Linux启动流程之ROM-CODE

1.从哪里开始？

下图是AM335X核心板和功能框图：

AM335X核心板的存储信息如下：

AM335X核心板运行linux系统，在这里提出一个问题：

上电后指令从哪里开始执行？ DDR or EMMC?

2.linux启动

Linux启动是一个比较复杂的过程，分为几个阶段：

启动过程可以类比成青蛙的成长过程,，特点如下：
1、从小变大。
2、从简单到复杂。
Linux启动过程复杂，本文将重点描述讲从ROM BOOT 到kernel运行的过程（Linux运行原理极其复杂，不是本文的描述重点）。

3.ROM BOOT是什么

我们知道：指令只能在片内执行（XIP）存储器上执行。XIP存储器有以下3类：

由于SDRAM上电后没有初始化，而EEMC NAND FLASH不是XIP存储器，因此上电后指令无法在DDR和EMMC上执行。

ROM BOOT又称为ROM CODE,是由处理器厂家固化到芯片内部ROM中的一段代码。其功能是对处理器进行初始化，识别加载boot loader到片内RAM,最后跳转执行boot loader。

因此回答了前文提出的问题，上电后指令不是从DDR 和 EMMC中执行，而是从芯片内部ROM中执行。

处理器中有下图是AM335X系列处理器的功能框图：

仔细观察AM335X系列处理器的功能框图能否发现176KB ROM和 64KB RAM？

这就是处理器中有的On-Chip ROM和RAM，On-Chip ROM中有处理器厂家固化到芯片内部ROM中的一段代码（记住是芯片厂家固化的代码，用户无法修改），上电后第一条指令是从On-Chip ROM里开始执行。On-Chip ROM内固化的程序称为ROM CODE（厂家固化到片内ROM中的CODE）。

On-Chip ROM和RAM

on-chip ROM 和RAM的空间映射图如下：


on-chip ROM中固化了处理器厂家的ROM CODE代码，on-chip RAM中有一段Download Image空间，这个空间用于加载boot loader代码。

ROM BOOT（ROM CODE）有以下两个重要功能：
1、完成处理器初始化工作。
2、识别加载boot loader到片内RAM,然后跳转执行boot loader。

上电后电路系统有效工作部分如下：

4.ROM BOOT工作流程

下图是AM335X系列处理器ROM CODE的软件构架框图。

软件构架分成三层：
1、高层，高层负责的主要任务：看门狗和时钟配置和主引导程序。
2、驱动层，驱动层为系统中的任何引导设备实现逻辑和通信协议。
3、硬件抽象层（HAL），硬件抽象层实现了与硬件外设交互的最低级别代码。

ROM CODE的流程图如下：

执行ROM CODE初始化后电路系统有效工作部分如下：

ROM CODE在Booting阶段会根据BOOT配置引脚的电平信号选择BOOT的方式，下图是AM335X系列处理器的可选BOOT方式。

ROM CODE核心工作是：加载boot loader到On-Chip RAM（通常情况下boot loader是指的u-boot，下文将用u-boot代替）。boot loader 有一个特定的头部标记，ROM CODE识别头部标记并正确加载u-boot。

根据On-Chip RAM大小不同，加载u-boot方式有所不同：
1、大体积On-Chip RAM（如512K） ,一次性加载u-boot到On-Chip RAM,跳转并执行执行boot loader。
2、小体积On-Chip RAM（如64K），分段加载u-boot，先加载mini boot（u-boot第一段）,跳转并执行mini boot。

总结ROM BOOT（ROM CODE）三个重要特点：
1、上电后从ROM BOOT开始执行。
2、ROM BOOT为芯片厂家固化在处理器内部的代码，用户无法修改。
3、ROM BOO的核心工作就是识别和加载u-boot，并跳转执行u-boot。

5.U-BOOT

通常情况下On-Chip RAM都为小体积，u-boot采用分段加载。一次性加载的u-boot，和分段加的u-boot类似，我们这里详细讲解较为复杂的u-boot分段加载方式。

u-boot分段加载通常情况下分为以下两步：
1、加载小体积的mini boot（u-boot第一段）。
2、加载u-boot第二段。

mini boot

mini boot被加载到On-Chip RAM后被执行，mini boot将完成以下工作：
1、初始化外设（最重要的外设是DDR）
2、加载u-boot第二段到DDR内存中，跳转并执行u-boot第二段。
执行mini boot后电路系统有效工作部分如下：

mini boot代码的起始地址为NAND-FLASH的0x0000 , mini boot 有一个特定的头部标记，提供给ROM CODE识别。TI芯片手册提供的boot头信息如下图：

u-boot第二段

u-boot（后面用u-boot指代u-boot第二段）被加载到内存中后开始执行，u-boot主要工作如下：
1、完成外部设备初始化。
2、加载内核Image到内存。
3、最后通过bootm命令跳转并执行内核。

执行u-boot后电路系统有效工作部分如下：

u-boot完成加载内核后通过会打印以下类似信息：

## Booting kernel from Legacy Image at 20000000 ...
   Image Name:   Linux-3.0.8-FriendlyARM
   Image Type:   ARM Linux Kernel Image (uncompressed)
   Data Size:    4801116 Bytes = 4.6 MiB
   Load Address: 20008000
   Entry Point:  20008000
   Verifying Checksum ... OK
   Loading Kernel Image ... OK

Starting kernel ...

接下来就进入Linux内核了。

6.start_kernel

通常情况下Linux内核Image为一个压缩的Image，当然这个压缩的Image并不是一个完全的压缩的Image，该Image中包含了一个未被压缩的解压程序，这样可以运行解压程序对Image进行解压。

加载压缩Image再解压执行的方式有以下两个优势：
1、压缩的Image体积小，可以节省存储空间。
2、将压缩的Image加载到内存，然后解压得到可执行Image的总时间，小于直接从存储器将可执行Image加载到内存。

可以说是又“小”又“快”，真是香！

u-boot完成加载内核后，跳转并执行内核程序，内核程序是从boot/compressed目录下的head.s文件中的start处开始执行，这部分代码的主要工作就是解压Image 。
完成解压后会输出以下信息：

Uncompressing Linux...done, booting the kernel

解压工作完成后，加载__enter_kernel到PC指针进入真正的内核，内核开始运行，这个入口在arch/arm/kernel/head.s 汇编代码中。

在arch/arm/kernel/head-common.s中通过“b start_kernel”执行跳转到 start_kernel函数，从此进入与处理器硬件体系无关的C语言世界！

start_kernel函数在Linux内核的init目录下的main.c文件中 ，start_kernel 完成了linux内核的初始化工作，并执行rest_init函数。

rest_init函数中创建kernel_init进程和kthread进程。

start_kernel执行流程如下：

Linux博大精深，极其复杂，本文就不深入讲解。

未完待续…
实时操作系统系列将持续更新
创作不易希望朋友们点赞，转发，评论，关注。
您的点赞，转发，评论，关注将是我持续更新的动力
作者：李巍
Github：liyinuoman2017
CSDN：liyinuo2017
今日头条：程序猿李巍