BootLoader与内核之间参数传递

    在嵌入式系统中，BootLoader 是用来初始化硬件，加载内核，传递参数。因为嵌入式系统的硬件环境各不相同，所以嵌入式系统的BootLoader 也各不相同，其中比较通用的是U-Boot，它支持不同的体系结构，如ARM，PowerPC，X86，MIPS 等。本文着重介BootLoader与内核之间参数传递这一基本功能。本文的硬件平台是基于AT91RM9200 处理器系统，软件平台是Linux-2.6.19.2 内核。内核映像文件为zImage。

    1. 系统硬件平台简介

    AT91RM9200 处理器，它是由Atmel 公司基于ARM920T 内核的微处理器，带有内存管理单元，CPU 时钟最高可达240MHz,它具有丰富的标准接口，EBI 接口，内部集成了静态存储控制器(SMC)，SDRAM 控制器，BurST Flash 控制器。有关处理器的说明请参考AT91RM9200 的数据手册。本系统SDRAM(64MB)地址为：0x20000000, NorFlash(8MB)的地址为：0x10000000[1]。

    2. BootLoader 设计和实现

    内核源代码目录树下的documentatiON/arm/booting[2]文档规定了基于ARM 体系结构BootLoader 的基本功能。本系统BootLoader 除了完成这些基本的功能外，还结合自身硬件的特点加入了代码搬运等功能。

    BootLoader 的流程是：系统上电复位后，首先从NorFlash 开始运行(由处理器BMS 引脚连接决定)，因为处理器此时的0 地址就是NorFlash 的首地址(0x10000000)，BootLoader就是被烧写在这个位置，AT91RM9200 处理器能够映射的地址范围只有0x0000

    0000—0x001f ffff。 BootLoader 执行的第一步就是将自身代码从NorFlash 中搬运到处理器内部的RAM 中(0x00200000)，然后将0 地址映射到内部RAM,并且跳转到内部RAM 的相应地址处继续执行。进入内部RAM 后才进入真正的硬件初始化阶段，这个阶段初始化的各种控制器都是内核所必须的，包括：PMC, EBI, SMC, SDRAM, USART 等。接着就是创建内核参数链表(Tagged list)，创建完链表就是搬运事先烧写在NorFlash 中的内核映像和根文件系统映像到SDRAM，根据内核对BootLoader 的基本要求关闭中断，MMU 和数据Cache，并且配置r0=0, r1=0x0000 00fb 或者0x00000106(根据内核中linux/arch/arm/tools/mach-types[2]

    规定的机器编号)，r2=0x20000100(BootLoader 传递给内核参数链表的物理地址)，在ARM体系结构中，这个地址在同一种处理器的机器描述符(machine_desc)中都是默认的，所以在这里可以不指定。最后BootLoader 直接跳转到SDRAM 的内核处执行。

    3. 内核参数链表

    BootLoader 可以通过两种方法传递参数给内核， 一种是旧的参数结构方式(parameter_struct)，主要是2.6 之前的内核使用的方式。另外一种就是现在的2.6 内核在用的参数链表 (tagged list) 方式。这些参数主要包括，系统的根设备标志，页面大小，内存的起始地址和大小，RAMDISK 的起始地址和大小，压缩的RAMDISK 根文件系统的起始地址和大小，内核命令参数等[3][4][5]。

    内核参数链表的格式和说明可以从内核源代码目录树中的 include/asm-arm/setup.h[2]中找到，参数链表必须以ATAG_CORE 开始，以ATAG_NONE 结束。这里的ATAG_CORE，ATAG_NONE 是各个参数的标记，本身是一个32 位值，例如：ATAG_CORE=0x54410001。

    其它的参数标记还包括： ATAG_MEM32 ， ATAG_INITRD ， ATAG_RAMDISK ，ATAG_COMDLINE 等。每个参数标记就代表一个参数结构体，由各个参数结构体构成了参数链表。参数结构体的定义如下：

    struct tag

    {

    struct tag_header HDR;

    union {

    struct tag_core core;

    struct tag_mem32 mem;

    struct tag_videotext videotext;

    struct tag_ramdisk ramdisk;

    struct tag_initrd initrd;

    struct tag_serialnr serialnr;

    struct tag_revision revision;

    struct tag_videolfb videolfb;

    struct tag_CMDline cmdline;

    struct tag_acorn acorn;

    struct tag_mEMClk mEMClk;

    } u;

    };

    参数结构体包括两个部分，一个是 tag_header 结构体,一个是u 联合体。

    tag_header 结构体的定义如下：

    struct tag_header

    {

    u32 size;

    u32 tag;

    };

    其中 size：表示整个tag 结构体的大小(用字的个数来表示，而不是字节的个数)，等于tag_header 的大小加上u 联合体的大小，例如，参数结构体ATAG_CORE 的

    size=(sizeof(tag->tag_header)+sizeof(tag->u.core))>>2，一般通过函数 tag_size(struct * tag_xxx)来获得每个参数结构体的size。其中tag：表示整个tag 结构体的标记，如：ATAG_CORE等。

