详解 ARM Linux启动过程分析

发布者:王岚枫最新更新时间:2020-01-29 来源: eefocus关键字:ARM  Linux  启动过程 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

ARM Linux启动过程分析是本人要介绍的内容,嵌入式 Linux 的可移植性使得我们可以在各种电子产品上看到它的身影。对于不同体系结构的处理器来说Linux的启动过程也有所不同。本文以S3C2410 ARM处理器为例,详细分析了系统上电后 bootloader的执行流程及 ARM Linux的启动过程。


1、引 言

Linux 最初是由瑞典赫尔辛基大学的学生 Linus Torvalds在1991 年开发出来的,之后在 GNU的支持下,Linux 获得了巨大的发展。虽然 Linux 在桌面 PC 机上的普及程度远不及微软的 Windows 操作系统,但它的发展速度之快、用户数量的日益增多,也是微软所不能轻视的。而近些年来 Linux 在嵌入式领域的迅猛发展,更是给 Linux 注入了新的活力。

一个嵌入式 Linux 系统从软件角度看可以分为四个部分[1]:


引导加载程序(bootloader)

其中 bootloader是系统启动或复位以后执行的第一段代码,它主要用来初始化处理器及外设,然后调用 Linux 内核。Linux 内核在完成系统的初始化之后需要挂载某个文件系统做为根文件系统(Root Filesystem)。根文件系统是 Linux 系统的核心组成部分,它可以做为Linux 系统中文件和数据的存储区域,通常它还包括系统配置文件和运行应用软件所需要的库。


应用程序可以说是嵌入式系统的“灵魂”,它所实现的功能通常就是设计该嵌入式系统所要达到的目标。如果没有应用程序的支持,任何硬件上设计精良的嵌入式系统都没有实用意义。


从以上分析我们可以看出 bootloader 和 Linux 内核在嵌入式系统中的关系和作用。Bootloader在运行过程中虽然具有初始化系统和执行用户输入的命令等作用,但它最根本的功能就是为了启动 Linux 内核。在嵌入式系统开发的过程中,很大一部分精力都是花在bootloader 和 Linux 内核的开发或移植上。如果能清楚的了解 bootloader 执行流程和 Linux的启动过程,将有助于明确开发过程中所需的工作,从而加速嵌入式系统的开发过程。而这正是本文的所要研究的内容。

 

2、Bootloader

(1)Bootloader的概念和作用

Bootloader是嵌入式系统的引导加载程序,它是系统上电后运行的第一段程序,其作用类似于 PC 机上的 BIOS。在完成对系统的初始化任务之后,它会将非易失性存储器(通常是 Flash或 DOC 等)中的Linux 内核拷贝到 RAM 中去,然后跳转到内核的第一条指令处继续执行,从而启动 Linux 内核。由此可见,bootloader 和 Linux 内核有着密不可分的联系,要想清楚的了解 Linux内核的启动过程,我们必须先得认识 bootloader的执行过程,这样才能对嵌入式系统的整个启过程有清晰的掌握。 
     
(2)Bootloader的执行过程

不同的处理器上电或复位后执行的第一条指令地址并不相同,对于 ARM 处理器来说,该地址为 0x00000000。对于一般的嵌入式系统,通常把 Flash 等非易失性存储器映射到这个地址处,而 bootloader就位于该存储器的最前端,所以系统上电或复位后执行的第一段程序便是 bootloader。而因为存储 bootloader的存储器不同,bootloader的执行过程也并不相同,下面将具体分析。


嵌入式系统中广泛采用的非易失性存储器通常是 Flash,而 Flash 又分为 Nor Flash 和Nand Flash 两种。 它们之间的不同在于: Nor Flash 支持芯片内执行(XIP, eXecute In Place),这样代码可以在Flash上直接执行而不必拷贝到RAM中去执行。而Nand Flash并不支持XIP,所以要想执行 Nand Flash 上的代码,必须先将其拷贝到 RAM中去,然后跳到 RAM 中去执行。


