BootLoader与 Linux 内核的参数传递
夏传凯，吴乃陵
东南大学电子科学与工程学院，南京(210096）
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摘 要：本文介绍了嵌入式系统 BootLoader与 Linux-2.6.19.2内核参数传递的具体实现。主
要内容包括：系统硬件平台的简介，参数链表的结构和创建，内核的接收。
关键词：BootLoader，AT91RM9200，Linux，Tagged list，内核参数传递
0. 引言
在嵌入式系统中，BootLoader是用来初始化硬件，加载内核，传递参数。因为嵌入式系
统的硬件环境各不相同，所以嵌入式系统的 BootLoader 也各不相同，其中比较通用的是
U-Boot， 它支持不同的体系结构， 如ARM， PowerPC， X86， MIPS等。 本文着重介绍BootLoader
与内核之间参数传递这一基本功能。本文的硬件平台是基于 AT91RM9200 处理器系统，软
件平台是Linux-2.6.19.2 内核。内核映像文件为 zImage。
1. 系统硬件平台简介
AT91RM9200处理器，它是由Atmel公司基于 ARM920T内核的微处理器，带有内存管
理单元，CPU 时钟最高可达 240MHz,它具有丰富的标准接口，EBI 接口，内部集成了静态
存储控制器（SMC），SDRAM 控制器，Burst Flash 控制器。有关处理器的说明请参考
AT91RM9200的数据手册。本系统SDRAM（64MB）地址为：0x20000000, NorFlash（8MB）
的地址为：0x10000000[1]。系统硬件平台的原理图如下：
图 1 系统硬件平台原理图
2. BootLoader设计和实现
内核源代码目录树下的 documentation/arm/booting[2]文档规定了基于 ARM 体系结构
BootLoader 的基本功能。本系统 BootLoader 除了完成这些基本的功能外，还结合自身硬件
的特点加入了代码搬运等功能。
AT91RM9200
SDRAM
64MB
NorFlash
8MB
RS232 接口
USB 接口
网络接口
显示器驱动
模块
JTAG接口
SD卡接口
- 2 -
BootLoader的流程是：系统上电复位后，首先从NorFlash 开始运行（由处理器 BMS引
脚连接决定），因为处理器此时的 0地址就是 NorFlash 的首地址(0x10000000)，BootLoader
就是被烧写在这个位置，AT91RM9200 处理器能够映射的地址范围只有 0x0000
0000—0x001f ffff。 BootLoader 执行的第一步就是将自身代码从 NorFlash 中搬运到处理器
内部的 RAM 中（0x00200000），然后将 0 地址映射到内部 RAM,并且跳转到内部 RAM 的
相应地址处继续执行。进入内部 RAM后才进入真正的硬件初始化阶段，这个阶段初始化的
各种控制器都是内核所必须的，包括：PMC, EBI, SMC, SDRAM, USART等。接着就是创建
内核参数链表(Tagged list)，创建完链表就是搬运事先烧写在NorFlash 中的内核映像和根文
件系统映像到 SDRAM， 根据内核对BootLoader的基本要求关闭中断，MMU和数据Cache，
并且配置r0=0, r1=0x0000 00fb或者0x00000106(根据内核中linux/arch/arm/tools/mach-types[2]
规定的机器编号)，r2=0x20000100（BootLoader传递给内核参数链表的物理地址），在ARM
体系结构中，这个地址在同一种处理器的机器描述符（machine_desc）中都是默认的，所以
在这里可以不指定。最后BootLoader直接跳转到 SDRAM的内核处执行。
3. 内核参数链表
BootLoader 可以通过两种方法传递参数给内核，一种是旧的参数结构方式
（parameter_struct)，主要是 2.6 之前的内核使用的方式。另外一种就是现在的 2.6内核在用
的参数链表 (tagged list) 方式。这些参数主要包括，系统的根设备标志，页面大小，内存的
起始地址和大小，RAMDISK的起始地址和大小，压缩的RAMDISK根文件系统的起始地址
和大小，内核命令参数等[3][4][5]。
内核参数链表的格式和说明可以从内核源代码目录树中的 include/asm-arm/setup.h[2]中
找到，参数链表必须以ATAG_CORE 开始，以ATAG_NONE结束。这里的 ATAG_CORE，
ATAG_NONE是各个参数的标记，本身是一个32位值，例如：ATAG_CORE=0x54410001。
其它的参数标记还包括： ATAG_MEM32 ， ATAG_INITRD ， ATAG_RAMDISK ，
ATAG_COMDLINE 等。每个参数标记就代表一个参数结构体，由各个参数结构体构成了参
数链表。参数结构体的定义如下：
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;
};
参数结构体包括两个部分，一个是 tag_header结构体,一个是u联合体。
- 3 -
tag_header结构体的定义如下：
struct tag_header {
u32 size;
u32 tag;
};
其中 size：表示整个 tag 结构体的大小(用字的个数来表示，而不是字节的个数)，等于
tag_header的大小加上 u联合体的大小，例如，参数结构体 ATAG_CORE 的
size=(sizeof(tag->tag_header)+sizeof(tag->u.core))>>2，一般通过函数 tag_size(struct * tag_xxx)
来获得每个参数结构体的 size。其中 tag：表示整个 tag 结构体的标记，如：ATAG_CORE
等。
联合体 u 包括了所有可选择的内核参数类型，包括：tag_core, tag_mem32，tag_ramdisk
等。参数结构体之间的遍历是通过函数 tag_next(struct * tag)来实现的。本系统参数链表包括
的结构体有：ATAG_CORE，ATAG_MEM，ATAG_RAMDISK，ATAG_INITRD32，
ATAG_CMDLINE，ATAG_END。在整个参数链表中除了参数结构体 ATAG_CORE 和
ATAG_END 的位置固定以外，其他参数结构体的顺序是任意的。本 BootLoader所传递的参
数链表如下：第一个内核参数结构体，标记为ATAG_CORE，参数类型为 tag_core。每个参
数类型的定义请参考源代码文件。
tag_array初始化为指向参数链表的第一个结构体的指针。
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);
最后将内核参数链表复制到内核默认的物理地址 0x20000100处。这样参数链表就建好了。
4. 内核接收参数
下面从基于ARM体系结构的zImage映像启动来分析Linux内核是怎样接收BootLoader