    联合体u 包括了所有可选择的内核参数类型，包括：tag_core, tag_mem32，tag_ramdisk等。参数结构体之间的遍历是通过函数tag_next(struct * tag)来实现的。本系统参数链表包括的结构体有： ATAG_CORE ， ATAG_MEM， ATAG_RAMDISK， ATAG_INITRD32 ，ATAG_CMDLINE，ATAG_END。在整个参数链表中除了参数结构体ATAG_CORE 和ATAG_END 的位置固定以外，其他参数结构体的顺序是任意的。本BootLoader 所传递的参数链表如下：第一个内核参数结构体，标记为ATAG_CORE，参数类型为tag_core。每个参数类型的定义请参考源代码文件。

    tag_array 初始化为指向参数链表的第一个结构体的指针。

    tag_array->hdr.tag=ATAG_CORE;

    tag_array->hdr.size=tag_size(tag_core);

    tag_array->u.core.flags=1;

    tag_array->u.core.pagesize=4096;

    tag_array->u.core.rootdev=0x00100000;

    tag_array=tag_next(tag_array);

    tag_array->hdr.tag=ATAG_MEM;

    tag_array->hdr.size=tag_size(tag_mem32);

    tag_array->u.mem.size=0x04000000;

    tag_array->u.mem.start=0x20000000;

    tag_array=tag_next(tag_array);

    ……

    tag_array->hdr.tag=ATAG_NONE;

    tag_array->hdr.size=0;

    tag_array=tag_next(tag_array);

    最后将内核参数链表复制到内核默认的物理地址0x20000100 处。这样参数链表就建好了。

    4. 内核接收参数

    下面从基于ARM体系结构的zImage 映像启动来分析Linux 内核是怎样接收BootLoader传递过来的内核参数，zImage 启动过程如下图所示。

    (图有时间再画)

    在文件 arch/arm/boot/compressed/head.S[2]中 start 为zImage 的起始点，部分代码如下：

    start:

    mov r7, r1

    mov r8, r2

    …...

    mov r0, r4

    mov r3, r7

    bl decompress_kernel

    b call_kernel

    call_kernel：

    ……

    mov r0, #0

    mov r1, r7

    mov r2, r8

    mov pc, r4

    首先将BootLoader 传递过来的r1(机器编号)、r2(参数链表的物理地址)的值保存到r7、r8 中，再将r7 作为参数传递给解压函数decompress_kernel()。在解压函数中，再将r7 传递给全局变量__machine_arch_type。在跳到内核(vmlinux)入口之前再将r7，r8 还原到r1，r2 中。

    在文件 arch/arm/kernel/head.S[2]中，内核(vmlinux)入口的部分代码如下：

    stext：

    mrc p15, 0, r9, c0, c0

    bl __lookup_processor_type

    ………

    bl __lookup_machine_type

    首先从处理器内部特殊寄存器(CP15)中获得ARM 内核的类型，从处理器内核描述符(proc_info_list)表(__proc_info_begin—__proc_info_end)中查询有无此ARM 内核的类型，如果无就出错退出。处理器内核描述符定义在 include/asm-arm/procinfo.h[2]中，具体的函数实现在 arch/arm/mm/proc-xxx.S[2]中，在编译连接过程中将各种处理器内核描述符组合成表。接着从机器描述符(machine_desc)表(__mach_info_begin—__mach_info_end)中查询有无r1 寄存器指定的机器编号，如果没有就出错退出。机器编号mach_type_xxx 在arch/arm/tools/mach-types[2]文件中说明，每个机器描述符中包括一个唯一的机器编号，机器描述符的定义在 include/asm-arm/mach/arch.h[2]中，具体实现在 arch/arm/mach-xxxx[2]文件夹中，在编译连接过程中将基于同一种处理器的不同机器描述符组合成表。例如，基于AT91RM9200 处理器的各种机器描述符可以参考 arch/arm/mach-at91rm9200/board-xxx.c[2]，机器编号为262 的机器描述符如下所示：

    MACHINE_START(AT91RM9200DK, "Atmel AT91RM9200-DK")

    /* Maintainer: SAN People/Atmel */

    .phys_io = AT91_BASE_SYS,

    .io_pg_offst = (AT91_VA_BASE_SYS >> 18) & 0xfffc,

    .boot_params = AT91_SDRAM_BASE + 0x100,

    .timer = &at91rm9200_timer,

    .map_io = dk_map_io,

    .init_IRQ = dk_init_irq,

    .init_machine = dk_board_init,

    MACHINE_END

    最后就是打开MMU，并跳转到 init/main.c[2]的start_kernel(初始化系统。在 init/main.c[2] 中，函数start_kernel()的部分代码如下：

    {

    ……

    setup_arch();

    ……

    }

    在 arch/arm/kernel/setup.c[2]中，函数setup_arch()的部分代码如下：

    {

    ……

    setup_processor();

    mdesc=setup_machine(machine_arch_type);

    ……

    parse_tags(tags);

    ……

    }

    setup_processor()函数从处理器内核描述符表中找到匹配的描述符，并初始化一些处理器变量。setup_machine()用机器编号(在解压函数decompress_kernel 中被赋值)作为参数返回机器描述符。从机器描述符中获得内核参数的物理地址，赋值给tags 变量。然后调用parse_tags()函数分析内核参数链表，把各个参数值传递给全局变量。这样内核就收到了BootLoader 传递的参数。

    5. 参数传递的验证和测试

    参数传递的结果可以通过内核启动的打印信息来验证。

    Machine: Atmel AT91RM9200-DK

    ……

    Kernel command line: console=ttyS0,115200 root=/dev/ram rw init=/linuxrc

    ……

    Memory: 64MB = 64MB total

    ……

    checking if image is initramfs...it isn''t (no cpio magIC); looks like an initrd

    Freeing initrd memory: 1024K

    ……

    RAMDISK: Compressed image found at bLOCk 0

    一个完备的BootLoader 是一个很复杂的工程，本文所介绍的只是嵌入式系统的BootLoaer 基本功能。任何一个BootLoader 都离不开这个基本功能，内核只有接收这些参数才能正确地启动,同时也为内核的移植和调试奠定了良好的基础。