Linux 的啟動流程

時間：2020-05-07 16:05:54

關(guān)鍵字：啟動流程 Linux 內(nèi)核 UBOOT

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[導(dǎo)讀]本篇的重點(diǎn)是講解設(shè)備和驅(qū)動的啟動流程，設(shè)備和驅(qū)動的流程是整個內(nèi)核啟動的核心，也是工作中最常面對的問題。出于知識點(diǎn)的系統(tǒng)性考慮，在進(jìn)入主題之前我們先看下整個 Linux 在 ARM 中的啟動流程如何。 Uboot 的啟動流程 ARM Linux 的啟動流程大致為：Uboot →

本篇的重點(diǎn)是講解設(shè)備和驅(qū)動的啟動流程，設(shè)備和驅(qū)動的流程是整個內(nèi)核啟動的核心，也是工作中最常面對的問題。出于知識點(diǎn)的系統(tǒng)性考慮，在進(jìn)入主題之前我們先看下整個 Linux 在 ARM 中的啟動流程如何。

Uboot 的啟動流程

ARM Linux 的啟動流程大致為：Uboot → Kernel → Root filesystem。Uboot 在上電的時候就拿到 CPU 的控制權(quán)，實(shí)現(xiàn)了硬件的初始化。具體是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？一起來看一下，CPU 的內(nèi)部集成了小容量的 Sram，而 PC 指針一上電就指向 Sram 的起始地址 0x00000000，所以一上電 Uboot 代碼就得到了運(yùn)行。

Uboot 拿到 CPU 使用權(quán)就開始做初始化工作，比如關(guān)閉看門狗、設(shè)置 CPU 運(yùn)行模式、設(shè)置堆棧、初始化內(nèi)存、網(wǎng)卡、nand flash 等，最后把 Linux 內(nèi)核加載到內(nèi)存中。

初始化 RAM

因?yàn)閮?nèi)核要在 RAM 中運(yùn)行，所以在調(diào)用內(nèi)核之前必須初始化和設(shè)置 RAM，為調(diào)用內(nèi)核做好準(zhǔn)備。

初始化串口

內(nèi)核在啟動過程中可以將信息通過串口輸出，這樣就可以清楚的知道內(nèi)核啟動信息。雖然串口不是 Uboot 必須要完成的工作，但是通過串口可以方便調(diào)試 Uboot 和內(nèi)核的各種信息。

檢測處理器類型

Uboot 在調(diào)用內(nèi)核前需要檢測系統(tǒng)的處理器類型，并將其保存在某個變量中提供給內(nèi)核，內(nèi)核在啟動過程中會根據(jù)該處理器的類型調(diào)用相應(yīng)的初始化程序。

設(shè)置內(nèi)核啟動參數(shù)

內(nèi)核在啟動過程中會根據(jù)該啟動參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的初始化工作。

調(diào)用內(nèi)核鏡像

值得注意的是存儲 Uboot 的存儲器不同，Uboot 的執(zhí)行過程也并不相同，一般來講 Flash 分為 nor Flash 和 nand Flash 兩種：nor Flash 支持芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP，eXecute In Place），這樣代碼可以在 Flash 上直接執(zhí)行而不必復(fù)制到 RAM 中去執(zhí)行。

但是 nand Flash 并不支持 XIP，所以要想執(zhí)行 nand Flash 上的代碼，必須先將其復(fù)制到 RAM 中去，然后跳到 RAM 中去執(zhí)行。如果內(nèi)核存放在 nor Flash 中，那么可直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核中去執(zhí)行。但通常由于在 nor Flash 中執(zhí)行代碼會有種種限制，而且速度也遠(yuǎn)不及 RAM 快，所以一般的嵌入式系統(tǒng)都是將內(nèi)核復(fù)制到 RAM 中，然后跳轉(zhuǎn)到 RAM 中去執(zhí)行。不論哪種情況，在跳到內(nèi)核執(zhí)行之前 CPU 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。