传递过来的内核参数，zImage启动过程如下图所示。
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图 2 参数传递的路径[5]
在文件 arch/arm/boot/compressed/head.S[2]中 start为zImage的起始点，部分代码如下：
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
首先将BootLoader传递过来的r1（机器编号）、r2（参数链表的物理地址）的值保存到 r7、
r8 中，再将 r7 作为参数传递给解压函数 decompress_kernel（）。在解压函数中，再将 r7传
递给全局变量__machine_arch_type。在跳到内核（vmlinux）入口之前再将 r7，r8 还原到 r1，
r2 中。
在文件 arch/arm/kernel/head.S[2]中，内核（vmlinux）入口的部分代码如下：
stext：
mrc p15, 0, r9, c0, c0
bl __lookup_processor_type
………
bl __lookup_machine_type
首先从处理器内部特殊寄存器（CP15）中获得 ARM 内核的类型，从处理器内核描述符
（proc_info_list）表（__proc_info_begin—__proc_info_end）中查询有无此ARM内核的类型，
启动（start）
解压内核（decompress_kernel（））
调用内核（call_kernel（））
内核初始化（start_kernel（））
setup_arch（）
内核 vmlinux入口（stext：）
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如果无就出错退出。处理器内核描述符定义在 include/asm-arm/procinfo.h[2]中，具体的函数
实现在 arch/arm/mm/proc-xxx.S[2]中，在编译连接过程中将各种处理器内核描述符组合成
表。接着从机器描述符（machine_desc）表（__mach_info_begin—__mach_info_end）中查询
有无 r1 寄存器指定的机器编号，如果没有就出错退出。机器编号 mach_type_xxx 在
arch/arm/tools/mach-types[2]文件中说明，每个机器描述符中包括一个唯一的机器编号，机器
描述符的定义在 include/asm-arm/mach/arch.h[2]中，具体实现在 arch/arm/mach-xxxx[2]文件
夹中，在编译连接过程中将基于同一种处理器的不同机器描述符组合成表。例如，基于
AT91RM9200处理器的各种机器描述符可以参考 arch/arm/mach-at91rm9200/board-xxx.c[2]，
机器编号为 262的机器描述符如下所示：
MACHINE_START(AT91RM9200DK, "Atmel AT91RM9200-DK")
/* Maintainer: SAN People/Atmel */
.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
最后就是打开 MMU，并跳转到 init/main.c[2]的 start_kernel（）初始化系统。
在 init/main.c[2] 中，函数 start_kernel（）的部分代码如下：
{ ……
setup_arch（）；
……}
在 arch/arm/kernel/setup.c[2]中，函数 setup_arch（）的部分代码如下：
{ ……
setup_processor();
mdesc=setup_machine(machine_arch_type);
……
parse_tags(tags);
……
}
setup_processor（）函数从处理器内核描述符表中找到匹配的描述符，并初始化一些处理器
变量。setup_machine（）用机器编号（在解压函数 decompress_kernel 中被赋值）作为参数
返回机器描述符。从机器描述符中获得内核参数的物理地址，赋值给 tags 变量。然后调用
parse_tags（）函数分析内核参数链表，把各个参数值传递给全局变量。这样内核就收到了
BootLoader传递的参数。
5. 参数传递的验证和测试
参数传递的结果可以通过内核启动的打印信息来验证。
Machine: Atmel AT91RM9200-DK
……
Kernel command line: console=ttyS0,115200 root=/dev/ram rw init=/linuxrc
- 6 -
……
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
6. 结束语
一个完备的 BootLoader 是一个很复杂的工程，本文所介绍的只是嵌入式系统的
BootLoaer基本功能。任何一个BootLoader都离不开这个基本功能，内核只有接收这些参数
才能正确地启动。目前，笔者的 BootLoader 已经能够稳定地运行在硬件平台上，为以后开
发更复杂和完备的 BootLoader 打下了一定的基础，同时也为内核的移植和调试奠定了良好
的基础。
参考文献
[1] 杜春雷. ARM 体系结构与编程[M].北京; 清华大学出版社,2003.2
[2] Linux-2.6.19.2 kernel,
[3] 李汉强,邱巍. 基于 Intel PXA26X 处理器的 BootLoader 的设计与实现[J]. 武汉理工大学学报（交通科学
与工程版）2003,12:27-6
[4] 郑家玲,张云峰,孙荷琨.嵌入式系统的内核载入过程浅析[J].微型计算机应用，2002 年第11 期
[5] 孙纪坤,张小全. 嵌入式 Linux系统开发技术详解-基于 ARM[M].北京; 人民邮电出版社,2006.
Parameters transferring from bootloader to linux
Xia Chuankai, Wu Nailing
Southeast University, Nanjing, Jiangsu (210096)
Abstract
This article introduce parameters transferring from bootloader of embedded system to linux-2.6.19.2
kernel and implement. It consists of simple introduction of hardware system, structure and implement
of kernel tag lists and how to be received by kernel .
Keywords: BootLoader AT91RM9200 Linux Tagged list Kernel tagged list transferring
作者简介：
夏传凯，1980，男，硕士研究生；
吴乃陵，男，教授，硕士生导师，E-mail：。
