【计算机】硬件体系结构、系统启动过程

一、计算机硬件体系结构

  • CPU架构
  • X86架构
  • ARM架构
  • STM32 系列(ARM Cortex-M 内核)

二、操作系统
三、计算机启动过程

  • x86 架构和基于 BIOS/UEFI 的计算机
  • 嵌入式系统ARM 架构
  • 安卓Android系统

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

一、计算机硬件体系结构

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:

  1. 中央处理器 (CPU):

    • 功能: CPU 是计算机的大脑,负责执行指令和控制计算机的操作。它包含算术逻辑单元 (ALU)、控制单元 (CU) 和寄存器等组件。
  2. 内存 (RAM):

    • 功能: 内存用于临时存储程序和数据,以供 CPU 快速访问。RAM 是易失性存储,其内容在断电时丢失。
  3. 存储设备:

    • 硬盘驱动器 (HDD) 和固态驱动器 (SSD): 用于永久性存储数据,包括操作系统、应用程序和用户文件。
    • 光盘驱动器: 用于读取和写入光盘(如 CD-ROM、DVD-ROM)上的数据。
  4. 输入设备:

    • 键盘、鼠标、触摸板等: 用于向计算机输入数据和指令。
  5. 输出设备:

    • 显示器: 显示计算机生成的图形和文本。
    • 打印机、扬声器等: 用于输出文档或音频。
  6. 总线:

    • 系统总线: 连接 CPU、内存和其他主要组件的高速数据传输通道。
    • I/O 总线: 与输入/输出设备通信的总线。
  7. 主板 (Motherboard):

    • 功能: 主板是计算机系统的主要电路板,上面集成了 CPU 插槽、内存插槽、扩展插槽以及连接其他组件的接口。
  8. 扩展卡和插槽:

    • 图形卡、声卡、网络适配器等: 通过扩展插槽连接到主板,扩展计算机的功能。
  9. 电源供应:

    • 功能: 提供电能给计算机各个组件。

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。

CPU架构

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:

  1. 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。

  2. ARM架构:

    • 描述: ARM(Advanced RISC Machines)是一种基于精简指令集计算机(RISC)原则的架构。它最初设计用于低功耗嵌入式系统,如移动设备和嵌入式系统。
    • 应用: ARM架构现在在许多移动设备(如智能手机和平板电脑)以及嵌入式系统中广泛使用。此外,一些服务器和超级计算机也采用ARM架构。
  3. Power架构(IBM Power Architecture):

    • 描述: Power架构是由IBM开发的一种计算机架构,最初是为高性能计算和服务器设计的。
    • 应用: Power架构主要用于IBM的大型服务器和高性能计算系统,但也在某些嵌入式系统中使用。
  4. MIPS架构:

    • 描述: MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)是一种RISC架构,最早是由 MIPS Computer Systems 设计的。
    • 应用: MIPS架构曾在许多网络设备和嵌入式系统中得到广泛应用。然而,它在个人计算机市场的影响力相对较小。
  5. SPARC架构:

    • 描述: SPARC(Scalable Processor Architecture)是由Sun Microsystems(现在是Oracle Corporation的一部分)设计的一种RISC架构。
    • 应用: SPARC架构主要用于Sun服务器和工作站。虽然它在商业服务器领域有一定的影响力,但在个人计算机领域并不常见。

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

"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:

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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。

  6. 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架构

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:

  1. RISC 设计:

    • ARM采用精简指令集计算机(RISC)的设计理念,强调指令集的简洁和执行效率。
    • RISC设计倾向于使用简单的指令集,并在时钟周期内执行更多的指令,提高指令吞吐量。
  2. 多种架构版本:

    • ARM架构有多个版本,包括ARMv7、ARMv8等。每个版本都引入了新的指令集和特性,以满足不同应用场景的需求。
  3. 可扩展性:

    • ARM架构的可扩展性使其能够覆盖从低功耗嵌入式系统到高性能服务器的广泛应用范围。
    • ARM处理器可以根据需求进行多核处理器的设计,以实现更高的性能。
  4. 低功耗设计:

    • ARM架构被广泛用于移动设备和嵌入式系统,这要归功于其低功耗设计。
    • ARM处理器通常在相对低的功耗下提供高性能,使其适用于移动设备和电池供电的嵌入式系统。
  5. Thumb 指令集:

    • ARM架构引入了Thumb指令集,这是一种压缩指令集,旨在减小程序的体积,提高代码密度。
  6. 多核处理器:

    • ARM架构广泛支持多核处理器,这使得在需要更大计算能力的应用中可以通过并行处理来提高性能。
  7. 架构授权:

    • ARM Holdings公司并未生产处理器,而是通过授权给其他公司使用ARM架构,使得众多公司能够设计和制造符合ARM标准的处理器核心。
  8. 生态系统:

    • ARM架构拥有庞大的生态系统,包括各种芯片厂商、工具链、操作系统等,使得开发者在不同平台上能够共享和重用软件和硬件资源。

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。

STM32 系列(ARM Cortex-M 内核)

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:

  1. STM32F0:

    • 基于 ARM Cortex-M0 内核的系列,适用于低功耗和成本敏感的应用。
  2. STM32F1:

    • 基于 ARM Cortex-M3 内核的系列,提供了中等性能和广泛的外设,适用于多种应用场景。
  3. STM32F2:

    • 基于 ARM Cortex-M3 内核的系列,特别适用于需要更高性能和更丰富功能集的应用。
  4. STM32F3:

    • 基于 ARM Cortex-M4 内核的系列,具有浮点运算单元(FPU),适用于需要更高性能和数学计算的应用。
  5. STM32F4:

    • 基于 ARM Cortex-M4 内核的系列,具有更高的时钟频率、FPU 和丰富的外设,适用于高性能应用,如数字信号处理(DSP)。
  6. STM32F7:

    • 基于 ARM Cortex-M7 内核的系列,提供更高的性能和更多的存储容量,适用于复杂的嵌入式应用。
  7. STM32H7:

    • 基于 ARM Cortex-M7 内核的系列,进一步提高性能,并引入了一些高级特性,如加密引擎、高速连接等。

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。

二、操作系统

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:

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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。

  6. 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。

  7. 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。

  8. 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。

三、计算机启动过程

x86 架构和基于 BIOS/UEFI 的计算机

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。

  1. 电源启动:

    • 用户打开计算机电源。
  2. 自检 (POST - Power-On Self-Test):

    • 计算机硬件进行自检,检查 CPU、内存、硬盘、显卡等主要硬件组件是否正常运行。
    • POST 还会初始化一些系统硬件设置,并检查系统时间和日期。
  3. BIOS/UEFI 初始化:

    • 计算机启动时,将加载基本输入输出系统(BIOS)或现代系统采用的统一可扩展固件接口(UEFI)。
    • BIOS/UEFI 提供了计算机硬件的基本操作和初始化,并确定从哪个设备启动。
  4. 引导设备选择:

    • BIOS/UEFI 从可引导设备中选择一个用于启动操作系统的设备,通常是硬盘(或固态硬盘)、光盘或 USB 驱动器。
    • 这个过程涉及到设备的引导顺序设置,通常在 BIOS/UEFI 设置中进行配置。
  5. 引导加载程序(Boot Loader):

    • 找到引导设备后,BIOS/UEFI 将加载引导加载程序,例如 GRUB(在多个 Linux 发行版中使用)或 Windows Boot Manager(对于 Windows 系统)。
    • 引导加载程序负责加载操作系统内核,并传递控制权给操作系统。
  6. 操作系统内核加载:

    • 引导加载程序加载操作系统内核,将其载入内存中。
    • 内核是操作系统的核心部分,负责管理系统的资源、进程、文件系统等。
  7. 初始化和系统配置:

    • 操作系统内核初始化系统的各个组件,配置硬件和软件环境。
    • 进行一些基本的设置,如建立内存页表、初始化设备驱动程序等。
  8. 用户空间初始化:

    • 操作系统启动完成后,启动第一个用户级别进程,开始用户空间的初始化过程。
    • 用户空间初始化可能包括启动系统服务、加载用户登录界面等。
  9. 用户登录:

    • 系统在用户空间初始化完成后,通常会显示登录界面,等待用户登录。
    • 用户登录后,系统将启动用户环境,并加载用户的配置和启动项。
  10. 用户应用程序启动:

    • 用户登录后,系统开始运行用户的应用程序和服务。

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ARM 架构

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:

  1. 电源启动:

    • 用户打开嵌入式设备的电源。
  2. Boot ROM(引导只读存储器):

    • 在 ARM 架构的嵌入式系统中,通常会有一个 Boot ROM,它是嵌入在芯片上的只读存储器,负责最初的启动过程。
    • Boot ROM 初始化一些基本硬件设置,并开始加载引导加载程序。
  3. 引导加载程序(Boot Loader):

    • 引导加载程序是一个小型程序,通常存储在设备的引导区域(如闪存)中。
    • 引导加载程序负责初始化硬件、加载操作系统内核,以及进行其他系统初始化操作。
    • 在一些嵌入式系统中,U-Boot 是一个常见的引导加载程序。
  4. Linux 内核加载:

    • 引导加载程序加载 Linux 内核,将其复制到内存中。
    • Linux 内核是嵌入式 Linux 系统的核心,负责管理硬件、内存、文件系统等。
  5. 文件系统加载:

    • Linux 内核启动后,它会加载嵌入式系统所需的文件系统。这可能是一个根文件系统,包含了操作系统的核心文件和配置文件。
    • 嵌入式系统通常使用轻量级的文件系统,如 initramfs 或 initrd。
  6. 用户空间初始化:

    • Linux 内核启动后,初始化用户空间。这包括初始化系统服务、启动用户空间的第一个进程(通常是 init 或 systemd),以及其他用户级别的初始化工作。
  7. 应用程序启动:

    • 在用户空间初始化完成后,系统可以运行嵌入式应用程序和服务。
    • 这些应用程序可能包括传感器驱动、通信模块、用户界面等,具体取决于嵌入式系统的用途。

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Android系统

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:

  1. 电源启动:

    • 用户打开 Android 设备的电源。
  2. Bootloader/Fastboot:

    • 设备的引导加载程序(Bootloader)启动。Fastboot 是一种用于刷写固件和分区的协议,常用于 Android 设备的调试和刷机。
    • Bootloader 初始化设备硬件,并提供一个引导选项,例如引导到正常模式或 fastboot 模式。
  3. 引导加载程序(Boot Loader):

    • 引导加载程序(Boot Loader)负责加载 Android 操作系统内核。常见的 Android 引导加载程序是 GRUB 或者由设备制造商定制的引导加载程序。
  4. Linux 内核加载:

    • 引导加载程序加载 Linux 内核(Android 是基于 Linux 内核的),并将其加载到内存中。
  5. 初始化 Ramdisk:

    • 初始化 Ramdisk,其中包括一些启动所需的文件和配置。
  6. 初始化 Android 系统服务:

    • Android 系统服务启动,这包括 Zygote 进程,它是 Android 应用程序的孵化器。
  7. 启动 Android 运行时环境(ART/Dalvik 虚拟机):

    • 在 Android 运行时环境初始化阶段,ART(Android Runtime)或 Dalvik 虚拟机启动,负责执行 Android 应用程序的字节码。
  8. System Server 启动:

    • System Server 启动,它是 Android 系统服务的主要守护进程,管理各种系统服务,如 Activity Manager、Window Manager、Package Manager 等。
  9. 启动 Launcher(Home 应用程序):

    • 启动 Launcher,也就是 Android 设备上的主屏幕,负责显示桌面、应用程序图标等。
  10. 应用程序启动:

    • 用户在 Launcher 上点击应用程序图标,启动相应的应用程序。每个应用程序在启动时会经历其自己的启动过程,包括初始化、创建活动(Activity)等。

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。

四、嵌入式系统的启动过程

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:

裸机开发(C51, STM32):

  1. C51 和 STM32(裸机):

    • 在裸机开发中,直接使用 C 语言或汇编语言编写代码,操控底层寄存器来实现相关业务逻辑。
    • 这涉及到直接管理 CPU、内存、外设寄存器等底层硬件资源,没有操作系统的支持。
  2. BootLoader(底层):

    • BootLoader 是一个位于裸机系统中的特殊程序,通常存储在设备的非易失性存储器(如 Flash)中。
    • 在第一阶段,BootLoader 与 CPU、内存、Flash 等硬件交互,执行一些基本的初始化和设备配置。
    • 在第二阶段,BootLoader 的任务是引导系统,可能包括加载应用程序、配置中断和初始化外设等。

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:

引导 Linux 内核:

  1. BootLoader(上层):

    • 在这个情景下,BootLoader 的第一阶段与裸机开发中的 BootLoader 类似,但第二阶段不仅负责引导应用程序,还负责引导操作系统。
    • 这个 BootLoader 阶段可能会涉及到加载 Linux 内核的镜像文件到内存,并设置一些必要的参数。
  2. Linux 内核(上层):

    • Linux 内核是一个强大的操作系统内核,由 C 语言编写。在引导阶段,它被加载到内存中。
    • Linux 内核初始化系统的各个组件,包括文件系统、设备驱动程序、进程管理等。
  3. 业务流程(上层):

    • 一旦 Linux 内核初始化完成,它开始执行用户空间的初始化和启动用户空间的第一个进程(通常是 init)。
    • 用户空间进程可能包括系统服务、应用程序等,形成完整的嵌入式系统。

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。

五、BootLoader

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。

下面是BootLoader的详细解释:

BootLoader的基本功能:

  1. 硬件初始化:

    • BootLoader首先进行硬件初始化,包括配置CPU、内存控制器、时钟等系统硬件。
    • 此阶段的目标是为后续的系统启动阶段准备好基本的硬件环境。
  2. 引导设备选择:

    • BootLoader确定从哪个设备启动,这通常是通过配置设置或用户设定的。
    • 选择的设备可能是硬盘、固态硬盘、光盘、网络等。
  3. 加载操作系统或内核:

    • BootLoader从选定的引导设备中加载操作系统或内核的二进制映像到内存中。
    • 这可能涉及到文件系统的访问、读取操作系统映像文件等。
  4. 设置启动参数:

    • BootLoader为加载的操作系统或内核设置启动参数,这些参数可能包括内存分布、设备信息等。
    • 启动参数的设置可以通过配置文件或从引导设备的特定位置获取。
  5. 控制权转移:

    • 一旦操作系统或内核加载完成并设置好启动参数,BootLoader将控制权转移到加载的二进制映像的起始地址。
    • 这标志着系统的正式启动。

BootLoader的种类:

  1. BIOS BootLoader:

    • 传统的PC系统通常使用基本输入输出系统(BIOS)作为BootLoader。
    • BIOS BootLoader从计算机的引导设备(通常是硬盘)的引导扇区加载引导代码。
  2. UEFI BootLoader:

    • 现代计算机使用统一可扩展固件接口(UEFI)作为新一代的固件标准。
    • UEFI BootLoader更先进,支持图形界面、网络引导等功能。
  3. BootLoader for Embedded Systems:

    • 嵌入式系统通常使用自定义的BootLoader,以适应特定的硬件和需求。
    • 这些BootLoader通常轻量级,专注于加载嵌入式操作系统或应用程序。

具体的BootLoader实例:

  1. GRUB (GRand Unified Bootloader):

    • GRUB是一个广泛使用的开源BootLoader,支持多种操作系统,包括Linux、Windows等。
    • 它具有灵活的配置和模块化的设计。
  2. U-Boot(Universal Boot Loader):

    • U-Boot是用于嵌入式系统的BootLoader,广泛用于ARM、PowerPC等平台。
    • U-Boot支持多种引导设备和引导方式。
  3. Syslinux:

    • Syslinux是一个轻量级的BootLoader,用于创建启动Linux的可引导媒体。
    • 它支持网络引导、USB引导等。

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。

以下是 BootLoader 的一般工作流程和一些关键任务:

1. 硬件初始化:

  • BootLoader 的第一步通常涉及硬件初始化,包括对 CPU 寄存器、内存控制器、外设等进行基本设置。这是确保系统硬件处于一种可控状态的关键步骤。

2. 加载引导程序:

  • BootLoader 的任务之一是加载引导程序,该程序通常包含在 BootLoader 中,用于加载操作系统内核或其他引导阶段所需的组件。引导程序可能是一个完整的 BootLoader,也可能是一个简单的引导加载器。

3. 加载操作系统内核:

  • BootLoader 负责从存储设备(如硬盘、闪存)中加载操作系统内核。这通常包括读取操作系统内核的镜像文件,并将其复制到系统内存的适当位置。

4. 设定内核启动参数:

  • BootLoader 在加载内核之前,可能需要设定一些启动参数,例如内核的启动地址、命令行参数、系统时钟频率等。这些参数可能会对操作系统的启动和运行产生影响。

5. 跳转到内核入口点:

  • 一旦内核被加载到内存中,BootLoader 将执行一条跳转指令,将控制权转交给操作系统内核的入口点。这标志着操作系统的启动。

6. 二级引导(可选):

  • 在一些情况下,BootLoader 的任务可能并未结束。某些操作系统或引导加载器的设计中,可能存在二级引导的概念,即 BootLoader 可能需要执行更多的引导加载操作,以确保系统进入正常运行状态。

7. 错误处理和用户界面(可选):

  • 一些 BootLoader 提供错误处理机制,以便在出现问题时向用户报告错误或提供修复选项。在某些系统中,BootLoader 还可能提供一个简单的用户界面,允许用户选择引导选项或配置参数。

8. 引导其他操作系统或程序(可选):

  • 在多操作系统环境中,BootLoader 可能支持引导多个操作系统,或者允许用户选择要引导的操作系统。这样的 BootLoader 被称为多引导 BootLoader。

BootLoader 的设计和实现取决于具体的硬件和操作系统

六、BIOS

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:

BIOS的主要功能:

  1. 硬件初始化:

    • BIOS负责初始化计算机的硬件,包括CPU、内存、存储设备、显卡、声卡等主要硬件组件。
    • 这确保了在操作系统启动之前,计算机的基本硬件环境是正常工作的。
  2. POST(电源自检):

    • 在计算机开机时,BIOS执行POST(电源自检)过程。这个过程对主要硬件进行自检,检查是否存在硬件故障。
    • 如果发现问题,系统可能会发出蜂鸣声或显示错误信息。
  3. 引导设备选择:

    • BIOS确定从哪个设备引导操作系统,例如硬盘、光盘、USB设备等。
    • 用户可以在BIOS设置中配置引导设备的优先级。
  4. MBR加载:

    • 在传统BIOS系统中,BIOS会加载启动设备的主引导记录(Master Boot Record,MBR)。
    • MBR包含引导加载程序,它进一步加载操作系统的内核。
  5. BIOS设置:

    • BIOS提供了一个设置界面,允许用户配置系统的基本设置,如日期、时间、引导顺序等。
    • 用户可以通过按下特定的键(通常是DEL、F2等)在计算机启动时进入BIOS设置。
  6. 实时时钟和日历:

    • BIOS中包含一个实时时钟(RTC),负责维护计算机的日期和时间。
    • 这对于操作系统和应用程序来说是重要的时间参考。
  7. 中断服务例程(ISR):

    • BIOS包含一些中断服务例程,这些例程提供了对基本输入输出的支持,例如键盘、显示器和基本I/O操作。
  8. 固件更新:

    • 传统BIOS可以通过固件更新来升级。这涉及到更新BIOS中的固件,以修复错误或提供新的功能。

BIOS的特点:

  1. 硬件依赖性:

    • BIOS是紧密绑定到特定硬件架构的,因此它对硬件的支持和初始化是硬编码的。
  2. 启动顺序:

