嵌入式linux启动信息完全注释之一
摘要
我们在这里讨论的是对嵌入式linux系统的启动过程的输出信息的注释，通过我们的讨论，大家会对嵌入式linux启动过程中出现的、以前感觉熟悉的、但却又似是而非的东西有一个确切的了解，并且能了解到这些输出信息的来龙去脉。
嵌入式linux的启动信息是一个很值得我们去好好研究的东西，它能将一幅缩影图呈现在我们面前，来指导我们更加深入地理解linux内核。
关键字：linux，嵌入式，启动，bootloader
正文
作为一名嵌入系统开发者，你一定遇到过下面的情景：
在某论坛上看到一篇帖子，上面贴着嵌入式linux开发板启动时的有关信息，然后大家在帖子里讨论着这个启动过程中出现的问题，随机举例如下：
| Linux version 2.4.20 -uc0 (root@Local) (gcc version 2.95.3 |
上面的这些输出信息，也可能包括你自己正在做的嵌入式linux开发板的输出信息，其中的每一行，每一个字的含义，你是否深究过，或者说大部分的含义你能确切地知道的？本人想在这里结合本人在实践中一些体会来和广大嵌入式linux的开发者一起读懂这些信息。
我们在这里将以一个真实的嵌入式linux系统的启动过程为例，来分析这些输出信息。启动信息的原始内容将用标记标出，以区别与注释。
嵌入式linux的启动主要分为两个阶段：
① 第一部分bootloader启动阶段
② 第二部分linux 内核初始化和启动阶段
第一节：start_kernel
第二节：用户模式( user_mode )开始，start_kernel结束
第三节：加载linux内核完毕，转入cpu_idle进程
第一部分 : bootloader启动
| Boot loader v0.12 NOTE: this boot loader is designed to boot kernels made with the 2.4.xx releases bootloader for XV Built at Nov 20 2005 10:12:35 |
Bootloader头信息，版本，编译时间等，这个因不同的bootloader的设计而有所不同，由此你能看出bootloader的版本信息，有很多使用的是通用的bootloader，如u-boot，redboot等。
| Loaded to 0x90060000 |
将bootloader加载到内存ram中的0x90060000处，即将bootloader加载到内存的高端地址处。
Linux内核将被bootloader加载到0x90090000处。
| Found boot configuration |
查找到了启动boot的配置信息
| Booted from parallel flash |
从flash中启动代码，此处的flash为并行闪存。Flash的分类列举如下：
闪存分三类：并行，串行，不可擦除。
①并行Parallel flash
NOR Flash，Intel于1988年发明．随机读取的速度比较快，随机按字节写，每次可以传输8Bit。一般适合应用于数据/程序的存贮应用中．NOR还可以片内执行(execute-in-place)XIP．写入和擦除速度很低。
NAND Flash，1989年，东芝公司发明．是以块和页为单位来读写的，不能随机访问某个指定的点.因而相对来说读取速度较慢，而擦除和写入的速度则比较快,每次可以传输16Bit,一般适用在大容量的多媒体应用中，容量大。如：CF，SM.
