关于嵌入式系统的启动

嵌入式Linux启动分为两个部分，系统引导与Linux启动。系统引导将完成Linux装入内存前，初始化CPU和相关IO设备，并将Linux调入内存的工作。系统引导主要由BootLoader实现。在BootLoader将Linux内核调入内存之后，将权力交给LinuxKernel，进入Linux的启动部分。以下详细分析启动的过程与使用的文件。

一、系统引导与BootLoader
        BootLoader因嵌入式系统的不同与PC机有很大不同，这里将以Hyper250(Inter Xscale GDPXA250)的启动为例来分析。由于没有BIOS驱动主板，EnbeddedOS必须由bootloader驱动所有的硬件，并完成硬件的初始化工作。
        所有的初始化文件在hyper250/Bootloader目录下。
       
        首先分析开机运行的分件：
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/start_xscale.S
        文件包含两个库文件：
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/include/config.h
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/include/start_xscale.h
        文件config.h主要完成系统各硬件的宏定义与设定，xscale.h主要完成对系统芯片的及系统操作的设定。

        以下分析config.h文件：
        (1)存储总线设备的宏定义：定义Flash的大小、字长等信息，定义SRAM的基址、大小和块大小。
        (2)动态内存设定：定义DRAM的大小、基址。
        (3)软件包信息：包名称、版本号。
        (4)设定BOOT LOADER的位置：在DRAM和SRAM的最大值、DRAM装入位置、栈的基址。
        (5)设定kernel的位置：在DRAM和SRAM的基址、KERNEL的最大值、KERNEL中块的数量。
        (6)设定文件系统的位置：根目录在DRAM和SRAM的基址、文件系统的最大值、文件系统中块的数量。
        (7)设定LOADER程序：LOADER程序的静态内存基址、LOADER程序的最大值、块的数量。
        (8)网络设定
       
        以下分析start_xcalse.h文件：
        (1)定义内存基址(A0000000)
        (2)定义中断基址(40D00000)和中断保护栈的偏移量
        (3)定义时钟管理基址(41300000)和寄存器偏移及其初始值
        (4)定义GPIO接口寄存器基址(40E00000)及各寄存器的偏移
        (5)定义GPIO接口各寄存器的初始值
        (6)定义内存控制寄存器基址(48000000)和各寄存器的偏移
        (7)定义内存控制寄存器的初始值
        (8)定义电源管理寄存器的参数
        (9)定义FFUART寄存器的基址(40100000)和各寄存器的偏移
        (10)定义FFUART各寄存器的初始值
       
        以下分析start_xcalse.S文件：
        (1)设定中断基址(40D00000),完成中断保护栈的初始化
        (2)初始化GPIO接口
        (3)初始化内存SDRAM
        (4)将Bootloader从Flash拷贝到SDRAM中
        (5)装入Linux内核镜像,将内核从Flash(000C 0000)装入SDRAM(A0008000)中.
        (6)设定保护栈
        (7)调用main.c的主函数c_main()       
       
        以上start_xcalse.S通过APCS的编程标准书写的汇编文件初始化了系统相关的硬件,并且完成了BootLoader的装入内存和Linux内核的装入,最后将权力转交给main.c。
        以下将分析main.c文件:
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/main.c
        以及两个库文件
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/include/main.h
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/include/scc.h

#2  

二、Linux启动过程分析

        1.Makefile分析：
        在分析arch/arm/boot/compressed目录下的文件的时候，对于Makefile的分析是很重要的，因为内核将在这个目录相产生。这里主要工作是对内核的压缩和解压工作。本目录在编译完成后将产生vmlinux、head.o、misc.o、head-xscale.o、piggy.o这几个文件。其中vmlinux是没有压缩过的内核。head.o是内核的头部文件，负责初始设置。misc.o将主要负责内核的解压工作，它在head.o之后。head-xscale.o文件主要针对Xscale的初始化，将在链接时与head.o合并。piggy.o是一个中间文件，其实是一个压缩的内核，只不过没有和初始化文件及解压文件链接而已。
       
