关于嵌入式Linux系统的启动(很好的嵌入式linux启动过程分析)

lw:虽然zImage的开头是head_armv.S的8个空循环，但是实际是先执行compressed/head.S进行解压操作。

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

#1  关于嵌入式系统的启动(SHARE FOR ALL)

嵌入式Linux启动分为两个部分，系统引导与Linux启动。系统引导将完成Linux装入内存前，初始化CPU和相关IO设备，并将Linux调入内存的工作。系统引导主要由BootLoader实现。在BootLoader将Linux内核调入内存之后，将权力交给LinuxKernel，进入Linux的启动部分。以下详细分析启动的过程与使用的文件。

一、系统引导与BootLoader
        BootLoader因嵌入式系统的不同与PC机有很大不同，这里将以Hyper250(Inter Xscale GDPXA250)的启动为例来分析。由于没有BIOS驱动主板，EnbeddedOS必须由bootloader驱动所有的硬件，并完成硬件的初始化工作。
        所有的初始化文件在hyper250/Bootloader目录下。
       
        首先分析开机运行的分件：
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/start_xscale.S
        文件包含两个库文件：
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/include/config.h
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/include/start_xscale.h
        文件config.h主要完成系统各硬件的宏定义与设定，xscale.h主要完成对系统芯片的及系统操作的设定。

        以下分析config.h文件：
        (1)存储总线设备的宏定义：定义Flash的大小、字长等信息，定义SRAM的基址、大小和块大小。
        (2)动态内存设定：定义DRAM的大小、基址。
        (3)软件包信息：包名称、版本号。
        (4)设定BOOT LOADER的位置：在DRAM和SRAM的最大值、DRAM装入位置、栈的基址。
        (5)设定kernel的位置：在DRAM和SRAM的基址、KERNEL的最大值、KERNEL中块的数量。
        (6)设定文件系统的位置：根目录在DRAM和SRAM的基址、文件系统的最大值、文件系统中块的数量。
        (7)设定LOADER程序：LOADER程序的静态内存基址、LOADER程序的最大值、块的数量。
        (8)网络设定
       
        以下分析start_xcalse.h文件：
        (1)定义内存基址(A0000000)
        (2)定义中断基址(40D00000)和中断保护栈的偏移量
        (3)定义时钟管理基址(41300000)和寄存器偏移及其初始值
        (4)定义GPIO接口寄存器基址(40E00000)及各寄存器的偏移
        (5)定义GPIO接口各寄存器的初始值
        (6)定义内存控制寄存器基址(48000000)和各寄存器的偏移
        (7)定义内存控制寄存器的初始值
        (8)定义电源管理寄存器的参数
        (9)定义FFUART寄存器的基址(40100000)和各寄存器的偏移
        (10)定义FFUART各寄存器的初始值
       
        以下分析start_xcalse.S文件：
        (1)设定中断基址(40D00000),完成中断保护栈的初始化
        (2)初始化GPIO接口
        (3)初始化内存SDRAM
        (4)将Bootloader从Flash拷贝到SDRAM中
        (5)装入Linux内核镜像,将内核从Flash(000C 0000)装入SDRAM(A0008000)中.
        (6)设定保护栈
        (7)调用main.c的主函数c_main()       
       
        以上start_xcalse.S通过APCS的编程标准书写的汇编文件初始化了系统相关的硬件,并且完成了BootLoader的装入内存和Linux内核的装入,最后将权力转交给main.c。
        以下将分析main.c文件:
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/main.c
        以及两个库文件
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/include/main.h
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/include/scc.h