实际应用中的 bootloader根据所需功能的不同可以设计得很复杂,除完成基本的初始化系统和调用 Linux 内核等基本任务外,还可以执行很多用户输入的命令,比如设置 Linux 启动参数,给 Flash 分区等;也可以设计得很简单,只完成最基本的功能。但为了能达到启动Linux 内核的目的,所有的 bootloader都必须具备以下功能[2] :

 

初始化 RAM

因为 Linux 内核一般都会在 RAM 中运行,所以在调用 Linux 内核之前 bootloader 必须设置和初始化 RAM,为调用 Linux内核做好准备。初始化 RAM 的任务包括设置 CPU 的控制寄存器参数,以便能正常使用 RAM 以及检测RAM 大小等。


初始化串口

串口在 Linux 的启动过程中有着非常重要的作用,它是 Linux内核和用户交互的方式之一。Linux 在启动过程中可以将信息通过串口输出,这样便可清楚的了解 Linux 的启动过程。虽然它并不是 bootloader 必须要完成的工作,但是通过串口输出信息是调试 bootloader 和Linux 内核的强有力的工具,所以一般的 bootloader 都会在执行过程中初始化一个串口做为调试端口。


检测处理器类型

Bootloader在调用 Linux内核前必须检测系统的处理器类型,并将其保存到某个常量中提供给 Linux 内核。Linux 内核在启动过程中会根据该处理器类型调用相应的初始化程序。


设置 Linux启动参数

Bootloader在执行过程中必须设置和初始化 Linux 的内核启动参数。目前传递启动参数主要采用两种方式:即通过 struct param_struct 和struct tag(标记列表,tagged list)两种结构传递。struct param_struct 是一种比较老的参数传递方式,在 2.4 版本以前的内核中使用较多。从 2.4 版本以后 Linux 内核基本上采用标记列表的方式。但为了保持和以前版本的兼容性,它仍支持 struct param_struct 参数传递方式,只不过在内核启动过程中它将被转换成标记列表方式。标记列表方式是种比较新的参数传递方式,它必须以 ATAG_CORE 开始,并以ATAG_NONE 结尾。中间可以根据需要加入其他列表。Linux内核在启动过程中会根据该启动参数进行相应的初始化工作。


调用 Linux内核映像

Bootloader完成的最后一项工作便是调用 Linux内核。如果 Linux 内核存放在 Flash 中,并且可直接在上面运行(这里的 Flash 指 Nor Flash),那么可直接跳转到内核中去执行。但由于在 Flash 中执行代码会有种种限制,而且速度也远不及 RAM 快,所以一般的嵌入式系统都是将 Linux内核拷贝到 RAM 中,然后跳转到 RAM 中去执行。不论哪种情况,在跳到 Linux 内核执行之前 CUP的寄存器必须满足以下条件:r0=0,r1=处理器类型,r2=标记列表在 RAM中的地址。

 

3、Linux内核的启动过程

在 bootloader将 Linux 内核映像拷贝到 RAM 以后,可以通过下例代码启动 Linux 内核:call_linux(0, machine_type, kernel_params_base)。

其中,machine_tpye 是 bootloader检测出来的处理器类型, kernel_params_base 是启动参数在 RAM 的地址。通过这种方式将 Linux 启动需要的参数从 bootloader传递到内核。Linux 内核有两种映像:一种是非压缩内核,叫 Image,另一种是它的压缩版本,叫zImage。根据内核映像的不同,Linux 内核的启动在开始阶段也有所不同。zImage 是 Image经过压缩形成的,所以它的大小比 Image 小。但为了能使用 zImage,必须在它的开头加上解压缩的代码,将 zImage 解压缩之后才能执行,因此它的执行速度比 Image 要慢。但考虑到嵌入式系统的存储空容量一般比较小,采用 zImage 可以占用较少的存储空间,因此牺牲一点性能上的代价也是值得的。所以一般的嵌入式系统均采用压缩内核的方式。


