arm linux启动详解

虽然网上关于arm平台上linux启动的详解已经数不清楚了，但我还是坚持要自己写一篇

大致听说过嵌入式linux的人都知道是，bootloader-kernel-init进程
但细说起来那就有一点小复杂了。
先是开发板上电，arm就从soc芯片内部的的flash开始执行第一行代码，内部flash非常小，一般才几k吧，几十k的也有，S5PV210有64K,这些都是芯片硬件上就
这么设计的。这极小的代码就是负责把外部的一些代码搬运到芯片内部的的,ram中。芯片内部的ram也小得很，S5PV210的有96K。那么芯片内部代码是从哪个
个存中搬代码，搬多少代码呢？如果是多个启动方式的芯片，那么芯片会根据电平（即用户的拔健选择）来选择从哪个外存搬代码，一般可选为,NOR,NAND,TF（SD），
USB。所以说内部几十K的代码也是非常好牛逼的，能做这么多的初始化。那么能够搬运多少呢？有些是芯片直接硬件设计是多少的。有的是由要拷贝代码的头部信息给出的，
由于集成开发环境的缘故，有些人也不知道要拷贝代码需要头部信息，因为集成开发环境帮你做了。
之后外存中拷贝进IRAM中的代码开始执行，这些代码就负责搬运代码（nand ,nor或者TF卡之类的）到DRAM，其实就是搬运bootloader 到DRAM,   所以说号称引导程序的
bootloader 在其之前还有两重引导程序。当然如果老板够大方，直接把bootloader 存放在nor 里面，那么之前就只有一重引导程序了，即芯片内部引导程序，然后就直接在nor
运行。好吧，说了一些我们不太需要知道的东西后来到重点的第一步吧。

     bootlader 以uboot为例，可以设计得很简洁也可以设计得很复杂！但至少初始化RAM,串口（我很奇怪其实芯片内部代码或者IRAM中的代码应该已经初始化过了吧），检测获取处理器类型，设置传递给内核的参数，还有就是烧写代码到FLASH的作用和引导内核的作用。复杂点的话可以做个人机交互的，你爱初始化什么串口,USB都可以，做成从哪里烧写代码都可以。
既然内核都是靠uboot烧写的，那么uboot自然知道kernel在哪里了。所以引导kernel时找到kernel 文件不是靠文件系统的（此时还没有文件系统）而是靠uboot死记住住住kernel 的位置。
     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。
   之后内核开始自我解压缩，然后根据uboot给的参数进行初始化。其中就有一个参数是表示rootfs的地址的，这样子内核才可以找到rootfs并主动挂载。
以下摘自别人的一篇文章：

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：

execve("/sbin/init",argv_init,envp_init);
execve("/etc/init",argv_init,envp_init);
execve("/bin/init",argv_init,envp_init);
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。