#2  

二、Linux启动过程分析

        1.Makefile分析：
        在分析arch/arm/boot/compressed目录下的文件的时候，对于Makefile的分析是很重要的，因为内核将在这个目录相产生。这里主要工作是对内核的压缩和解压工作。本目录在编译完成后将产生vmlinux、head.o、misc.o、head-xscale.o、piggy.o这几个文件。其中vmlinux是(没有－－lw：zImage是压缩过的内核)压缩过的内核。head.o是内核的头部文件，负责初始设置。misc.o将主要负责内核的解压工作，它在head.o之后。head-xscale.o文件主要针对Xscale的初始化，将在链接时与head.o合并。piggy.o是一个中间文件，其实是一个压缩的内核，只不过没有和初始化文件及解压文件链接而已。
       
        2.Decompress分析：
        在BootLoader完成系统的引导以后并将Linux内核调入内存之后，调用bootLinux()，这个函数将跳转到kernel的起始位置。如果kernel没有压缩，就可以启动了。如果kernel压缩过，则要进行解压，在压缩过的kernel头部有解压程序。压缩过得kernel入口第一个文件源码位置在arch/arm/boot/compressed/head.S。它将调用函数decompress_kernel()，这个函数在文件arch/arm/boot/compressed/misc.c中，decompress_kernel()又调用proc_decomp_setup(),arch_decomp_setup()进行设置，然后使用在打印出信息“Uncompressing Linux...”后，调用gunzip()。将内核放于指定的位置。
        启动首先运行的文件有：
                arch/arm/boot/compressed/head.S
                arch/arm/boot/compressed/head-xscale.S
                arch/arm/boot/compressed/misc.c
        这些文件主要用于解压内核和以及启动内核映象。一旦内核启动，则这些文件所占内存空间将被释放。而且，一旦系统通过reset重起，当BootLoader将压缩过的内核放入内存中，首先执行的必然是这些代码。
       
        以下分析head.S文件：
        (1)对于各种Arm CPU的DEBUG输出设定，通过定义宏来统一操作。
        (2)设置kernel开始和结束地址，保存architecture ID。
        (3)如果在ARM2以上的CPU中，用的是普通用户模式，则升到超级用户模式，然后关中断。
        (4)分析LC0结构delta offset，判断是否需要重载内核地址(r0存入偏移量，判断r0是否为零)。
        这里是否需要重载内核地址，我以为主要分析arch/arm/boot/Makefile、arch/arm/boot/compressed/Makefile和arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds.in三个文件，主要看vmlinux.lds.in链接文件的主要段的位置，LOAD_ADDR(_load_addr)＝0xA0008000，而对于TEXT_START(_text、_start)的位置只设为0，BSS_START(__bss_start)＝ALIGN(4)。对于这样的结果依赖于，对内核解压的运行方式，也就是说，内核解压前是在内存(RAM)中还是在FLASH上，因为这里，我们的BOOTLOADER将压缩内核(zImage)移到了RAM的0xA0008000位置，我们的压缩内核是在内存(RAM)从0xA0008000地址开始顺序排列，因此我们的r0获得的偏移量是载入地址(0xA0008000)。接下来的工作是要把内核镜像的相对地址转化为内存的物理地址，即重载内核地址。
        (5)需要重载内核地址，将r0的偏移量加到BSS region和GOT table中。
        (6)清空bss堆栈空间r2－r3。
        (7)建立C程序运行需要的缓存，并赋于64K的栈空间。
        (8)这时r2是缓存的结束地址，r4是kernel的最后执行地址，r5是kernel境象文件的开始地址。检查是否地址有冲突。
                将r5等于r2，使decompress后的kernel地址就在64K的栈之后。
        (9)调用文件misc.c的函数decompress_kernel()，解压内核于缓存结束的地方(r2地址之后)。此时各寄存器值有如下变化：
                r0为解压后kernel的大小
                r4为kernel执行时的地址
                r5为解压后kernel的起始地址
                r6为CPU类型值(processor ID)
                r7为系统类型值(architecture ID)
        (10)将reloc_start代码拷贝之kernel之后(r5+r0之后)，首先清除缓存，而后执行reloc_start。
        (11)reloc_start将r5开始的kernel重载于r4地址处。
        (12)清除cache内容，关闭cache，将r7中architecture ID赋于r1，执行r4开始的kernel代码。
       