对于 ARM 系列处理器来说,zImage 的入口程序即为 arch/arm/boot/compressed/head.S。它依次完成以下工作:开启 MMU 和 Cache,调用 decompress_kernel()解压内核,最后通过调用 call_kernel()进入非压缩内核 Image 的启动。下面将具体分析在此之后 Linux 内核的启动过程。


(1)Linux内核入口

Linux 非压缩内核的入口位于文件/arch/arm/kernel/head-armv.S 中的 stext 段。该段的基地址就是压缩内核解压后的跳转地址。如果系统中加载的内核是非压缩的 Image,那么bootloader将内核从 Flash中拷贝到 RAM 后将直接跳到该地址处,从而启动 Linux 内核。不同体系结构的 Linux 系统的入口文件是不同的,而且因为该文件与具体体系结构有关,所以一般均用汇编语言编写[3]。对基于 ARM 处理的 Linux 系统来说,该文件就是head-armv.S。该程序通过查找处理器内核类型和处理器类型调用相应的初始化函数,再建立页表,最后跳转到 start_kernel()函数开始内核的初始化工作。


检测处理器内核类型是在汇编子函数__lookup_processor_type中完成的。通过以下代码可实现对它的调用:bl __lookup_processor_type。__lookup_processor_type调用结束返回原程序时,会将返回结果保存到寄存器中。其中r8 保存了页表的标志位,r9 保存了处理器的 ID 号,r10 保存了与处理器相关的 struproc_info_list 结构地址。


检测处理器类型是在汇编子函数 __lookup_architecture_type 中完成的。与__lookup_processor_type类似,它通过代码:“bl __lookup_processor_type”来实现对它的调用。该函数返回时,会将返回结构保存在 r5、r6 和 r7 三个寄存器中。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的页表偏移地址。当检测处理器内核和处理器类型结束后,将调用__create_page_tables 子函数来建立页表,它所要做的工作就是将 RAM 基地址开始的 4M 空间的物理地址映射到 0xC0000000 开始的虚拟地址处。对笔者的 S3C2410 开发板而言,RAM 连接到物理地址 0x30000000 处,当调用 __create_page_tables 结束后 0x30000000 ~ 0x30400000 物理地址将映射到0xC0000000~0xC0400000 虚拟地址处。


当所有的初始化结束之后,使用如下代码来跳到 C 程序的入口函数 start_kernel()处,开始之后的内核初始化工作:

b SYMBOL_NAME(start_kernel)

(2)start_kernel函数

start_kernel是所有 Linux 平台进入系统内核初始化后的入口函数,它主要完成剩余的与硬件平台相关的初始化工作,在进行一系列与内核相关的初始化后,调用第一个用户进程-init 进程并等待用户进程的执行,这样整个 Linux 内核便启动完毕。该函数所做的具体工作有[4][5]:

调用 setup_arch()函数进行与体系结构相关的第一个初始化工作;

对不同的体系结构来说该函数有不同的定义。对于 ARM 平台而言,该函数定义在arch/arm/kernel/Setup.c。它首先通过检测出来的处理器类型进行处理器内核的初始化,然后通过 bootmem_init()函数根据系统定义的 meminfo 结构进行内存结构的初始化,最后调用paging_init()开启 MMU,创建内核页表,映射所有的物理内存和 IO空间。

a、创建异常向量表和初始化中断处理函数;

b、初始化系统核心进程调度器和时钟中断处理机制;

c、初始化串口控制台(serial-console);

d、ARM-Linux 在初始化过程中一般都会初始化一个串口做为内核的控制台,这样内核在启动过程中就可以通过串口输出信息以便开发者或用户了解系统的启动进程。

e、创建和初始化系统 cache,为各种内存调用机制提供缓存,包括;动态内存分配,虚拟文件系统(VirtualFile System)及页缓存。

f、初始化内存管理,检测内存大小及被内核占用的内存情况;

g、初始化系统的进程间通信机制(IPC);

