嵌入式Linux专题（二）——嵌入式Linux系统启动流程详述

引言

在嵌入式Linux专题（一）中已经对嵌入式Linux系统的架构及启动流程有了初步的介绍，本文将详细分析嵌入式Linux系统启动流程。

嵌入式Linux系统启动过程详述

嵌入式设备从上电那一刻到应用程序正常运行，其间经历过一系列漫长的过程，下面对主要的步骤进行阐述：

1. 嵌入式设备上电后，CPU开始运行，通常CPU会从某一个固定的物理地址开始运行，ROM Code（芯片内内固话好的一段代码），起到最初的引导功能，包括初始化时钟、片内RAM、相关外设等，而后会启动Bootloader，初始化相关硬件设备，引导系统加载内核。
   BootLoader有多种工具，常见的如u-boot，Blob等等，其基本的作用就是加载(load)内核镜像，设备树，ramdisk（注意ram，即会加载到内存中），将这些东西加载到内存的指定地址处(如通过mkimage生成的镜像，在u-boot里使用bootm指令来加载)。Bootloader是一个裸机程序。U-Boot是arm平台上标准的BootLoader。
   U-Boot的配置是以宏的形式定义在C的.h 文件中的，以宏的形式定义了要执行的Shell脚本。定义了很多种启动方式，如sdboot，usbboot，nandboot等等。不同的启动方式用了不同的指令从不同的地方加载，比如sdboot中就是 load mmc …，usbboot就是 load usb …，nandboot是nand read … 。
   Bootloader分为两个部分，第一部分是汇编代码且不做压缩，第二部分是C代码且有压缩的。Bootloader开始执行时，第一部分汇编代码先负责初始化CPU、PLL、DDR、Cache等硬件，让CPU和内存能够稳定运行，然后解压第二部分的Image，并拷贝到到内存执行。第二部分C代码完成串口、flash、网口等驱动的加载，并构建一个shell环境来接受用户输入。注意，在整个Bootloader运行其间CPU的MMU是没有被初始化的，所有的地址访问都是采用物理地址直接访问的。
2. 在完成Bootloader初始化后，根据代码中设定的内核区物理地址，Bootloader会把内核区压缩后的Linux镜像拷贝到内存中并解压。同时准备好内核（Kernel）的启动参数，这里主要是把Bootloader里设置的MTD分区信息传递给内核，还有需要加载的根文件系统。最后跳转到内核入口开始运行。
3. 启动内核，Linux内核代码开始执行，会先进行内核各个子系统初始化，并完成对MMU的初始化。MMU是CPU中的一个单元，它跟操作系统一起配合完成从虚拟地址到物理地址的转换。如果CPU带有MMU单元，则CPU执行单元发出的内存地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址，而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上，这个地址称为物理地址。在这个过程中Linux内核会维护页表结构，它保存着内核和进程的虚拟地址到物理地址的映射，而MMU则通过Linux内核页表去完成地址翻译和保护工作。
4. 接下来Linux内核会挂载根文件系统，要挂载的根文件系统是通过内核启动参数来获取的。这里有一个问题，根文件系统通常表示为一个Linux文件系统下的某个MTD设备，但在加载根文件系统前Linux还没有一个文件系统，那它怎样通过访问文件系统中的MTD设备来加载根文件系统呢？事实上，根文件系统的安装分为两个阶段，首先Linux内核会安装一个特殊的RootFS文件系统，该文件系统仅提供一个作为初始安装点的空目录，然后Linux内核再在空目录上安装一个真正的根目录。Linux内核对Flash的访问都是通过MTD子系统来进行的，它抽象了对于各种Flash设备的访问，提供统一的接口。
5. Linux内核继续初始化各种类型的驱动程序，完成之后会启动第一个应用程序，它的进程ID为1。这个应用程序可以由内核启动参数传入，如果没有则会默认执行/sbin/init。init进程会读取配置文件/etc/inittab，根据配置文件的内容它会完成两个工作，执行rcS和启动Shell。
   至此，Linux系统已经启动完成，给用户提供了一个Shell的交互环境，后续的行为就取决于用户的输入或者系统特定应用的加载。
   详细流程如下：

Created with Raphaël 2.2.0 硬件上电 ROM Code BootLoader(U-Boot等) Kernel（Linux内核） 文件系统（负责文件的管理） 应用

嵌入式Linux专题（一）——嵌入式Linux系统构成及启动流程