        关于head-xscale.S文件，它定义了xcale处理器的64k的cache缓存的实现代码和关闭MMU及缓存的代码，这些代码将在链接过程中与head.S的合并。
       
        关于misc.c文件，它引入了以下几个文件：
                include/linux/kernel.h
                include/asm-arm/arch-pxa/uncompress.h
                include/asm-arm/proc-armv/uncompress.h
                include/asm-arm/uaccess.h
                lib/inflate.c
        以下分析misc.c文件的decompress_kernel()函数：
        (1)首先传入参数：解压后内核地址，缓存开始地址，缓存结束地址，arch id。这些参数通过寄存器r0(r5),r1,r2,r3(r7)传入。
        (2)接着执行proc_decomp_setup()，它在include/asm-arm/proc-armv/uncompress.h文件中。主要刷新并起用i cache，锁住交换缓存，这是一段嵌入的arm汇编代码。
        (3)接着执行arch_decomp_setup()，它在include/asm-arm/arch-pxa/uncompress.h文件中，是一个空函数，用于扩展。
        (4)然后执行makecrc()，它在lib/inflate.c中，主要将产生CRC-32 table，进行循环冗余校验。
        (5)调用gunzip()解压kernel，它也在lib/inflate.c中。
        (6)返回head.S，解压后kernel的长度传给r0，解压后的内核地址预先在r5中定义了。

 

#3  

3.kernel进入文件分析：
        随后系统将调入文件：arch/arm/kernel/head_armv.S或arch/arm/kernel/head_armo.S。对于arm的kernel而言，有两套.S文件：_armv.S 和 _armo.S. 选择_armv.S 还是_armo.S 依赖于处理器。ARM的version 1, version 2, 都只支持26位的地址空间。version 3开始支持32位的地址空间，同时还向后兼容26位的地址空间。version 4开始不再向后兼容26位的地址空间。这里由于Hyper250使用的是version7，故只涉及文件head_armv.S。

        head_armv.S是内核的入口点，在内核被解压到预定位置后，它将运行，这里简要说明其主要工作：
        (1)首先，关中断并进入保护模式，这里将建立虚拟地址到物理地址的映射。(见第二章内存分析)

        (2)调用lookup_processor_type，查询CUP和其ID是否在.proc.info表中，如果存在，则令r10指向此结构，在CPU的内核入口文件中。如果不是则提示error：p并挂起。关于r10指向的结构，他所属的内核入口文件，以Hyper250为例：arch/arm/mm/proc-xcale.S。
        这里要要注意的是，此处操作的对象是由vmlinux-armv.lds.in链接文件定位的段.proc.info中，这个段定义在proc-xcale.S文件末尾，这里要注意，上面并没有使系统进入保护模式，所以在这里对.proc.info寻址的时候，为了得到相对地址，做了一个相对寻址的变换。这里好象只用了这个结构的前3位：处理器类型值(value)，处理器值掩码(mask)，MMU标志值(mmuflags)。这3个值在分别放在寄存器r5(0x69052100)、r6(0xfffff7f0)、r8(0x00000c0e)中，r5和r6只是用于和获得的处理器的ID相比较，而r8则有两个可能的值，分别表示MMU的状态：如果MMU开启，即CACHE_WRITE_THROUGH，则r8=0x00000c0a，否则r8=0x00000c0e。这里r8的值将会保持到初始页表时使用。
        r10此时指向段.proc.info的开始地址。

        (3)寄存器r1中的系统类型值(unique architecture number)，这个系统类型值的定义，并且由bootloader传入。在文件arch/arm/tools/mach-types中：
        machine_is_xxx        CONFIG_xxxx                        MACH_TYPE_xxx                number
        xhyper250R1        ARCH_PXA_XHYPER250R1                PXA_XHYPER250R1                200