        2.Decompress分析：
        在BootLoader完成系统的引导以后并将Linux内核调入内存之后，调用bootLinux()，这个函数将跳转到kernel的起始位置。如果kernel没有压缩，就可以启动了。如果kernel压缩过，则要进行解压，在压缩过的kernel头部有解压程序。压缩过得kernel入口第一个文件源码位置在arch/arm/boot/compressed/head.S。它将调用函数decompress_kernel()，这个函数在文件arch/arm/boot/compressed/misc.c中，decompress_kernel()又调用proc_decomp_setup(),arch_decomp_setup()进行设置，然后使用在打印出信息“Uncompressing Linux...”后，调用gunzip()。将内核放于指定的位置。
        启动首先运行的文件有：
                arch/arm/boot/compressed/head.S
                arch/arm/boot/compressed/head-xscale.S
                arch/arm/boot/compressed/misc.c
        这些文件主要用于解压内核和以及启动内核映象。一旦内核启动，则这些文件所占内存空间将被释放。而且，一旦系统通过reset重起，当BootLoader将压缩过的内核放入内存中，首先执行的必然是这些代码。
       
        以下分析head.S文件：
        (1)对于各种Arm CPU的DEBUG输出设定，通过定义宏来统一操作。
        (2)设置kernel开始和结束地址，保存architecture ID。
        (3)如果在ARM2以上的CPU中，用的是普通用户模式，则升到超级用户模式，然后关中断。
        (4)分析LC0结构delta offset，判断是否需要重载内核地址(r0存入偏移量，判断r0是否为零)。
        这里是否需要重载内核地址，我以为主要分析arch/arm/boot/Makefile、arch/arm/boot/compressed/Makefile和arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds.in三个文件，主要看vmlinux.lds.in链接文件的主要段的位置，LOAD_ADDR(_load_addr)＝0xA0008000，而对于TEXT_START(_text、_start)的位置只设为0，BSS_START(__bss_start)＝ALIGN(4)。对于这样的结果依赖于，对内核解压的运行方式，也就是说，内核解压前是在内存(RAM)中还是在FLASH上，因为这里，我们的BOOTLOADER将压缩内核(zImage)移到了RAM的0xA0008000位置，我们的压缩内核是在内存(RAM)从0xA0008000地址开始顺序排列，因此我们的r0获得的偏移量是载入地址(0xA0008000)。接下来的工作是要把内核镜像的相对地址转化为内存的物理地址，即重载内核地址。
        (5)需要重载内核地址，将r0的偏移量加到BSS region和GOT table中。
        (6)清空bss堆栈空间r2－r3。
        (7)建立C程序运行需要的缓存，并赋于64K的栈空间。
        (8)这时r2是缓存的结束地址，r4是kernel的最后执行地址，r5是kernel境象文件的开始地址。检查是否地址有冲突。
                将r5等于r2，使decompress后的kernel地址就在64K的栈之后。
        (9)调用文件misc.c的函数decompress_kernel()，解压内核于缓存结束的地方(r2地址之后)。此时各寄存器值有如下变化：
                r0为解压后kernel的大小
                r4为kernel执行时的地址
                r5为解压后kernel的起始地址
                r6为CPU类型值(processor ID)
                r7为系统类型值(architecture ID)
        (10)将reloc_start代码拷贝之kernel之后(r5+r0之后)，首先清除缓存，而后执行reloc_start。
        (11)reloc_start将r5开始的kernel重载于r4地址处。
        (12)清除cache内容，关闭cache，将r7中architecture ID赋于r1，执行r4开始的kernel代码。
       
        关于head-xscale.S文件，它定义了xcale处理器的64k的cache缓存的实现代码和关闭MMU及缓存的代码，这些代码将在链接过程中与head.S的合并。
       