②串行Serial Flash 是以字节进行传输的，每次可以传输1-2Bit.如：MMC,SD,MS卡．串行闪存器件体积小，引脚也少，成本相对也更低廉。
③不可擦除Mask Rom Flash的特点是一次性录入数据，具有不可更改性，经常运用于游戏和需版权保护文件等的录入。其显著特点是成本低。
注意：任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。
从上面的信息，我们可以对flash类型特点有个比较明确的了解。
| CPU clock rate: 200 MHz |
开发板上所使用的CPU的主频为200MHZ．
| DRAM size is 128MB (128MB/0MB) |
动态内存ram大小为 128M 。这里我们列举一下内存的类型及工作原理。
根据内存的工作原理可以划分出两种内存：DRAM和SRAM
①DRAM表示动态随机存取存储器。这是一种以电荷形式进行存储的半导体存储器。DRAM中的每个存储单元由一个晶体管和一个电容器组成。数据存储在电容器中。电容器会由于漏电而导致电荷丢失，因而DRAM器件是不稳定的。为了将数据保存在存储器中，DRAM器件必须有规律地进行刷新。
②SRAM是静态的，因此只要供电它就会保持一个值。一般而言，SRAM 比DRAM要快，这是因为SRAM没有刷新周期。每个SRAM存储单元由6个晶体管组成，而DRAM存储单元由一个晶体管和一个电容器组成。相比而言，DRAM比SRAM每个存储单元的成本要高。照此推理，可以断定在给定的固定区域内DRAM的密度比SRAM 的密度要大。
SRAM常常用于高速缓冲存储器，因为它有更高的速率；而DRAM常常用于PC中的主存储器，因为其拥有更高的密度。
在嵌入式系统中使用DRAM内存的设计比较广泛。
地址辅助说明：
先说明一下内存地址数字情况，主要是为了方便记忆。
可以访问的内存为 4G 。
0x40000000是1GB处；0x00040000是256K处，0x00020000是128K处，0x90000000是2GB多的地方。
1M ->0x00100000,
2M ->0x00200000,
8M ->0x00800000
16M ->0x01000000,
32M ->0x02000000
256M ->0x10000000
64K->0x00010000
4K->0x00001000
这个是个快速记忆的方法，你可以根据地址中1的位置和其后0的个数来快速知道换算后的地址是在多少兆的地方。比如，1的后面5个0，（2的4×5次方）代表 1M 的大小，6个0，(2的24次方)代表 16M ，以此类推。
ROMFS found at 0x46040000, Volume name = rom 43f 291aa
romfs,只读文件系统所在的地址为：0x46040000 (flash映射后的第3分区)。
卷名为rom。
romfs和rootfs概念上有所区别。
flash在内存中的的起始地址为0x46000000,而ROMFS在flash分区上的起始位置为0x00040000，所以ROMFS在内存地址中的位置就为0x46040000。这个细节的部分可以参考flash分区时的地方，Creating 3 MTD partitions。
romfs中包括kernel和app应用，不包括bootloader和firmware信息头。romfs只读文件系统里的内容有很多种分类方法，我们可以将kernel和app同时放里面，作为根文件系统下的一个文件，也可以在flash上另外划分区域来分别存放。
VFS虚拟文件系统交换器
在linux系统中，目前已经开发出多种文件系统，那么如何让这些文件系统能共存在一个系统中呢，从linux 2.0开始，引入了虚拟文件系统管理器 VFS的概念。
Linux 下的文件系统主要可分为三大块：
① 一是上层的文件系统的系统调用，
② 二是虚拟文件系统交换器 VFS(Virtual Filesystem Switch)，
③ 三是挂载到 VFS 中的各实际文件系统，例如 ext2，jffs 等。
VFS的确切叫法是Virtual Filesystem Switch虚拟文件系统交换器，这里的VFS中的“S”是指的switch，这个需要强调一下的，它很容易被混淆成“system”，如果理解成“system”将是不正确的，请多加注意。
VFS是具体文件系统filesystem的一个管理器。
VFS是Linux内核中的一个软件层，一种软件机制，它也提供了内核中的一个抽象功能，允许不同的文件系统共存，可以称它为 Linux 的文件系统管理者，与它相关的数据结构只存在于物理内存当中。所以在每次系统初始化期间，Linux 都首先要在内存当中构造一棵 VFS 的目录树。VFS 中的各目录其主要用途是用来提供实际文件系统的挂载点。而rootfs将是这个目录树的根结点的（root），即 "/"目录，VFS的结构就是从这个rootfs开始的。有了VFS，那么对文件的操作将使用统一的接口，将来通过文件系统调用对 VFS 发起的文件操作等指令将被 rootfs 文件系统中相应的函数接口所接管。
