ARM Linux從Bootloader、kernel到filesystem啓動流程

轉自：http://www.veryarm.com/1491.html

 

ARM Linux啓動流程大體爲：bootloader ---->kernel---->root filesystem。bootloader 是一上電就拿到cpu 的控制權的，而bootloader實現了硬件的初始化。bootloader儼然就成了Power on 以後」第一個吃螃蟹」的代碼。

談到這就得想到硬件機制是如何知足這個功能的了。CPU內部通常都集成小容量的SRAM (又叫stapping stone，墊腳石)，當系統一上電，NAND controler 就自動地將Nand flash 裏的前內容複製到墊腳石裏，而PC 指針一上電就指向墊腳石的起始地址0x00000000。這樣這一部分的代碼就能夠獲得執行。因此，這一部分的代碼就是 bootloader 部分，那一上電bootloader 不就能夠獲得運行了麼？事實確實如此，在嵌入式Linux的軟件系統中，nandflash前面一部分代碼每每就是bootloader ，而後就是kernel, 再接着就是根文件系統。

說了這麼多，好像都沒說到啓動流程啊，彆着急，咱慢慢談，所謂磨刀不誤砍柴工嘛。

要說啓動流程，若是隻是簡單的介紹從哪到哪，誰幹了啥啥，獲得的結果可能只是只知其然不知其因此然。我的以爲隨着CPU的PC指針走，循着代碼的足跡才能把整個流程理清楚，當找到了代碼的執行過程，再分析一下代碼，天然知道了哪一個部分完成了哪些事，更重要的是爲代碼的移植打下了堅實的基礎。天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，不過這也是一種鍛鍊。

bootloder 

前面說了，bootloader一上電就拿到了cpu 的使用權，它固然得幹一些初始化的工做啊，好比關閉看門狗、設置cpu 的運行模式、設置堆棧等等比較急迫的事情。固然還要對主板的一些其餘硬件進行簡單的初始化，好比外部DDR內存、網卡、顯示屏、nand flash等等的初始化工做，最後還要負責把Linux內核加載到內存中。正所謂責任和權力是並存的嘛，你獲得了權益，固然就得付出。當bootloader 完成它的使命以後就會把cpu 的使用權交給下一部分代碼：kernel 。

kernel

在討論kernel 是如何啓動以前，先了解kernel 的組成結構以及是如何得來的。下面這張圖是內核編譯即將結束時顯示的信息：

 

下面的這張圖說明了上面的編譯過程，

能夠看到，當內核源文件編譯連接成 vmlinux 文件之後還進行了幾個模塊的編譯和連接。其中

（1）vmlinux 是ELF格式的object文件，這種文件只是各個源代碼通過鏈接之後的獲得的文件，並不能在arm平臺上運行。

（2）通過objcopy這個工具轉換之後，獲得了二進制格式文件Image，Image文件相比於vmlinux 文件，除了格式不一樣之外，還被去除了許多註釋和調試的信息。

（3）Image文件通過壓縮之後獲得了piggy.gz ,這個文件僅僅是Image的壓縮版，並沒有其餘不一樣。

（4）接着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，又叫引導程序。編譯生成 piggy.o 文件。

（5）最後piggy.o文件和bootstrap loader 組成一個bootable kernel Image 文件（可啓動文件）。

能夠看到最後獲得的可執行文件就是上圖最右邊那個，這也是咱們最後燒寫到開發板的鏡像。其中piggy.o 就是內核鏡像，而剩下的幾個文件就組成了引導程序。

下面開始討論CPU的流轉過程，仍是用一個圖來展現：

從上圖能夠看出，系統一上電就開始執行bootloader。當bootloader 執行完之後，把控制權交給了引導程序的head.o 文件裏的start 標號處，當引導程序完成引導工做之後就將控制權轉給真正的內核的head.o 文件裏的start 標號處。這裏就是內核的入口點，最後內核的head.o將控制交給main.o 的start_kernel 函數。這樣，經過查看相應的代碼就能夠知道這些代碼到底完成了哪些工做。在這裏咱們能夠找到相應的代碼，分析一下，看它們到底完成哪些事。下面是個人分析結果：

引導程序：

head.o從bootloader接過控制權，並完成以下任務：

1. 使能 I/D caches ，關閉中斷 ， 創建C運行環境（即設置堆棧）由 head.o 和head-xscal.o 完成
2. 解壓縮並重定位代碼 ，由misc.o 完成
3. 其餘硬件相關的設置，如big.endian.o 爲cpu設置大端模式

內核入口點：從引導程序接過控制權，完成以下任務

1. 檢查有效的cpu 和cpu的信息
2. 建立初始化頁表入口
3. 使能MMU
4. 檢測錯誤並報告
5. 跳轉到內核自己 main.c 文件裏的 start_kernel（）函數

內核啓動：

從 kernel 的head.o接過控制權，開始內核的啓動，在這裏完成內核的初始化，如內核各個子系統的初始化。

root filesystem

到此止，kernel完成了系統硬件探測及硬件驅動的初始化，內核空間的相關工做已經完成，開始向用戶空間轉移，內核空間經過一個間接的initrd（一個虛擬的文件系統）向用戶空間過分，而後開始掛載根文件系統了，其過程：initrd ----> /sbin/init ----> /etc/inittab。

initrd是一個虛擬的文件系統，裏面有lib、bin、sbin、usr、proc、sys、var、dev、boot等一些目錄，其目錄有點像真的/，因此咱們稱之爲虛擬的根文件系統，做用就是將kernel和真的根文件系統創建關聯關係，讓kernel去initrd中加載根文件系統所須要的驅動程序，並以讀寫的方式掛載根文件系統，並讓執行用戶當中第一個進程init。

init執行完畢之後會啓動系統內的/etc/inittab文件，來完成系統系統的初始化工做。