一、计算机硬件体系结构
二、操作系统
三、计算机启动过程
四、嵌入式系统的启动过程
五、BootLoader
六、BIOS
七、交叉编译
八、内核移植
计算机硬件体系结构是指计算机系统的组织和设计,包括处理器、内存、输入/输出设备、总线等各个组件之间的连接和协作方式。硬件体系结构定义了计算机如何执行指令、存储和检索数据以及与外部设备通信。以下是计算机硬件体系结构的主要组成部分:
中央处理器 (CPU):
内存 (RAM):
存储设备:
输入设备:
输出设备:
总线:
主板 (Motherboard):
扩展卡和插槽:
电源供应:
计算机硬件体系结构的设计和组织方式取决于计算机的用途和性能需求。不同类型的计算机,例如个人计算机、服务器、嵌入式系统等,可能采用不同的硬件体系结构。
除了x86架构之外,还有一些其他常见的计算机架构和处理器架构。以下是一些主要的计算机架构:
x86 架构: 由 Intel 公司开发的架构,最初用于个人计算机。现在是最流行的桌面和服务器架构之一。
ARM架构:
Power架构(IBM Power Architecture):
MIPS架构:
SPARC架构:
这些架构在不同的应用领域有着各自的优势和特点。选择特定的架构通常取决于应用的需求,例如功耗、性能、成本等。在云计算和移动设备领域,ARM架构的影响力特别显著。
"x86 架构"是一种计算机处理器架构,最初由 Intel 公司推出。该架构的名称来源于 Intel 的早期处理器,如 Intel 8086 和 Intel 8088。x86 架构最初是一个16位的架构,后来发展为32位和64位版本。以下是关于 x86 架构的一些关键特点:
指令集: x86 架构的指令集是复杂的,涵盖了广泛的操作,包括整数运算、浮点运算、逻辑运算等。随着时间的推移,x86 指令集不断扩展,以支持新的功能和技术。
32位和64位: 最初的 x86 架构是16位的,后来发展为32位,最终演变为64位。这种演进使得 x86 处理器能够处理更大的内存空间和执行更复杂的任务。
兼容性: x86 处理器具有很高的兼容性,可以运行大量基于 x86 架构的软件,这是其在个人计算机领域取得成功的关键因素之一。
广泛应用: x86 架构广泛应用于个人计算机、工作站、服务器以及一些嵌入式系统。绝大多数桌面和笔记本电脑使用的处理器都基于 x86 架构。
竞争: 尽管 x86 架构最初由 Intel 推出,但它已成为一个开放的标准。其他公司,尤其是 AMD(Advanced Micro Devices),也在生产兼容 x86 架构的处理器。因此,x86 处理器市场有着竞争激烈的局面。
虚拟化和多核: x86 处理器在虚拟化和多核技术方面取得了显著的进展。现代 x86 处理器通常具有多个核心,这有助于提高性能和处理多任务。
总体而言,x86 架构是计算机领域中最为流行和广泛使用的架构之一,支撑了许多不同类型计算设备的运行。
ARM(Advanced RISC Machine)架构是一种基于精简指令集计算机(RISC)原则设计的处理器架构。ARM最初是由英国的ARM Holdings公司(现为NVIDIA公司旗下)开发的,而今已成为全球最为流行和广泛使用的嵌入式处理器架构之一。ARM架构在移动设备、嵌入式系统、消费电子、网络设备等领域得到了广泛应用。
以下是ARM架构的一些关键特点:
RISC 设计:
多种架构版本:
可扩展性:
低功耗设计:
Thumb 指令集:
多核处理器:
架构授权:
生态系统:
ARM架构的灵活性、可扩展性和低功耗特性使其成为嵌入式系统和移动设备市场的主导力量。在近年来,ARM架构也逐渐在服务器领域获得了一定的份额,支持各种工作负载,包括云计算和大数据处理。
STM32 是一系列由意法半导体(STMicroelectronics)公司推出的 32 位 ARM Cortex-M 微控制器系列。STM32 微控制器广泛用于嵌入式系统和各种应用,包括工业控制、汽车电子、消费电子、医疗设备等。这些微控制器基于 ARM Cortex-M 架构设计。
在 STM32 系列中,不同的型号可能基于不同的 ARM Cortex-M 内核,包括 Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4 和 Cortex-M7。每个 Cortex-M 内核都有不同的性能特征和功能,从低功耗的 M0 到高性能的 M7,满足不同应用的需求。