        (4)调用lookup_architecture_type，将以r1的值检查.arch.info表，这是个struct machine_desc由文件arch/arm/mach-pxa/xhyper250R1.c中的MACHINE_START()创建。假如没有此结构则提示error：a并挂起。
        这里要注意的是，段.arch.info的定位在vmlinux-armv.lds.in文件中紧接.proc.info，这个段定义在include/asm-arm/mach/arch.h文件中，使用了宏定义MACHINE_START()。文件首先定义了一个结构体machine_desc，段.arch.info主体部分使用了宏定义MACHINE_START()其中嵌入这个结构体。
        通常来讲MACHINE_START()的实现应该在文件arch/arm/kernel/arch.c中，而这里hyper250的源码中，MACHINE_START()宏定义在arch/arm/mach-pxa/xhyper250R1.c中完成了定义，下面详细分析这个结构：
        (A)MACHINE_START
        MACHINE_START(_type,_name)这宏开始处嵌入一个静态结构machine_desc，并且立即声明段.arch.info。
        _type是MACH_TYPE(PXA_XHYPER250R1)，用以赋值给machine_desc中的nr，这就是系统类型值number(200)。
        _name是描述系统类型的字符串，用以赋值给machine_desc中的name为char*。
        以下几个宏定义均在包含在machine_desc的赋值中，也在段.arch.info中。
        (B)MAINTAINER
        MAINTAINER(n)，这个n并没有赋值给machine_desc结构，n是"Hybus Co,. ltd."字符串，公司名字罢了。
        (C)BOOT_MEM
        BOOT_MEM(_pram,_pio,_vio)，这里面很关键，又3个变量：
        _pram，传值给phys_ram：物理内存的开始地址，程序中赋值为：0xa0000000。
        _pio，传值给phys_io：物理io的开始地址，程序中赋值为：0x40000000。
        _vio，传值给io_pg_offst：io页表的偏移，程序中赋值为：_vio=0xfc000000，不过要进行转换：((_vio)>>18)&0xfffc=0x3f00
        (D)BOOT_PARAMS
        BOOT_PARAMS(_params)这个宏定义了启动参数页表的偏移：param_offset，程序中赋值为：0xa0000100。       
        (E)FIXUP(接下来三个宏定义分别是三个函数指针：这些函数都在machine_desc结构中定义并且在xhyper250R1.c中实现。)
        FIXUP(fixup_xhyper250R1)宏指向fixup_xhyper250R1函数，这个函数有4个参数：
        fixup_xhyper250R1(struct machine_desc *desc, struct param_struct *params, char **cmdline, struct meminfo *mi)       
        struct machine_desc：这个结构体前面已经提过了。
        param_struct：这个结构体定义在include/asm/setup.h中，这是一个向kernel传递参数的结构体。
        char **cmdline：好像用于定义输出窗口行数。
        struct meminfo：这个结构体定义在include/asm/setup.h中，这是一个对物理内存区间描述的结构体，它将整个地址空间分为8个区间，通常一个区必须是连续的地址并且是同一类型的设备，而用于特殊目的的地址将划分为一个独立的区。首先定义nr_banks:块号，然后是结构体bank[NR_BANKS]，NR_BANKS为8。结构体bank[NR_BANKS]中有：start、size、node。
        下面分析这个函数fixup_xhyper250R1的工作，
        首先，调用宏SET_BANK并赋值为SET_BANK(0, 0xa0000000, 64*1024*1024)，这个宏定义在arch/arm/mach-pxa/generic.h文件中。SET_BANK主要完成设置结构体meminfo中bank[_nr]的start、size和node。以上为例，则完成了bank[0]区间中的start=0xa0000000，size=64*1024*1024=64M，node=(__start) - PHYS_OFFSET) >> 27=0
        接着，使mi的nr_banks=1，好象设定了这个结构只有一个区。要注意的是meminfo将在page_init()中用于初始化页面。       
        (F)MAPIO
        MAPIO(xhyper250R1_map_io)宏指向xhyper250R1_map_io函数，这个函数没有参数，主要用于io地址从虚拟地址到物理地址的映射关系。
        这个函数调用了pxa_map_io()和iotable_init(xhyper250R1_io_desc)：
        pxa_map_io()函数定义在arch/arm/mach-pxa/generic.h文件中，实现在arch/arm/mach-pxa/generic.c中，主要调用了iotable_init()函数来进行io地址的区间映象。iotable_init(struct map_desc *)函数中，参数map_desc结构体定义在文件include/asm-arm/map.h中，主要有：virtual、physical、length和一些标志位：domain、read、write、cache、buffer等。iotable_init()函数在文件arch/arm/mm/mm-armv.c中，循环调用create_mapping()来处理map_desc的映射关系。create_mapping函数主要工作就是将io的虚拟地址到物理地址的映射关系按照PAGE_SIZE(4K)的页来进行映射，同时还有段的映射关系。（关于内存的映射将在第2章中详细分析）       
        (G)INITIRQ
        INITIRQ(xhyper250R1_init_irq)指向了xhyper250R1_init_irq函数，这个函数将主要完成中断的初始化，这里主要调用了函数 pxa_init_irq()，这个函数实现在arch/arm/mach-pxa/irq.c中。接着调用了set_GPIO_IRQ_edge()函数，这个函数也在irq.c中。（关于中断的分析将在以后进行）

