树莓派的启动过程

英文原文：https://thekandyancode.wordpress.com/2013/09/21/how-the-raspberry-pi-boots-up/

树莓派和传统的PC不同之处在于，树莓派是SoC设备，CPU和GPU等外设集成在一颗芯片内部，因此，加电后，CPU可以在CPU初始化完成后再进行初始化工作。

BCM2835 SoC（不是树莓派3）如下图：

树莓派的SoC内部集成了ARM CPU，GPU，ROM，SDRAM，以及其他设备，所以可以把树莓派想象成一股arm系统结构的PC。当给树莓派加电后，最先执行保存在ROM中的代码，这些代码是芯片出厂的时候就设定的，通常被称为 first-stage bootloader，这些代码固化硬件内部，可以认为是SoC硬件的一部分。

 first-stage bootloader的主要工作是加载位于SD卡上第一个分区的bootloader（称为second-stage bootloader ），第一个分区必须是FAT32格式。second-stage bootloader 主要是bootloader.bin。可以把SD卡取出，放到Windows或Linux系统中，就可以看到bootloader.bin文件。需要说明的是，上电或者重启后，cpu和ram都没有初始化，因此，执行second-stage bootloader 的实体是GPU，bootcode.bin是加载到GPU的128KB大小的L2Cache中，再执行的。bootcode.bin的主要工作是初始化ram，并把start.elf（也位于SD卡的第一分区）加载到内存中。start.elf就是third-stage bootloader，start.efl从第一个分区中加载config.txt，可以把config.txt想象成bios配置信息，内部的配置都可以改变。例如：

arm_freq : frequency of ARM in MHz. Default 700.

gpu_freq : Sets core_freq, h264_freq, isp_freq, v3d_freq together.

core_freq : frequency of GPU processor core in MHz. Default 250.

h264_freq: frequency of hardware video block in MHz. Default 250.

isp_freq: frequency of image sensor pipeline block in MHz. Default 250.

v3d_freq: frequency of 3D block in MHz. Default 250.

sdram_freq: frequency of SDRAM in MHz. Default 400.

start.elf把ram空间划分为2部分：CPU访问空间和GPU访问空间。SoC芯片只访问属于GPU地址空间的内存区，例如，GPU的物理内存地址空间为0x000F000 – 0x0000FFFF，CPU的物理内存地址空间为0x00000000 – 0x0000EFFF，如果GPU访问0x0000008，那么它访问的物理地址为0x000F008。（实际上，ARM处理器的mmu部件把GPU的内存空间映射到0xC0000000 开始）。config.txt在内存地址空间分配完成后才加载，因此，不可以在config.txt中更改内存地址的配置。然而，可以通过配置多个elf文件来让start.elf和config.txt支持多种配置空间。start.elf还从SD卡的第一个分区中加载cmdline.txt（如果cmdline.txt存在的话）。该文件保存的是启动kernel（不一定是Linux的内核）的参数。至此，SoC进入了boot的最后阶段，start.efl把kernel.img，ramdisk，dtb加载到内存的预定地址，然后向cpu发出重启信号，因此cpu就可以从内存的预定地址执行kernel的代码，就进入了软件定义的系统启动流程。

After starting the operating system, the GPU code is not unloaded. In fact, start.elf is not just firmware for the GPU, It is a proprietary operating system called VideoCore OS. When the normal OS (Linux) requires an element not directly accessible to it, Linux communicates with VCOS using the mailbox messaging system.