嵌入式系统那些事-一张图秒懂系统启动流程

0 背景

        引导篇中，笔者介绍了嵌入式系统的架构，本文将端到端的梳理一下嵌入式系统的启动流程，通过对该流程的梳理，可以全面了解嵌入式系统各层的初始化过程。另外在笔者的嵌入式通信设备开发经验中，新开发一块板子或者产品，有两个重要的软件里程碑：一个是板子能够正常启动，另外一个就是能够通流（即业务是正常）；只要完成了上面两个基础功能，基本上工作任务也就完成了80%，剩下的就是不断优化的过程了。最后在笔者工作中也有30%以上的问题是跟启动过程有关的，如启动性能、单板起不来、断链、异常复位等等，快速定位问题首要的是清楚启动流程。基于以上三点原因，笔者通过一张图的方式描述嵌入式通信系统的启动流程，尽可能具有普适性，但是读者仍需结合自己的产品去梳理一张类似的图，然后将实践问题不断丰富到这样图上，顺着这张图建立一棵完整的知识树。

1 一张图秒懂启动流程

        如下图所示是笔者梳理的启动流程图，图中红色的数字圆点表示启动的先后顺序。主要分为4个阶段，分别是第一阶段bootloader阶段，第二阶段uboot阶段，第三阶段内核启动阶段，第四阶段app启动阶段。

 各个阶段的功能、图中对应关系、存储位置和运行位置等信息描述如下：

• bootloader阶段：主要完成第一阶段系统的引导和初始化工作，包括序号1~3。系统上电后，首先是cpu开始工作，此时引导程序（通常是汇编代码）从ROM被加载到RAM 中，对cpu的寄存器初始化，启动核0，如果是核1或者其他核则处于休眠状态，等待核0在内核启动正常后通过中断或者事件将其唤醒（图中10的位置）。接下来就是完成flash和ddr初始化，为后面从flash加载bin文件，在DDR中运行程序提供基本环境，一般情况下都是从flash为0的位置，将flash中的bootloader镜像文件加载到RAM或DDR中，该引导程序最终将uboot从flash复制到DDR中，然后交接给uboot进行下一步处理。
• uboot阶段：首先对dram，flash，串口进行检查，保障uboot的运行环境是ok的，同时为linux分配内存空间；接下来初始化网络配置，包括mac地址的设置、通信端口的工作模式设置，可以让用户通过网络加载程序；最后将linux从flash中复制到内存中，linux镜像文件中包含内核、文件系统和设备管理树(FDT)三个基本组件，uboot会根据设备管理树定义的信息进行检查，然后依次加载到内存中 。包括序号4~5，这个阶段最后将linux加载后，就可以交接给内核进行操作。
• 内核启动阶段：主要负责创建进程、绑定进程、划分内存、唤醒核1、加载文件系统等基本工作，包括序号6~13。首先会生成一个初始init0进程，后续创建的所有进程都是从该进程中产生，该进程还负责对内存和虚拟内存进行划分，然后vfork出一个主核进程，绑定到核0上，接下来由cpu主核（核0）唤醒其他的核，从init进程vfork出副核进程，并将该进程绑定到核1上，最后是基于设备管理树完成对系统中其他设备的初始化。
• app启动阶段：这一阶段主要对各类app应用进行初始化，如文中以通信设备为例，此处主要完成对转发芯片的初始化，会涉及一些基础转发表项的初始配置，端口和各种通信总线的初始化。接下来会初始化中间件，中间件是作为应用程序和操作系统之间的桥梁，向下屏蔽操作系统的差异，向上为应用程序提供平台化的技术支持；最后就是各种应用程序的初始化了，包括各种特性的初始化，心跳信息，单板信息，版本信息等等。日常工作中，最容易出问题的地方其实都是在app的启动阶段，这部分才是最应该做一个详尽的图出来，后续笔者有了具体的项目案例后将会补充该图例。

2 小结

        本文通过一张图的方式将系统启动的整个流程串了一下，其实每个阶段都有非常复杂的启动流程，不过笔者化繁就简，只针对关键的节点做了简述，目的是启发读者自己去根据手头的产品做一个类似的图出来，在日常的问题定位中可以按图索骥，看启动到哪个阶段了，再根据具体的阶段做详细的分析。