注意：rootfs并不是一个具体的文件系统类型，如jffs。它只是一个理论上的概念。在具体的嵌入系统实例中，可以将某种具体的文件系统设置为根文件系统rootfs，如我们可以设置romfs为根文件系统，也可以设置jffs为根文件系统。
这里的ROMFS只读文件系统只是一种具体的文件系统类型，也是在嵌入系统中经常使用到的类型。
看完了上面的内容，以后你对出现的类似“kernel Panic:VFS:Unable to mount root fs on 0: 00 ” 的含义应该已经了解了。其中“VFS:”就是虚拟文件系统管理器操作时的输出信息了。
| File linux.bin.gz found |
linux kernel内核文件名，它是在只读文件系统romfs上的一个组成部分。
| Unzipping image from 0x4639DE60 to 0x90090000, size = 1316021 |
将romfs中的linux kernel解压缩到0x90090000,之后会从这个内存地址启动内核。romfs为压缩格式文件,使用压缩的只读文件系统，是为了保持制作出来的整个系统所占用的flash空间减小。这个内核的大小为 1.3M 左右，这也是目前大多数嵌入系统所使用的方法。
| Inptr = 0x00000014(20) Inflating.... |
释放，解压中。。。（变大，充气, 膨胀）
| Outcnt = 0x0030e 7c 8(3205064) Final Inptr = 0x001414ad(1316013) Original CRC = 0xcbd73adb Computed CRC = 0xcbd73adb |
做释放后的CRC检查
| Boot kernel at 0x90090000 with ROMFS at 0x46040000 |
kernel已经被从romfs中释放到内存地址0x90090000处，可以跳转到此处启动kernel了，这里是指定的kernel的起始地址
| Press 'enter' to boot |
系统等待启动，后面将看到linux kernel的启动过程了。
第二部分 : linux内核初始化以及启动
第一节：start_kernel
Linux的源代码可以从www.kernel.org得到，或者你可以查看linux代码交叉引用网站：http://lxr.linux.no/ 进行在线的代码查看，这是一个很好的工具网站。
在start_kernel中将调用到大量的init函数，来完成内核的各种初始化。如：
page_address_init();
sched_init();
page_alloc_init();
init_IRQ();
softirq_init();
console_init();
calibrate_delay();
vfs_caches_init(num_physpages);
rest_init();
具体内容可以参考[http://lxr.linux.no/source/init/main.c]
| Linux version 2.4.22 -uc0 (root@local) (gcc version 2.95.3 20010315 (release)) #33 .?1.. 20 12:09:106 |
上面的代码输出信息，是跟踪linux代码分析后得到的，进入init目录下的main.c的start_kernel启动函数.
嵌入式linux使用的是linux内核版本为 2.4.22
linux source code代码中start_kernel中输出的linux_banner信息。这个信息是每个linux kernel都会打印一下的信息，如果你没有把这句去掉的话。
Found bootloader memory map at 0x10000fc0.
bootloader经过内存映射后的地址为：0x10000fc0, 按上面的地址换算方法，1后面有7个0，那么虚拟地址 256M 左右处。
| Processor: ARM pt110 revision 0 |
pT110是ARM微处理器arm核的一种，另一种为pT100。此处为显示ARM的类型。
| On node 0 totalpages: 20480 zone(0): 20480 pages. zone(0): Set minimum memory threshold to 12288KB Warning: wrong zone alignment (0x90080000, 0x 0000000c , 0x00001000) zone(1): 0 pages. zone(2): 0 pages. |
预留内存大小，在节点0上总共20页, zone(0) 设置最小内存为12MB, zone(1)和zone(2)为0页。警告：对齐不正确
| Kernel command line: root=/dev/mtdblock3 |
Kernel 启动命令设为：/dev/mtdblock3（在后面的说明中会看到mtdblock3是指的flash上的romfs分区。），用来指定根文件系统所在的位置，kernel会将块设备mtdblock3当作文件系统来处理。
