BootLoader與Linux內核的參數傳遞【轉】

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在嵌入式系統中，BootLoader 是用來初始化硬件，加載內核，傳遞參數。由於嵌入式系統的硬件環境各不相同，因此嵌入式系統的BootLoader 也各不相同，其中比較通用的是U-Boot，它支持不一樣的體系結構，如ARM，PowerPC，X86，MIPS 等。本文着重介BootLoader與內核之間參數傳遞這一基本功能。本文的硬件平臺是基於AT91RM9200 處理器系統，軟件平臺是Linux-2.6.19.2 內核。內核映像文件爲zImage。

1. 系統硬件平臺簡介
AT91RM9200 處理器，它是由Atmel 公司基於ARM920T 內核的微處理器，帶有內存管理單元，CPU 時鐘最高可達240MHz,它具備豐富的標準接口，EBI 接口，內部集成了靜態存儲控制器（SMC），SDRAM 控制器，Burst Flash 控制器。有關處理器的說明請參考AT91RM9200 的數據手冊。本系統SDRAM（64MB）地址爲：0x20000000, NorFlash（8MB）的地址爲：0x10000000[1]。

2. BootLoader 設計和實現
內核源代碼目錄樹下的documentation/arm/booting[2]文檔規定了基於ARM 體系結構BootLoader 的基本功能。本系統BootLoader 除了完成這些基本的功能外，還結合自身硬件的特色加入了代碼搬運等功能。

BootLoader 的流程是：系統上電覆位後，首先從NorFlash 開始運行（由處理器BMS 引腳鏈接決定），由於處理器此時的0 地址就是NorFlash 的首地址(0x10000000)，BootLoader就是被燒寫在這個位置，AT91RM9200 處理器可以映射的地址範圍只有0x0000

0000—0x001f ffff。 BootLoader 執行的第一步就是將自身代碼從NorFlash 中搬運處處理器內部的RAM 中（0x00200000），而後將0 地址映射到內部RAM,而且跳轉到內部RAM 的相應地址處繼續執行。進入內部RAM 後才進入真正的硬件初始化階段，這個階段初始化的各類控制器都是內核所必須的，包括：PMC, EBI, SMC, SDRAM, USART 等。接着就是建立內核參數鏈表(Tagged list)，建立完鏈表就是搬運事先燒寫在NorFlash 中的內核映像和根文件系統映像到SDRAM，根據內核對BootLoader 的基本要求關閉中斷，MMU 和數據Cache，而且配置r0=0, r1=0x0000 00fb 或者0x00000106(根據內核中linux/arch/arm/tools/mach-types[2]

規定的機器編號)，r2=0x20000100（BootLoader 傳遞給內核參數鏈表的物理地址），在ARM體系結構中，這個地址在同一種處理器的機器描述符（machine_desc）中都是默認的，因此在這裏能夠不 指定。最後BootLoader 直接跳轉到SDRAM 的內核處執行。

3. 內核參數鏈表
BootLoader 能夠經過兩種方法傳遞參數給內核， 一種是舊的參數結構方式（parameter_struct)，主要是2.6 以前的內核使用的方式。另一種就是如今的2.6 內核在用的參數鏈表 (tagged list) 方式。這些參數主要包括，系統的根設備標誌，頁面大小，內存的起始地址和大小，RAMDISK 的起始地址和大小，壓縮的RAMDISK 根文件系統的起始地址和大小，內核命令參數等[3][4][5]。

內核參數鏈表的格式和說明能夠從內核源代碼目錄樹中的 include/asm-arm/setup.h[2]中找到，參數鏈表必須以ATAG_CORE 開始，以ATAG_NONE 結束。這裏的ATAG_CORE，ATAG_NONE 是各個參數的標記，自己是一個32 位值，例如：ATAG_CORE=0x54410001。

其它的參數標記還包括： ATAG_MEM32 ， ATAG_INITRD ， ATAG_RAMDISK ，ATAG_COMDLINE 等。每一個參數標記就表明一個參數結構體，由各個參數結構體構成了參數鏈表。參數結構體的定義以下：

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;
};

參數結構體包括兩個部分，一個是 tag_header 結構體,一個是u 聯合體。

tag_header 結構體的定義以下：
struct tag_header 
{
u32 size;
u32 tag;
};

其中 size：表示整個tag 結構體的大小(用字的個數來表示，而不是字節的個數)，等於tag_header 的大小加上u 聯合體的大小，例如，參數結構體ATAG_CORE 的

size=(sizeof(tag->tag_header)+sizeof(tag->u.core))>>2，通常經過函數 tag_size(struct * tag_xxx)來得到每一個參數結構體的size。其中tag：表示整個tag 結構體的標記，如：ATAG_CORE等。