        关于misc.c文件，它引入了以下几个文件：
                include/linux/kernel.h
                include/asm-arm/arch-pxa/uncompress.h
                include/asm-arm/proc-armv/uncompress.h
                include/asm-arm/uaccess.h
                lib/inflate.c
        以下分析misc.c文件的decompress_kernel()函数：
        (1)首先传入参数：解压后内核地址，缓存开始地址，缓存结束地址，arch id。这些参数通过寄存器r0(r5),r1,r2,r3(r7)传入。
        (2)接着执行proc_decomp_setup()，它在include/asm-arm/proc-armv/uncompress.h文件中。主要刷新并起用i cache，锁住交换缓存，这是一段嵌入的arm汇编代码。
        (3)接着执行arch_decomp_setup()，它在include/asm-arm/arch-pxa/uncompress.h文件中，是一个空函数，用于扩展。
        (4)然后执行makecrc()，它在lib/inflate.c中，主要将产生CRC-32 table，进行循环冗余校验。
        (5)调用gunzip()解压kernel，它也在lib/inflate.c中。
        (6)返回head.S，解压后kernel的长度传给r0，解压后的内核地址预先在r5中定义了。

 

#3  

3.kernel 进入文件分析：
        随后系统将调入文件： arch/arm/kernel/head_armv.S 或 arch/arm/kernel/head_armo.S 。对于 arm 的 kernel 而言，有两套 .S 文件： _armv.S 和 _armo.S. 选择 _armv.S 还是 _armo.S 依赖于处理器。 ARM 的 version 1, version 2, 都只支持 26 位的地址空间。 version 3 开始支持 32 位的地址空间，同时还向后兼容 26 位的地址空间。 version 4 开始不再向后兼容 26 位的地址空间。这里由于 Hyper250 使用的是 version7 ，故只涉及文件 head_armv.S 。

        head_armv.S 是内核的入口点，在内核被解压到预定位置后，它将运行。 这里简要说明其主要工作：
        (1) 首先，关中断并进入保护模式，这里将建立虚拟地址到物理地址的映射。 ( 见第二章内存分析 )

        (2) 调用 lookup_processor_type ，查询 CUP 和其 ID 是否在 .proc.info 表中，如果存在，则令 r10 指向此结构，在 CPU 的内核入口文件中。如果不是则提示 error ： p 并挂起。关于 r10 指向的结构，他所属的内核入口文件，以 Hyper250 为例： arch/arm/mm/proc-xcale.S 。
        这里要要注意的是，此处操作的对象是由 vmlinux-armv.lds.in 链接文件定位的段 .proc.info 中，这个段定义在 proc-xcale.S 文件末尾，这里要注意，上面并没有使系统进入保护模式，所以在这里对 .proc.info 寻址的时候，为了得到相对地址，做了一个相对寻址的变换。这里好象只用了这个结构的前 3 位：处理器类型值 (value) ，处理器值掩码 (mask) ， MMU 标志值 (mmuflags) 。这 3 个值在分别放在寄存器 r5(0x69052100) 、 r6(0xfffff7f0) 、 r8(0x00000c0e) 中， r5 和 r6 只是用于和获得的处理器的 ID 相比较，而 r8 则有两个可能的值，分别表示 MMU 的状态：如果 MMU 开启，即 CACHE_WRITE_THROUGH ，则 r8=0x00000c0a ，否则 r8=0x00000c0e 。这里 r8 的值将会保持到初始页表时使用。
        r10 此时指向段 .proc.info 的开始地址。

        (3) 寄存器 r1 中的系统类型值 (unique architecture number) ，这个系统类型值的定义，并且由 bootloader 传入。在文件 arch/arm/tools/mach-types 中：
        machine_is_xxx        CONFIG_xxxx                        MACH_TYPE_xxx                number
        xhyper250R1        ARCH_PXA_XHYPER250R1                PXA_XHYPER250R1                200