当以上所有的初始化工作结束后,start_kernel()函数会调用 rest_init()函数来进行最后的初始化,包括创建系统的第一个进程-init 进程来结束内核的启动。Init 进程首先进行一系列的硬件初始化,然后通过命令行传递过来的参数挂载根文件系统。最后 init 进程会执行用 户传递过来的“init=”启动参数执行用户指定的命令,或者执行以下几个进程之一:

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

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

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

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

当所有的初始化工作结束后,cpu_idle()函数会被调用来使系统处于闲置(idle)状态并等待用户程序的执行。至此,整个 Linux 内核启动完毕。

 

4. 结论

Linux 内核是一个非常庞大的工程,经过十多年的发展,它已从从最初的几百 KB 大小发展到现在的几百兆。清晰的了解它执行的每一个过程是件非常困难的事。但是在嵌入式开发过程中,我们并不需要十分清楚 linux 的内部工作机制,只要适当修改 linux 内核中那些与硬件相关的部分,就可以将 linux 移植到其它目标平台上。通过对 linux 的启动过程的分 析,我们可以看出哪些是和硬件相关的,哪些是 linux 内核内部已实现的功能,这样在移植linux 的过程中便有所针对。而 linux内核的分层设计将使 linux 的移植变得更加容易。

/******************************** Stay hungry, Stay foolish. @Rocky ********************************/