聯合體u 包括了全部可選擇的內核參數類型，包括：tag_core, tag_mem32，tag_ramdisk等。參數結構體之間的遍歷是經過函數tag_next(struct * tag)來實現的。本系統參數鏈表包括的結構體有： ATAG_CORE ， ATAG_MEM， ATAG_RAMDISK， ATAG_INITRD32 ，ATAG_CMDLINE，ATAG_END。在整個參數鏈表中除了參數結構體ATAG_CORE 和ATAG_END 的位置固定之外，其餘參數結構體的順序是任意的。本BootLoader 所傳遞的參數鏈表以下：第一個內核參數結構體，標記爲ATAG_CORE，參數類型爲tag_core。每一個參數類型的定義請參考源代碼文件。

tag_array 初始化爲指向參數鏈表的第一個結構體的指針。

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);

最後將內核參數鏈表複製到內核默認的物理地址0x20000100 處。這樣參數鏈表就建好了。

4. 內核接收參數
下面從基於ARM體系結構的zImage 映像啓動來分析Linux 內核是怎樣接收BootLoader傳遞過來的內核參數，zImage 啓動過程以下圖所示。

(圖有時間再畫)

在文件 arch/arm/boot/compressed/head.S[2]中 start 爲zImage 的起始點，部分代碼以下：
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

首先將BootLoader 傳遞過來的r1（機器編號）、r2（參數鏈表的物理地址）的值保存到r七、r8 中，再將r7 做爲參數傳遞給解壓函數decompress_kernel（）。在解壓函數中，再將r7 傳遞給全局變量__machine_arch_type。在跳到內核（vmlinux）入口以前再將r7，r8 還原到r1，r2 中。

在文件 arch/arm/kernel/head.S[2]中，內核（vmlinux）入口的部分代碼以下：

stext：
mrc p15, 0, r9, c0, c0
bl __lookup_processor_type
………
bl __lookup_machine_type

首先從處理器內部特殊寄存器（CP15）中得到ARM 內核的類型，從處理器內核描述符（proc_info_list）表（__proc_info_begin—__proc_info_end）中查詢有無 此ARM 內核的類型，若是無就出錯退出。處理器內核描述符定義在 include/asm-arm/procinfo.h[2]中，具體的函數實如今 arch/arm/mm/proc-xxx.S[2]中，在編譯鏈接過程當中將各類處理器內核描述符組合成表。接着從機器描述符 （machine_desc）表（__mach_info_begin—__mach_info_end）中查詢有無r1 寄存器指定的機器編號，若是沒有就出錯退出。機器編號mach_type_xxx 在arch/arm/tools/mach-types[2]文件中說明，每一個機器描述符中包括一個惟一的機器編號，機器描述符的定義在 include/asm-arm/mach/arch.h[2]中，具體實如今 arch/arm/mach-xxxx[2]文件夾中，在編譯鏈接過程當中將基於同一種處理器的不一樣機器描述符組合成表。例如，基於AT91RM9200 處理器的各類機器描述符能夠參考 arch/arm/mach-at91rm9200/board-xxx.c[2]，機器編號爲262 的機器描述符以下所示：

MACHINE_START(AT91RM9200DK, "Atmel AT91RM9200-DK")

.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

最後就是打開MMU，並跳轉到 init/main.c[2]的start_kernel（初始化系統。在 init/main.c[2] 中，函數start_kernel（）的部分代碼以下：

{ 
……
setup_arch（）；
……
}

在 arch/arm/kernel/setup.c[2]中，函數setup_arch（）的部分代碼以下：

{ 
……
setup_processor();
mdesc=setup_machine(machine_arch_type);
……
parse_tags(tags);
……
}

setup_processor（）函數從處理器內核描述符表中找到匹配的描述符，並初始化一些處理器變量。setup_machine（）用機器編號 （在解壓函數decompress_kernel 中被賦值）做爲參數返回機器描述符。從機器描述符中得到內核參數的物理地址，賦值給tags 變量。而後調用parse_tags（）函數分析內核參數鏈表，把各個參數值傳遞給全局變量。這樣內核就收到了BootLoader 傳遞的參數。

5. 參數傳遞的驗證和測試
參數傳遞的結果能夠經過內核啓動的打印信息來驗證。

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

一個完備的BootLoader 是一個很複雜的工程，本文所介紹的只是嵌入式系統的BootLoaer 基本功能。任何一個BootLoader 都離不開這個基本功能，內核只有接收這些參數才能正確地啓動,同時也爲內核的移植和調試奠基了良好的基礎。