        我们以上通过分析宏MACHINE_START而分析了结构体machine_desc的一个实例的赋值，我们这里其实只用这个结构体很少一部分信息，主要有三个参数内存物理内存的开始地址、物理io的开始地址、io页表的偏移，分别存于寄存器r5(phys_ram=0xa0000000)、r6(phys_io=0x40000000)、r7(io_pg_offst=0x3f00)中，并返回。

        (5)初始化页表，映射了4M的RAM，以使内核运行。
        这里值得注意的是：r5此时为物理内存开始地址(0xa0000000)，程序利用宏定义pgtbl，将r4成为页表首地址0xC0004000。然后清空内核目录swapper_pg_dir开始的16K空间。
       
        (6)设置lr为返回地址__ret，以使下面的程序得以跳转返回。
        (7)使pc=[r10+12]，也就是跳转到_xscale_proc_init结构中的b __xscale_setup位置，这个结构在arch/arm/mm/proc-xcale.S中。我们来看看这个结构：
        __pxa250_proc_info:                <--r10指向这个地址
                .long   0x69052100
                .long   0xfffff7f0
        #if CACHE_WRITE_THROUGH
                .long   0x00000c0a
        #else
                .long   0x00000c0e        <--这个参数传入了r8中
        #endif
                b       __xscale_setup    <--[r10+12]
                .long   cpu_arch_name
                .long   cpu_elf_name
                .long   HWCAP_SWP|HWCAP_HALF|HWCAP_THUMB|HWCAP_FAST_MULT|HWCAP_EDSP
                .long   cpu_pxa250_info
                .long   xscale_processor_functions
                .size   __pxa250_proc_info, . - __pxa250_proc_info
       
        __xscale_setup相关的程序多是对协处理器cp15的操作，之中用到了宏F_BIT|I_BIT|SVC_MODE，       
        相关的宏定义在文件include/asm-arm/proc-armv/ptrace.h中。
        #define SVC_MODE        0x13
        #define T_BIT           0x20
        #define F_BIT           0x40
        #define I_BIT           0x80
       
        (8)通过proc-xcale.S中__xscale_setup设置MMU，并通过__ret返回head_armv.S。
        (9)在__ret返回处设置lr通过__switch_data返回到__mmap_switched。
        (10)打开MMU，将pipeline清空，以使所有的内存得以正确的访问。并返回到__mmap_switched。
        (11)__mmap_switched通过__switch_data获得数据，并设置了stack pointer。
        (12)清空BSS，并保存CPU类型值(processor ID)以及系统类型(machine type)等。
        (13)跳转到start_kernel。