介紹從哪到哪，誰干了啥啥，得到的結(jié)果可能只是只知其然不知其所以然。個人覺得隨著CPU的PC指針走，循著代碼的足跡才能把整個流程理清楚，當(dāng)找到了代碼的執(zhí)行過程，再分析一下代碼，自然知道了哪個部分完成了哪些事，更重要的是為代碼的移植打下了堅實的基礎(chǔ)。自然這個過程是痛苦和枯燥的，甚至是看代碼看了幾天也沒弄明白，不過這也是一種鍛煉。好了不扯了，馬上進(jìn)入主題。

bootloder :

　　前面說了，bootloader一上電就拿到了cpu 的使用權(quán)，它當(dāng)然得干一些初始化的工作啊，比如關(guān)閉看門狗、設(shè)置cpu 的運行模式、設(shè)置堆棧等等比較急迫的事情。當(dāng)然還要對主板的一些其他硬件進(jìn)行簡單的初始化 比如網(wǎng)卡，顯示屏，nand flash 等等的初始化工作，最后還要負(fù)責(zé)把Linux內(nèi)核加載到內(nèi)存中。正所謂責(zé)任和權(quán)力是并存的嘛，你得到了權(quán)益，當(dāng)然就得付出。當(dāng)bootloader 完成它的使命之后就會把cpu 的使用權(quán)交給下一部分代碼：kernel 。

kernel：

　　在討論kernel 是如何啟動之前，先了解kernel 的組成結(jié)構(gòu)以及是如何得來的。

　　下面這張圖是內(nèi)核編譯即將結(jié)束時顯示的信息：

下面的這張圖說明了上面的編譯過程，

　　可以看到，當(dāng)內(nèi)核源文件編譯鏈接成vmlinux文件以后還進(jìn)行了幾個模塊的編譯和鏈接。其中vmlinux 是ELF格式的object文件，這種文件只是各個源代碼經(jīng)過連接以后的得到的文件，并不能在arm平臺上運行。經(jīng)過objcopy這個工具轉(zhuǎn)換以后，得到了二進(jìn)制格式文件Image，Image文件相比于vmlinux 文件，除了格式不同以外，還被去除了許多注釋和調(diào)試的信息。Image文件經(jīng)過壓縮以后得到了piggy.gz ,這個文件僅僅是Image的壓縮版，并無其他不同。接著編譯生成另外幾個模塊文件misc.o big_endian.o head.o head-xscale.o，這幾個文件組成一個叫bootstrap loader 的組件，又叫引導(dǎo)程序。編譯生成 piggy.o 文件。最后piggy.o文件和bootstrap loader 組成一個bootable kernel Image 文件（可啟動文件）。

　　可以看到最后得到的可執(zhí)行文件就是上圖最右邊那個，這也是我們最后燒寫到開發(fā)板的鏡像。其中piggy.o 就是內(nèi)核鏡像，而剩下的幾個文件就組成了引導(dǎo)程序?！　?/p>

　　下面開始討論CPU的流轉(zhuǎn)過程：

　　還是用一個圖來展示：

　　從上圖可以看出，系統(tǒng)一上電就開始執(zhí)行bootloader 當(dāng)bootloader 執(zhí)行完以后，把控制權(quán)交給了引導(dǎo)程序的head.o 文件里的start 標(biāo)號處，當(dāng)引導(dǎo)程序完成引導(dǎo)工作以后就將控制權(quán)轉(zhuǎn)給真正的內(nèi)核的head.o 文件里的start 標(biāo)號處。這里就是內(nèi)核的入口點，最后內(nèi)核的head.o將控制交給main.o 的start_kernel 函數(shù)。這樣，通過查看相應(yīng)的代碼就可以知道這些代碼到底完成了哪些工作。在這里我們可以找到相應(yīng)的代碼，分析一下，看它們到底完成哪些事。下面是我的分析結(jié)果：

引導(dǎo)程序： 又叫bootstrap loader ,作為bootloader 和kernel之間的紐帶。head.o從bootloader接過控制權(quán)后bootstrap loader開始工作，并完成如下任務(wù)：

　　　　1. 使能 I/D caches ，關(guān)閉中斷 ， 建立C運行環(huán)境（即設(shè)置堆棧）由 head.o 和head-xscal.o 完成　　　

　　　　2. 解壓縮并重定位代碼 ，由misc.o 完成

　　　　3. 其他硬件相關(guān)的設(shè)置，如big.endian.o 為cpu設(shè)置大端模式

　　　　4. 將控制權(quán)交給內(nèi)核的 head.o

內(nèi)核入口點：從引導(dǎo)程序接過控制權(quán)，完成如下任務(wù)

　　　　1. 檢查有效的cpu 和cpu的信息

　　　　2. 創(chuàng)建初始化頁表入口

　　　　3. 使能MMU

　　　　4. 檢測錯誤并報告

　　　　5. 跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核本身 main.c 文件里的 start_kernel（）函數(shù)。head-common.S 有一句實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)語句：b start_kernel

內(nèi)核啟動：從kernel 的head.o接過控制權(quán)，開始內(nèi)核的啟動，在這里完成內(nèi)核的初始化，如內(nèi)核各個子系統(tǒng)的初始化。