关键字:ARM  Linux  启动过程 引用地址:详解 ARM Linux启动过程分析

上一篇:ARM汇编指令集5
下一篇:ARM920T系统总线时序分析

推荐阅读最新更新时间:2024-11-17 10:32

ARM发表RealView 3.1版开发套件为嵌入式系统设计带来低风险的软件开发方案
  新版软件支持全系列ARM处理器为开发业者带来大幅改进的效能与易用性   ARM于日前在美国加州举办的嵌入式系统研讨会中,发表RealView  Development Suite 3.1版(RVDS 3.1)开发套件,针对全系列ARM 处理器持续提供顶级整合式工具,协助客户开发各种嵌入式系统软件。   RVDS 3.1开发套件大幅提升效能,不仅针对ARM处理器的支持进行调校设计,更针对全系列Cortex 处理器进行完善的最佳化,其中包括日前甫发表的Cortex-M1 处理器,该款处理器同时也是ARM首款针对FPGA设计的处理器产品。   RVDS 3.1开发套件为首款支持Cortex-M1处理器的工具套件,包含Corte
[嵌入式]
一起学mini2440裸机开发(九)--ARM中断控制系统
ARM处理器程序的执行流程种类 ●正常执行:每执行一条ARM指令,程序计数器PC的值自动加4。这一过程描述了应用程序顺序执行的状态。 ●跳转执行:通过B、BL跳转执行,实现程序在一定范围内的跳转执行。这一过程描述了ARM处理器程序执行过程中的过程调用。 ●中断处理:在应用程序执行过程中,发生中断后,ARM处理器在执行完当前指令后,跳转到上述中断对应的中断处理程序处去执行,执行完中断处理程序后,再返回到发生中断的指令的下一条执行处接着执行。这一过程描述了ARM处理器对异常中断的响应情况。 S3C2440中断系统概述 在ARM处理器运行过程中,需要与系统的各类外部设备进行通信,包括发出控制信息、读取外部设备的状态信
[单片机]
一起学mini2440裸机开发(九)--<font color='red'>ARM</font>中断控制系统
jz2440裸机开发与分析:ARM芯片时钟体系1
ARM芯片时钟体系分析 OM开关
[单片机]
jz2440裸机开发与分析:<font color='red'>ARM</font>芯片时钟体系1
ARM嵌入式系统开发之发送过程的实现
要通过网卡发送数据时,上层协议实体调用函数 hard_start_xmit() ,在我们的驱动程序中这个函数被映射成 DM9000_wait_to_send_packet() 函数,正如它名字中 wait 所表示的那样,这个函数只完成了等待发送的工作,实际的发送是调用 DM9000_hardware_send_packet() 函数完成的,这也是前面提到的 buffer 分配机制的一种体现。 在具体介绍这两个函数之前,有必要简单说一说 DM9000 芯片发送数据的工作原理。前面已经讲过,为了增加网络吞吐量 DM9000 芯片内部集成了 8K 的 buffer ,芯片对这些 buffer 采用了内存页面管理方式,每页 256
[嵌入式]
μC/OS-II系统与ARM在中央空调机组控制器中的应用
随着中央空调的普及应用,如何对中央空调机组实施有效的控制,是许多科研人员研究的重要课题。目前国内中央空调机组控制器硬件方面主要采用8位单片机为核心处理器,这种方式由于资源有限,导致人机交互不友好、机组的实时监控性能低、整机运转难以实现多机组网联控、节能效果差。采用RISC架构的ARM微处理器具有小体积、低功耗、低成本、高性能的特点,指令执行速度快,执行效率高,且具有丰富的片内外围电路,有利于简化系统设计,提高系统可靠性。本控制系统选择了Philips公司ARM7处理器LPC2210,移植了实时操作系统μC/OS-II,系统运行稳定可靠。 1 空调系统简介及控制要求 中央空调由集中制冷/加热站和空调机组两大部分组成。前者提供系统
[单片机]
μC/OS-II系统与<font color='red'>ARM</font>在中央空调机组控制器中的应用
Arm Linux Kernel 构建 情景分析
概述 构建一个内核,一般是先配置,后编译。这里以构建 Nexus5 内核为例,代号为 hammerhead。 配置 通常做法是以厂商预置的配置为基础,根据自己需要进行配置。命令: make ARCH=arm hammerhead_defconfig 执行完毕后, arch/arm/configs/hammerhead_defconfig 文件会被到 .config ,作为默认配置。 然后运行以下命令根据自己需要进行配置: make ARCH=arm menuconfig 编译 通常,需要生成 zImage 和 内核模块。如果不指定目标,这两个都会
[单片机]
<font color='red'>Arm</font> <font color='red'>Linux</font> Kernel 构建 情景分析
ARM的嵌入式Linux移植体验之基本概念
  引言   ARM是Advanced RISC Machines(高级精简指令系统处理器)的缩写,是ARM公司提供的一种微处理器知识产权(IP)核。   ARM的应用已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。基于ARM 技术的微处理器应用约占据了32位RISC 微处理器75%以上的市场份额。揭开你的手机、MP3、 PDA,嘿嘿,里面多半藏着一个基于ARM的微处理器!   ARM内核的数个系列(ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、Xscale、StrongARM),各自满足不同应用领域的需求,无孔不入的渗入嵌入式系统各个角落的应用。这是一个ARM的时代!   有人
[单片机]
ARM携手台积电22纳米制程,抢攻移动设备及物联网芯片市场
IP授权公司安谋(Arm)于 4 日宣布,旗下 Arm Artisan 物理 IP 将使用台积电针对 Arm 架构开发的单芯片处理器(SoC),并用于 22 纳米超低功耗(ultra-low power,ULP)与超低漏电(ultra-low leakage,ULL)的产品平台。 Arm 指出,台积电 22 纳米 ULP / ULL 制程是针对主流行动与物联网设备进行最佳化设计。不仅能提升基于 Arm 架构的 SoC 效能,与台积电前一代 28 纳米 HPC+ 制程平台相较,更可显著降低功耗及芯片面积。 Arm 物理设计事业群总经理 Gus Yeung 表示,这项次世代制程技术能在更低功耗和更小面积下加入更多功能,且结合
[半导体设计/制造]
小广播
设计资源 培训 开发板 精华推荐

最新单片机文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件

 
EEWorld订阅号

 
EEWorld服务号

 
汽车开发圈

电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved