ARM 平台上的Linux系統啟動流程

　　開始學習嵌入式開發就一直在使用Linux系統作為學習的平台，到現在無論是PC機還是ARM開發板都已經能順利地跑起了Linux系統，但是對Linux 的啟動流程還是不甚了解。於是開始各種百度谷歌，當然看到了各路大神寫的介紹。總的來說就是：bootloader ---->kernel---->root filesystem，當然還介紹了哪個階段完成了哪些工作。比如bootloader 是一上電就拿到cpu 的控制權的，而bootloader實現了硬體的初始化。bootloader儼然就成了power on 之後”第一個吃螃蟹”的程式碼。

　　談到這就得想到硬體機制是如何滿足這個功能的了。就拿S3C2440 這個晶片來說（我的硬體平台就是拿這個晶片作為主晶片），CPU內部整合了一塊容量為4KB 的 sram (又叫stapping stone 墊腳石)，當系統一上電，NAND controler 就自動地將nand flash 裡的前4K內容複製到墊腳石裡，而PC 指標一上電就指向墊腳石的起始地址0x00000000。這樣這一部分的程式碼就可以得到執行。可以想象，如果這一部分的程式碼就是bootloader 的一部分，那一上電bootloader 不就可以得到執行了麼？事實確實如此，在嵌入式Linux的軟體系統中，nandflash前面一部分程式碼往往就是bootloader ，然後就是kernel, 再接著就是根檔案系統。

　　說了這麼多，好像都沒說到啟動流程啊，別著急，咱慢慢談，所謂磨刀不誤砍柴工嘛。

　　要說啟動流程，如果只是簡單的介紹從哪到哪，誰幹了啥啥，得到的結果可能只是只知其然不知其所以然。個人覺得隨著CPU的PC指標走，循著程式碼的足跡才能把整個流程理清楚，當找到了程式碼的執行過程，再分析一下程式碼，自然知道了哪個部分完成了哪些事，更重要的是為程式碼的移植打下了堅實的基礎。自然這個過程是痛苦和枯燥的，甚至是看程式碼看了幾天也沒弄明白，不過這也是一種鍛鍊。好了不扯了，馬上進入主題。

bootloder :

　　前面說了，bootloader一上電就拿到了cpu 的使用權，它當然得乾一些初始化的工作啊，比如關閉看門狗、設定cpu 的執行模式、設定堆疊等等比較急迫的事情。當然還要對主機板的一些其他硬體進行簡單的初始化 比如網絡卡，顯示屏，nand flash 等等的初始化工作，最後還要負責把Linux核心載入到記憶體中。正所謂責任和權力是並存的嘛，你得到了權益，當然就得付出。當bootloader 完成它的使命之後就會把cpu 的使用權交給下一部分程式碼：kernel 。

kernel：

　　在討論kernel 是如何啟動之前，先了解kernel 的組成結構以及是如何得來的。

　　下面這張圖是核心編譯即將結束時顯示的資訊：

下面的這張圖說明了上面的編譯過程，

　　可以看到，當核心原始檔編譯連結成 vmlinux 檔案以後還進行了幾個模組的編譯和連結。其中vmlinux 是ELF格式的object檔案，這種檔案只是各個原始碼經過連線以後的得到的檔案，並不能在arm平台上執行。經過objcopy這個工具轉換以後，得到了二進位制格式檔案Image，Image檔案相比於vmlinux 檔案，除了格式不同以外，還被去除了許多注釋和偵錯的資訊。Image檔案經過壓縮以後得到了piggy.gz ,這個檔案僅僅是Image的壓縮版，並無其他不同。接著編譯生成另外幾個模組檔案misc.o big_endian.o head.o head-xscale.o，這幾個檔案組成一個叫bootstrap loader 的元件，又叫載入程式。編譯生成 piggy.o 檔案。最後piggy.o檔案和bootstrap loader 組成一個bootable kernel Image 檔案（可啟動檔案）。

　　可以看到最後得到的可執行檔案就是上圖最右邊那個，這也是我們最後燒寫到開發板的映象。其中piggy.o 就是核心映象，而剩下的幾個檔案就組成了載入程式。　　

　　下面開始討論CPU的流轉過程：

　　還是用一個圖來展示：

　　從上圖可以看出，系統一上電就開始執行bootloader 當bootloader 執行完以後，把控制權交給了載入程式的head.o 檔案裡的start 標號處，當載入程式完成引導工作以後就將控制權轉給真正的核心的head.o 檔案裡的start 標號處。這裡就是核心的入口點，最後核心的head.o將控制交給main.o 的start_kernel 函數。這樣，通過檢視相應的程式碼就可以知道這些程式碼到底完成了哪些工作。在這裡我們可以找到相應的程式碼，分析一下，看它們到底完成哪些事。下面是我的分析結果：

載入程式： head.o從bootloader接過控制權，並完成如下任務：

　　　　1. 使能 I/D caches ，關閉中斷 ， 建立C執行環境（即設定堆疊）由 head.o 和head-xscal.o 完成　　　

　　　　2. 解壓縮並重定位程式碼 ，由misc.o 完成

　　　　3. 其他硬體相關的設定，如big.endian.o 為cpu設定大端模式

核心入口點：從載入程式接過控制權，完成如下任務

　　　　1. 檢查有效的cpu 和cpu的資訊

　　　　2. 建立初始化頁表入口

　　　　3. 使能MMU

　　　　4. 檢測錯誤並報告

　　　　5. 跳轉到核心本身 main.c 檔案裡的 start_kernel（）函數

 核心啟動：從kernel 的head.o接過控制權，開始核心的啟動，在這裡完成核心的初始化，如核心各個子系統的初始化。

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