        (4) 调用 lookup_architecture_type ，将以 r1 的值检查 .arch.info 表，这是个 struct machine_desc 由文件 arch/arm/mach-pxa/xhyper250R1.c 中的 MACHINE_START() 创建。假如没有此结构则提示 error ： a 并挂起。
        这里要注意的是，段 .arch.info 的定位在 vmlinux-armv.lds.in 文件中紧接 .proc.info ，这个段定义在 include/asm-arm/mach/arch.h 文件中，使用了宏定义 MACHINE_START() 。文件首先定义了一个结构体 machine_desc ，段 .arch.info 主体部分使用了宏定义 MACHINE_START() 其中嵌入这个结构体。
        通常来讲 MACHINE_START() 的实现应该在文件 arch/arm/kernel/arch.c 中，而这里 hyper250 的源码中， MACHINE_START() 宏定义在 arch/arm/mach-pxa/xhyper250R1.c 中完成了定义，下面详细分析这个结构：
        (A)MACHINE_START
        MACHINE_START(_type,_name) 这宏开始处嵌入一个静态结构 machine_desc ，并且立即声明段 .arch.info 。
        _type 是 MACH_TYPE(PXA_XHYPER250R1) ，用以赋值给 machine_desc 中的 nr ，这就是系统类型值 number(200) 。
        _name 是描述系统类型的字符串，用以赋值给 machine_desc 中的 name 为 char* 。
        以下几个宏定义均在包含在 machine_desc 的赋值中，也在段 .arch.info 中。
        (B)MAINTAINER
        MAINTAINER(n) ，这个 n 并没有赋值给 machine_desc 结构， n 是 "Hybus Co,. ltd." 字符串，公司名字罢了。
        (C)BOOT_MEM
        BOOT_MEM(_pram,_pio,_vio) ，这里面很关键，又 3 个变量：
        _pram ，传值给 phys_ram ：物理内存的开始地址，程序中赋值为： 0xa0000000 。
        _pio ，传值给 phys_io ：物理 io 的开始地址，程序中赋值为： 0x40000000 。
        _vio ，传值给 io_pg_offst ： io 页表的偏移，程序中赋值为： _vio=0xfc000000 ，不过要进行转换： ((_vio)>>18)&0xfffc=0x3f00
        (D)BOOT_PARAMS
        BOOT_PARAMS(_params) 这个宏定义了启动参数页表的偏移： param_offset ，程序中赋值为： 0xa0000100 。        
        (E)FIXUP( 接下来三个宏定义分别是三个函数指针：这些函数都在 machine_desc 结构中定义并且在 xhyper250R1.c 中实现。 )
        FIXUP(fixup_xhyper250R1) 宏指向 fixup_xhyper250R1 函数，这个函数有 4 个参数：
        fixup_xhyper250R1(struct machine_desc *desc, struct param_struct *params, char **cmdline, struct meminfo *mi)       
        struct machine_desc ：这个结构体前面已经提过了。
        param_struct ：这个结构体定义在 include/asm/setup.h 中，这是一个向 kernel 传递参数的结构体。
        char **cmdline ：好像用于定义输出窗口行数。
        struct meminfo ：这个结构体定义在 include/asm/setup.h 中，这是一个对物理内存区间描述的结构体，它将整个地址空间分为 8 个区间，通常一个区必须是连续的地址并且是同一类型的设备，而用于特殊目的的地址将划分为一个独立的区。首先定义 nr_banks: 块号，然后是结构体 bank[NR_BANKS] ， NR_BANKS 为 8 。结构体 bank[NR_BANKS] 中有： start 、 size 、 node 。
        下面分析这个函数 fixup_xhyper250R1 的工作，
        首先，调用宏 SET_BANK 并赋值为 SET_BANK(0, 0xa0000000, 64*1024*1024) ，这个宏定义在 arch/arm/mach-pxa/generic.h 文件中。 SET_BANK 主要完成设置结构体 meminfo 中 bank[_nr] 的 start 、 size 和 node 。以上为例，则完成了 bank[0] 区间中的 start=0xa0000000 ， size=64*1024*1024=64M ， node=(__start) - PHYS_OFFSET) >> 27=0
        接着，使 mi 的 nr_banks=1 ，好象设定了这个结构只有一个区。要注意的是 meminfo 将在 page_init() 中用于初始化页面。        
        (F)MAPIO
        MAPIO(xhyper250R1_map_io) 宏指向 xhyper250R1_map_io 函数，这个函数没有参数，主要用于 io 地址从虚拟地址到物理地址的映射关系。
        这个函数调用了 pxa_map_io() 和 iotable_init(xhyper250R1_io_desc) ：
        pxa_map_io() 函数定义在 arch/arm/mach-pxa/generic.h 文件中，实现在 arch/arm/mach-pxa/generic.c 中，主要调用了 iotable_init() 函数来进行 io 地址的区间映象。 iotable_init(struct map_desc *) 函数中，参数 map_desc 结构体定义在文件 include/asm-arm/map.h 中，主要有： virtual 、 physical 、 length 和一些标志位： domain 、 read 、 write 、 cache 、 buffer 等。 iotable_init() 函数在文件 arch/arm/mm/mm-armv.c 中，循环调用 create_mapping() 来处理 map_desc 的映射关系。 create_mapping 函数主要工作就是将 io 的虚拟地址到物理地址的映射关系按照 PAGE_SIZE(4K) 的页来进行映射，同时还有段的映射关系。（关于内存的映射将在第 2 章中详细分析）        
        (G)INITIRQ
        INITIRQ(xhyper250R1_init_irq) 指向了 xhyper250R1_init_irq 函数，这个函数将主要完成中断的初始化，这里主要调用了函数 pxa_init_irq() ，这个函数实现在 arch/arm/mach-pxa/irq.c 中。接着调用了 set_GPIO_IRQ_edge() 函数，这个函数也在 irq.c 中。（关于中断的分析将在以后进行）