Linux 內(nèi)核的啟動流程（設(shè)備和驅(qū)動的加載）

關(guān)于 Uboot 的啟動本課程不做詳細(xì)介紹，因?yàn)楸菊n程的主要內(nèi)容是內(nèi)核。在講述內(nèi)核啟動之前讓我們先了解下內(nèi)核的組成結(jié)構(gòu)：

其中，

（1）vmlinusx 是 ELF 格式的 Object 文件，這種文件只是各個源代碼經(jīng)過連接以后得到的文件，并不能在 ARM 平臺上運(yùn)行。

（2）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 vmlinusx 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。

（3）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。

（4）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。

（5）最后 piggy.o 文件和 Bootstrap Loader 組成一個 Bootable Kernel Image 文件（可啟動文件）。

經(jīng)過上面的分析不難知道 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。知道了內(nèi)核的組成結(jié)構(gòu)，Uboot 就是按照內(nèi)核的組成結(jié)構(gòu)一層一層剝開然后引導(dǎo)內(nèi)核的：

可以說 start_kernel() 之前的所有工作都是為了將環(huán)境準(zhǔn)備好，滿足 start_kernel() 的要求，然后由 start_kernel() 開始進(jìn)行內(nèi)核的加載：

關(guān)于 start_kernl() 函數(shù)的內(nèi)容太多，可以通過紅色回調(diào)函數(shù)看出，start_kernel() 函數(shù)基本是在回調(diào)很多對應(yīng)的注冊函數(shù)。為了本系列課程的結(jié)構(gòu)性這里就不展開所有知識點(diǎn)講解，本篇內(nèi)容接著前一篇設(shè)備樹的內(nèi)容重點(diǎn)講解下設(shè)備和驅(qū)動的匹配過程。

還記得上一篇講到的設(shè)備樹三大作用嗎？

平臺標(biāo)識；
運(yùn)行時配置；
設(shè)備信息集合。

接下來我們就看看內(nèi)核在啟動的時候是如何尋找設(shè)備，驅(qū)動又如何和設(shè)備綁定的。

首先在平臺目錄下可以看到有很多平臺描述的文件，如圖：

有那么多的平臺，我們到底要執(zhí)行哪個平臺是首先要考慮的事情。這也是設(shè)備三大功能的第一個功能——平臺標(biāo)識。

設(shè)備樹里有對設(shè)備根節(jié)點(diǎn)的 Compatible 描述，平臺文件里有對 __initconst 的描述，如果兩個字段一致則找到了對應(yīng)的板級文件，這樣就通過設(shè)備樹把要用的設(shè)備平臺與其他平臺區(qū)分開來了，如圖：

找到平臺后就可以根據(jù)回調(diào)函數(shù)的指針調(diào)用該平臺的注冊函數(shù)。這里以飛思卡爾 imx.6dl 平臺為例，回調(diào)的時候會調(diào)用 imx6q_init_machine() 函數(shù)，如下：

這里補(bǔ)充一個知識點(diǎn)，細(xì)心的讀者也許發(fā)現(xiàn)了在 Compatible 字段里用逗號分隔了兩個字符串。板級匹配的時候用的是哪個字符串，另外一個字符串又是做什么用？首先后面的字段 "fsl,imx6dl" 是抽象共用平臺描述符，前面的字段 "fsl,imx6dl-sabresd" 是通用平臺下的具體平臺描述符，可以理解為母板和子板的區(qū)別。在具體的子板文件中我們可以通過前面的字段進(jìn)行設(shè)備信息的獲取，如圖：

接著是運(yùn)行時配置，讓內(nèi)核在啟動的時候根據(jù)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行不同的處理。有經(jīng)驗(yàn)的讀者清楚在 Uboot 里也有對 Bootargs 的配置，這里為什么多此一舉呢，是為了在 Uboot 中更靈活的對內(nèi)核啟動進(jìn)行配置。
最后的作用就是設(shè)備信息集合，這是設(shè)備和驅(qū)動匹配的核心，也是工作中面對最多的情況。出于這一作用的內(nèi)容是工作中經(jīng)常遇到的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，我們專門用一篇內(nèi)容來詳細(xì)講解各級設(shè)備是如何展開的，并且手把手教你如何定制一套自己的開發(fā)板全新案例。