以下是一些 STM32 系列常见的 ARM Cortex-M 内核:
STM32F0:
STM32F1:
STM32F2:
STM32F3:
STM32F4:
STM32F7:
STM32H7:
STM32 系列的选择取决于具体的应用需求,开发者可以根据性能、功耗、外设集和成本等因素来选择适当的型号。 STM32 微控制器的灵活性和广泛的生态系统支持使其在嵌入式开发中非常受欢迎。
操作系统(Operating System,简称 OS)是管理计算机硬件和软件资源的系统软件。它提供了一组服务和接口,以便应用程序和用户可以有效地与计算机系统交互,并利用计算机的功能。操作系统的主要目标包括:
资源管理: 操作系统负责管理计算机的硬件资源,包括中央处理器(CPU)、内存、存储器、输入/输出设备等,以确保它们被合理地分配和使用。
进程管理: 操作系统控制和协调运行在计算机上的进程。它分配 CPU 时间片,调度进程的执行顺序,以及提供通信和同步机制。
内存管理: 操作系统管理计算机的内存,包括内存分配、虚拟内存、页面交换等,以便有效地支持运行中的应用程序。
文件系统管理: 操作系统负责管理计算机上的文件和目录。它提供了文件的创建、读取、写入和删除等操作,并维护文件的组织结构和存储。
设备驱动程序: 操作系统通过设备驱动程序与计算机的硬件设备进行通信。这包括输入设备(如键盘、鼠标)、输出设备(如显示器、打印机)等。
用户接口: 操作系统提供了用户与计算机交互的界面。这可以是命令行界面(CLI)或图形用户界面(GUI),使用户能够运行程序、管理文件和设置系统配置。
安全性和权限控制: 操作系统通过身份验证和权限控制来确保计算机系统的安全性。它管理用户对系统资源的访问,并防止未经授权的访问。
网络管理: 对于连接到网络的计算机,操作系统提供网络管理功能,包括通信协议的支持、网络配置和数据传输等。
常见的操作系统包括:
Windows: 由 Microsoft 公司开发,用于个人计算机、服务器和嵌入式系统。
Linux: 一个开源的 Unix-like 操作系统内核,有多个发行版,如 Ubuntu、Fedora、Debian 等。
macOS: 由 Apple 公司开发,运行在 Macintosh 计算机上。
Unix: 一种多用户、多任务的操作系统,为许多其他操作系统提供了灵感。
操作系统是计算机系统中的核心组件,它为应用程序提供了一个运行的环境,并直接管理硬件资源,使计算机能够有效地执行各种任务。
系统启动过程通常包括以下主要步骤,这是一个基本的、典型的启动顺序。请注意,不同的操作系统和计算机体系结构可能会有一些差异,以下过程基于一般的 x86 架构和基于 BIOS/UEFI 的计算机。
电源启动:
自检 (POST - Power-On Self-Test):
BIOS/UEFI 初始化:
引导设备选择:
引导加载程序(Boot Loader):
操作系统内核加载:
初始化和系统配置:
用户空间初始化:
用户登录:
用户应用程序启动:
这是一个典型的系统启动过程。请注意,具体的启动过程可能会受到操作系统类型、计算机硬件和配置的影响。例如,使用 UEFI 替代传统 BIOS、使用不同的引导加载程序等情况可能会导致一些差异。
嵌入式系统的启动过程通常会与传统计算机有些不同,因为嵌入式系统通常运行在资源有限的环境中。以下是一个典型的嵌入式系统启动过程,以 ARM 架构为例:
电源启动:
Boot ROM(引导只读存储器):
引导加载程序(Boot Loader):
Linux 内核加载:
文件系统加载:
用户空间初始化:
应用程序启动:
在具体的嵌入式产品中,启动过程可能会有一些定制化的步骤,例如加载特定的配置文件、执行设备初始化操作、启动特定的服务等。此外,对于一些特定芯片或厂商,可能还会涉及到他们自家的引导加载程序或其他特定的启动流程。
安卓系统的启动过程是一个复杂的流程,牵涉到多个阶段。下面是一个比较详细的安卓启动过程的步骤:
电源启动:
Bootloader/Fastboot:
引导加载程序(Boot Loader):
Linux 内核加载:
初始化 Ramdisk:
初始化 Android 系统服务:
启动 Android 运行时环境(ART/Dalvik 虚拟机):
System Server 启动:
启动 Launcher(Home 应用程序):
应用程序启动:
总体而言,Android 的启动过程是一个分阶段的过程,从硬件初始化开始,经过 Linux 内核加载、Android 运行时环境初始化、系统服务启动,到 Launcher 和应用程序的启动。这个过程是为了确保设备在用户可操作的状态之前,正确地初始化和启动必要的系统组件。
来看两个嵌入式系统的启动过程,一个是面向C51和STM32的裸机开发,另一个则是包含 BootLoader 阶段并引导 Linux 内核的嵌入式系统。
首先,让我们看看第一个部分,即 C51 和 STM32 的裸机开发:
C51 和 STM32(裸机):
BootLoader(底层):
接下来,我们看看第二个部分,即包含 BootLoader 阶段并引导 Linux 内核的嵌入式系统:
BootLoader(上层):
Linux 内核(上层):
业务流程(上层):
总体而言,裸机开发和引导 Linux 内核的嵌入式系统都是在底层硬件上运行的。裸机开发更加接近硬件,直接操作寄存器,而引导 Linux 内核的嵌入式系统则包含了一个更复杂的启动过程,涉及到加载操作系统内核和初始化用户空间。
BootLoader(引导加载程序)是位于计算机或嵌入式系统中的特殊程序,其主要任务是引导操作系统或其他可执行程序(启动操作系统或其他软件)。BootLoader通常存储在计算机或嵌入式系统的非易失性存储器(如Flash或ROM)中,由计算机在加电或重启时首先执行。
BootLoader 通常在计算机加电时被加载执行,然后负责加载操作系统内核到内存中,并将控制权转交给操作系统。
硬件初始化:
引导设备选择:
加载操作系统或内核:
设置启动参数:
控制权转移:
BIOS BootLoader:
UEFI BootLoader:
BootLoader for Embedded Systems:
GRUB (GRand Unified Bootloader):
U-Boot(Universal Boot Loader):
Syslinux:
BootLoader的选择取决于硬件平台、系统需求和用户偏好。BootLoader的正确配置和操作对于系统的稳定性和性能至关重要。
BootLoader 的设计和实现取决于具体的硬件和操作系统
BIOS(基本输入输出系统,Basic Input/Output System)是一种位于计算机硬件和操作系统之间的固件。它提供了计算机启动时的最底层的硬件初始化和系统启动的基本功能。在BIOS时代,它通常以固化在计算机主板上的芯片的形式存在,但随着计算机硬件的发展,新一代系统使用的是UEFI(统一可扩展固件接口),而不再使用传统的BIOS。以下是BIOS的主要功能和特点:
硬件初始化:
POST(电源自检):
引导设备选择:
MBR加载:
BIOS设置:
实时时钟和日历:
中断服务例程(ISR):
固件更新:
硬件依赖性:
启动顺序:
有限存储容量:
BIOS设置:
传统BIOS和UEFI:
在现代计算机中,特别是采用UEFI的系统,BIOS的概念逐渐过时。UEFI提供了更多的功能和更好的兼容性,成为新一代计算机系统的主流启动固件。
交叉编译是在一台主机上为另一种架构的目标设备生成可执行代码的过程。在嵌入式系统和一些特殊场景下,你提到的情况是很常见的,可能需要使用交叉编译。
下面是一些原因,为什么在这些情况下会需要使用交叉编译:
目标平台架构不同:
资源限制:
运行环境不完整:
调试和开发便利性:
开发环境搭建困难:
总的来说,交叉编译允许开发者在不同体系结构和环境中工作,为目标设备生成可执行文件,从而在目标设备上运行。这种方法为嵌入式系统和其他特殊场景提供了更大的灵活性和便利性。
内核移植是将一个操作系统内核从一个平台(硬件架构或者设备)移植到另一个平台的过程。这可能涉及到从事先支持的平台(通常是开发平台)移植到一个全新的、尚未支持的平台,或者在不同的硬件体系结构之间移植。以下是内核移植的一般步骤:
选择目标平台:
获取源代码:
理解目标平台硬件:
移植启动加载程序(BootLoader):
配置内核:
编写或修改设备驱动:
移植体系结构相关的代码:
编译和链接:
移植文件系统:
调试和测试:
优化和性能调整:
文档更新:
内核移植是一项复杂的任务,取决于目标平台和内核的复杂性。通常需要深入了解操作系统内核和目标平台硬件的工作原理。