        我们以上通过分析宏 MACHINE_START 而分析了结构体 machine_desc 的一个实例的赋值，我们这里其实只用这个结构体很少一部分信息，主要有三个参数内存物理内存的开始地址、物理 io 的开始地址、 io 页表的偏移，分别存于寄存器 r5(phys_ram=0xa0000000) 、 r6(phys_io=0x40000000) 、 r7(io_pg_offst=0x3f00) 中，并返回。

        (5) 初始化页表，映射了 4M 的 RAM ，以使内核运行。
        这里值得注意的是： r5 此时为物理内存开始地址 (0xa0000000) ，程序利用宏定义 pgtbl ，将 r4 成为页表首地址 0xC0004000 。然后清空内核目录 swapper_pg_dir 开始的 16K 空间。
       
        (6) 设置 lr 为返回地址 __ret ，以使下面的程序得以跳转返回。
        (7) 使 pc=[r10+12] ，也就是跳转到 _xscale_proc_init 结构中的 b __xscale_setup 位置，这个结构在 arch/arm/mm/proc-xcale.S 中。我们来看看这个结构：
        __pxa250_proc_info:                <--r10 指向这个地址
                .long   0x69052100
                .long   0xfffff7f0
        #if CACHE_WRITE_THROUGH
                .long   0x00000c0a
        #else
                .long   0x00000c0e        <-- 这个参数传入了 r8 中
        #endif
                b       __xscale_setup    <--[r10+12]
                .long   cpu_arch_name
                .long   cpu_elf_name
                .long   HWCAP_SWP|HWCAP_HALF|HWCAP_THUMB|HWCAP_FAST_MULT|HWCAP_EDSP
                .long   cpu_pxa250_info
                .long   xscale_processor_functions
                .size   __pxa250_proc_info, . - __pxa250_proc_info
       
        __xscale_setup 相关的程序多是对协处理器 cp15 的操作，之中用到了宏 F_BIT|I_BIT|SVC_MODE ，        
        相关的宏定义在文件 include/asm-arm/proc-armv/ptrace.h 中。
        #define SVC_MODE        0x13
        #define T_BIT           0x20
        #define F_BIT           0x40
        #define I_BIT           0x80
       
        (8) 通过 proc-xcale.S 中 __xscale_setup 设置 MMU ，并通过 __ret 返回 head_armv.S 。
        (9) 在 __ret 返回处设置 lr 通过 __switch_data 返回到 __mmap_switched 。
        (10) 打开 MMU ，将 pipeline 清空，以使所有的内存得以正确的访问。并返回到 __mmap_switched 。
        (11)__mmap_switched 通过 __switch_data 获得数据，并设置了 stack pointer 。
        (12) 清空 BSS ，并保存 CPU 类型值 (processor ID) 以及系统类型 (machine type) 等。
        (13) 跳转到 start_kernel 。