也就是说，内核会根据上面的kernel命令行，知道只读文件系统romfs将是根文件系统rootfs。
start_kernel(void)中输出的上面的这句信息。
这行命令是在linux内核启动过程中都会输出的一句。
| Console: colour dummy device 80x30 |
代码中console_init()的输出信息, 显示控制台属性：一般使用VGA text console，标准是80 X 25行列的文本控制台，这里是对属性进行了设置。
| serial_xx: setup_console @ 115 |
串口设置值为115200，此为波特率输出信息。对串口设置的信息做一个打印的动作，在调试时会非常有用。
| Calibrating delay loop... 82.94 BogoMIPS |
Calibrate:校准, 进入时延校准循环。检查CPU的MIPS(每秒百万条指令)，Bogo是Bogus(伪)的意思。这里是对CPU进行一个实时测试，来得到一个大体的MIPS数值
Bogomips,是由linus Torvalds写的, 是Linux操作系统中衡量计算机处理器运行速度的一种尺度。提供这种度量的程序被称为BogoMips，当启动计算机时，BogoMips能显示系统选项是否处于最佳性能。
linux内核中有一个函数calibrate_delay（）,它可以计算出cpu在一秒钟内执行了多少次一个极短的循环，计算出来的值经过处理后得到BogoMIPS值
你可以将计算机的bogomips与计算机处理器的bogomips进行比较。Torvalds称这个程序为BogoMips来暗示两台计算机间的性能度量是错误的，因为并非所有起作用因素都能被显示出来或被认可。尽管计算机基准中经常用到MIPS，但环境的变化容易导致度量的错误。Bogomips能测出一秒钟内某程序运行了多少次。
察看/proc/cpuinfo文件中的最后一行也能得到这个数值。
上面这个输出，在所有的linux系统启动中都会打印出来。
进入内存初始化
mem_init(void), [arch/i386/mm/init.c]
| Memory: 80MB = 80MB total Memory: 76592KB available (1724K code, 2565K data, 72K init) |
当前内存使用情况，将列出总的内存大小, 及分配给内核的内存大小:包括代码部分，数据部分，初始化部分,总共刚好 4M 。请留意此处的内核的内存大小的各个值。
进入虚拟文件系统VFS初始化
vfs_caches_init()
| Dentry cache hash table entries: 16384 (order: 5, 131072 bytes) Inode cache hash table entries: 8192 (order: 4, 65536 bytes) Mount cache hash table entries: 512 (order: 0, 4096 bytes) Buffer cache hash table entries: 4096 (order: 2, 16384 bytes) Page-cache hash table entries: 32768 (order: 5, 131072 bytes) |
名词：
① Dentry：目录数据结构
② Inode：i节点
③ Mount cache：文件系统加载缓冲
④ buffer cache：内存缓冲区
⑤ Page Cache：页缓冲区
Dentry目录数据结构(目录入口缓存),提供了一个将路径名转化为特定的dentry的一个快的查找机制,Dentry只存在于RAM中；
i节点(inode)数据结构存放磁盘上的一个文件或目录的信息，i节点存在于磁盘驱动器上;存在于RAM中的i节点就是VFS的i节点，dentry所包含的指针指向的就是它；
buffer cache内存缓冲区，类似kupdated，用来在内存与磁盘间做缓冲处理；
Page Cache 用来加快对磁盘上映像和数据的访问。
在内存中建立各个缓冲hash表，为kernel对文件系统的访问做准备。
VFS（virtual filesystem switch）虚拟文件切换目录树有用到类似这样的结构表。
上面的输出信息，在一般的linux启动过程中都会看到。
| POSIX conformance testing by UNIFIX |
conformance:顺应, 一致。即POSIX适应性检测。UNIFIX是一家德国的技术公司，Linux 原本要基于 POSIX.1 的, 但是 POSIX 不是免费的, 而且 POSIX.1 证书相当昂贵. 这使得 Linux 基于 POSIX 开发相当困难. Unifix公司(Braunschweig, 德国) 开发了一个获得了 FIPS 151-2 证书的 Linux 系统. 这种技术用于 Unifix 的发行版 Unifix Linux 2.0 和 Lasermoon 的 Linux-FT。
在2.6的内核中就将上面的这句输出给拿掉了。