嵌入式Linux系統的構成和啓動過程

 

轉自：http://blog.csdn.net/weiganyi/article/details/11561859

 

 

在咱們的周圍，大量的嵌入式設備都是基於Linux系統來構建的，嵌入式Linux與主機Linux相比有着本身的一些特色，本文就嵌入式Linux系統的構成和啓動過程作一些總結。

 1、嵌入式Linux系統構成

 

上圖是一個嵌入式Linux系統的典型結構，劃分紅了4個區：

一、Bootloader區存放的是Bootloader，它負責嵌入式系統最初的硬件初始化、驅動和內核加載。

二、參數區不是必須的，一般存放了一些系統參數，而且一般這個區是沒有文件系統，參數以原始數據的格式來存放。

三、內核鏡像區存放的Linux內核壓縮鏡像，它被解壓後運行於內存，做爲嵌入式設備的Linux操做系統。

四、文件系統區存放通過壓縮的文件系統，它會被Linux內核解壓並掛載，並做爲各類應用程序、文件的主要載體。

這4個區都以二進制數據的形式存放於嵌入式設備的Flash芯片上。

 2、嵌入式Linux系統啓動過程

嵌入式設備從上電那一刻到應用程序正常運行，其間經歷過一系列漫長的過程，下面對主要的步驟進行闡述：

一、嵌入式設備上電後，CPU開始運行，一般CPU會從某一個固定的物理地址開始運行，這個物理地址通常是Flash芯片的起始物理地址。Flash芯片的最初一段一般存放的是Bootloader，因而CPU就會開始運行Bootloader的代碼。

二、咱們知道CPU能夠讀寫Flash上的數據，可是不能直接執行Flash上的指令，CPU一般只能執行內存中的指令，那麼CPU剛開始運行時怎樣去執行Flash上的指令呢？這裏分兩種狀況，Flash芯片主要分爲兩種，一種是Nor Flash，另外一種是Nand Flash，Nor Flash具備能夠直接在Flash芯片上執行指令的特色。若是嵌入式設備採用的是Nor Flash，那就比較簡單了，CPU能夠直接運行在Nor Flash上的指令。若是採用的是Nand Flash呢，怎麼辦？目前主要有兩種方法，一種方法是Flash控制器可以把Nand Flash的前4k數據搬到4k的內部RAM中，並設置CPU從這個內部RAM的起始地址開始啓動執行。另外一種方法是Flash控制器可以把Nand Flash的前4k數據的地址映射到系統總線的某個地址上，並設定CPU從這個地址開始啓動執行。這兩種方法都是硬件來完成的。

三、Bootloader分爲兩個部分，第一部分是彙編代碼且不作壓縮，第二部分是C代碼且有壓縮的。Bootloader開始執行時，第一部分彙編代碼先負責初始化CPU、PLL、DDR、Cache等硬件，讓CPU和內存可以穩定運行，而後解壓第二部分的Image，並拷貝到到內存執行。第二部分C代碼完成串口、flash、網口等驅動的加載，並構建一個shell環境來接受用戶輸入。注意，在整個Bootloader運行其間CPU的MMU是沒有被初始化的，全部的地址訪問都是採用物理地址直接訪問的。

四、在完成Bootloader初始化後，根據代碼中設定的內核區物理地址，Bootloader會把內核區壓縮後的Linux鏡像拷貝到內存中並解壓。同時準備好內核的啓動參數，如：console=ttyS0,115200 root=31:2 mtdparts=ar7100-nor0:196608(boot),835236(kernel),-(rootfs)，這裏主要是把Bootloader裏設置的MTD分區信息傳遞給內核，還有須要加載的根文件系統。最後跳轉到內核入口開始運行。

五、Linux內核代碼開始執行，會先進行內核各個子系統初始化，並完成對MMU的初始化。MMU是CPU中的一個單元，它跟操做系統一塊兒配合完成從虛擬地址到物理地址的轉換。若是CPU帶有MMU單元，則CPU執行單元發出的內存地址將被MMU截獲，從CPU到MMU的地址稱爲虛擬地址，而MMU將這個地址翻譯成另外一個地址發到CPU芯片的外部地址引腳上，這個地址稱爲物理地址。在這個過程當中Linux內核會維護頁表結構，它保存着內核和進程的虛擬地址到物理地址的映射，而MMU則經過Linux內核頁表去完成地址翻譯和保護工做。

六、接下來Linux內核會掛載根文件系統，要掛載的根文件系統是經過內核啓動參數來獲取的。這裏有一個問題，根文件系統一般表示爲一個Linux文件系統下的某個MTD設備，但在加載根文件系統前Linux尚未一個文件系統，那它怎樣經過訪問文件系統中的MTD設備來加載根文件系統呢？事實上，根文件系統的安裝分爲兩個階段，首先Linux內核會安裝一個特殊的RootFS文件系統，該文件系統僅提供一個做爲初始安裝點的空目錄，而後Linux內核再在空目錄上安裝一個真正的根目錄。Linux內核對Flash的訪問都是經過MTD子系統來進行的，它抽象了對於各類Flash設備的訪問，提供統一的接口。

七、Linux內核繼續初始化各類類型的驅動程序，完成以後會啓動第一個應用程序，它的進程ID爲1。這個應用程序能夠由內核啓動參數傳入，若是沒有則會默認執行/sbin/init。init進程會讀取配置文件/etc/inittab，根據配置文件的內容它會完成兩個工做，執行rcS和啓動Shell。至此，Linux系統已經啓動完成，給用戶提供了一個Shell的交互環境，後續的行爲就取決於用戶的輸入或者系統特定應用的加載。