    • 用户可以在BIOS设置中配置启动设备的优先级,以确定计算机从哪个设备启动。
  3. 有限存储容量:

    • 传统BIOS芯片的存储容量有限,因此它只包含必要的初始化和引导代码。UEFI则不受这个限制。
  4. BIOS设置:

    • 用户可以通过BIOS设置进行一些基本的系统配置,例如设置日期和时间、更改启动设备等。
  5. 传统BIOS和UEFI:

    • 传统BIOS逐渐被新一代的UEFI所取代。UEFI提供了更先进的功能、更灵活的配置选项和更大的存储容量。

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。

七、交叉编译

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:

  1. 目标平台架构不同:

    • 目标设备的架构可能与你的开发主机不同。例如,你的开发主机是x86架构,但目标设备是ARM或其他架构。
    • 交叉编译器能够在x86主机上生成适用于目标设备架构的二进制可执行文件。
  2. 资源限制:

    • 目标设备可能是嵌入式系统或资源有限的设备,不能直接进行本地编译。
    • 交叉编译可以在性能更强大的开发主机上完成,生成适用于目标设备的轻量级可执行文件。
  3. 运行环境不完整:

    • 在某些情况下,目标设备上可能还没有建立完整的运行环境,包括操作系统等。
    • 交叉编译可以在不同于目标设备的环境中生成所需的可执行文件。
  4. 调试和开发便利性:

    • 使用交叉编译,你可以在更友好、更强大的开发主机上进行开发和调试,然后将生成的二进制文件传输到目标设备上。
    • 这样可以加速开发过程,并且提供更好的开发工具和环境。
  5. 开发环境搭建困难:

    • 在一些嵌入式系统中,搭建一个完整的开发环境可能非常复杂,包括交叉编译器、调试器等。
    • 使用交叉编译可以减轻这些环境搭建的难度。

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。

八、内核移植

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:

  1. 选择目标平台:

    • 确定你希望移植的内核将要运行的目标平台,包括硬件架构、处理器型号等。
  2. 获取源代码:

    • 获取操作系统内核的源代码。这可以是一个主流的开源内核,如 Linux 内核,也可以是其他嵌入式系统的内核。
  3. 理解目标平台硬件:

    • 对目标平台的硬件架构和设备有深入的了解,包括处理器、内存、外设、中断控制器等。
  4. 移植启动加载程序(BootLoader):

    • 确保目标平台上有适用的 BootLoader,该 BootLoader 应该能够加载你移植的内核。
    • 需要针对目标平台修改或配置 BootLoader。
  5. 配置内核:

    • 进行内核配置,选择目标平台的相关配置选项。这通常涉及到 Kconfig 或 Makefile 等配置工具。
    • 需要定义目标平台的体系结构、设备驱动、中断控制等。
  6. 编写或修改设备驱动:

    • 根据目标平台的硬件特性,可能需要编写或修改设备驱动程序,以确保内核能够正确与硬件交互。
    • 这可能包括网络驱动、存储驱动、输入设备驱动等。
  7. 移植体系结构相关的代码:

    • 如果目标平台与原始平台在体系结构上不同,可能需要移植一些体系结构相关的代码。
    • 这可能涉及到修改汇编代码、处理器体系结构相关的文件等。
  8. 编译和链接:

    • 使用交叉编译工具链,编译和链接内核源代码。确保使用适用于目标平台的工具链。
  9. 移植文件系统:

    • 如果你的内核依赖于文件系统,确保文件系统也能够在目标平台上正常工作。
    • 这可能涉及到文件系统的驱动、文件系统工具等。
  10. 调试和测试:

    • 在目标平台上进行调试和测试。使用调试工具,确保内核正确初始化硬件并能够正常运行。
  11. 优化和性能调整:

    • 针对目标平台的特性进行优化,确保内核在目标平台上能够充分发挥性能。
  12. 文档更新:

    • 更新文档以反映内核的移植情况,包括目标平台的配置和特性。

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。

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