ARM Linux从Bootloader、kernel到filesystem启动流程

ARM Linux启动流程大致为：bootloader ---->kernel---->root filesystem。bootloader 是一上电就拿到cpu 的控制权的，而bootloader实现了硬件的初始化。bootloader俨然就成了Power on 之后”第一个吃螃蟹”的代码。

谈到这就得想到硬件机制是如何满足这个功能的了。CPU内部一般都集成小容量的SRAM (又叫stapping stone，垫脚石)，当系统一上电，NAND controler 就自动地将Nand flash 里的前内容复制到垫脚石里，而PC 指针一上电就指向垫脚石的起始地址0x00000000。这样这一部分的代码就可以得到执行。所以，这一部分的代码就是 bootloader 部分，那一上电bootloader 不就可以得到运行了么？事实确实如此，在嵌入式Linux的软件系统中，nandflash前面一部分代码往往就是bootloader ，然后就是kernel, 再接着就是根文件系统。

说了这么多，好像都没说到启动流程啊，别着急，咱慢慢谈，所谓磨刀不误砍柴工嘛。

要说启动流程，如果只是简单的介绍从哪到哪，谁干了啥啥，得到的结果可能只是只知其然不知其所以然。个人觉得随着CPU的PC指针走，循着代码的足迹才能把整个流程理清楚，当找到了代码的执行过程，再分析一下代码，自然知道了哪个部分完成了哪些事，更重要的是为代码的移植打下了坚实的基础。自然这个过程是痛苦和枯燥的，甚至是看代码看了几天也没弄明白，不过这也是一种锻炼。

bootloder 

前面说了，bootloader一上电就拿到了cpu 的使用权，它当然得干一些初始化的工作啊，比如关闭看门狗、设置cpu 的运行模式、设置堆栈等等比较急迫的事情。当然还要对主板的一些其他硬件进行简单的初始化，比如外部DDR内存、网卡、显示屏、nand flash等等的初始化工作，最后还要负责把Linux内核加载到内存中。正所谓责任和权力是并存的嘛，你得到了权益，当然就得付出。当bootloader 完成它的使命之后就会把cpu 的使用权交给下一部分代码：kernel 。

kernel

在讨论kernel 是如何启动之前，先了解kernel 的组成结构以及是如何得来的。下面这张图是内核编译即将结束时显示的信息：

 

下面的这张图说明了上面的编译过程，

可以看到，当内核源文件编译链接成 vmlinux 文件以后还进行了几个模块的编译和链接。其中（1）vmlinux 是ELF格式的object文件，这种文件只是各个源代码经过连接以后的得到的文件，并不能在arm平台上运行。（2）经过objcopy这个工具转换以后，得到了二进制格式文件Image，Image文件相比于vmlinux 文件，除了格式不同以外，还被去除了许多注释和调试的信息。（3）Image文件经过压缩以后得到了piggy.gz ,这个文件仅仅是Image的压缩版，并无其他不同。（4）接着编译生成另外几个模块文件misc.o、big_endian.o、head.o、head-xscale.o，这几个文件组成一个叫 bootstrap loader 的组件，又叫引导程序。编译生成 piggy.o 文件。（5）最后piggy.o文件和bootstrap loader 组成一个bootable kernel Image 文件（可启动文件）。

可以看到最后得到的可执行文件就是上图最右边那个，这也是我们最后烧写到开发板的镜像。其中piggy.o 就是内核镜像，而剩下的几个文件就组成了引导程序。

下面开始讨论CPU的流转过程，还是用一个图来展示：

从上图可以看出，系统一上电就开始执行bootloader。当bootloader 执行完以后，把控制权交给了引导程序的head.o 文件里的start 标号处，当引导程序完成引导工作以后就将控制权转给真正的内核的head.o 文件里的start 标号处。这里就是内核的入口点，最后内核的head.o将控制交给main.o 的start_kernel 函数。这样，通过查看相应的代码就可以知道这些代码到底完成了哪些工作。在这里我们可以找到相应的代码，分析一下，看它们到底完成哪些事。下面是我的分析结果：

引导程序：

head.o从bootloader接过控制权，并完成如下任务：

1. 使能 I/D caches ，关闭中断 ， 建立C运行环境（即设置堆栈）由 head.o 和head-xscal.o 完成
2. 解压缩并重定位代码 ，由misc.o 完成
3. 其他硬件相关的设置，如big.endian.o 为cpu设置大端模式

内核入口点：从引导程序接过控制权，完成如下任务

1. 检查有效的cpu 和cpu的信息
2. 创建初始化页表入口
3. 使能MMU
4. 检测错误并报告
5. 跳转到内核本身 main.c 文件里的 start_kernel（）函数

内核启动：

从 kernel 的head.o接过控制权，开始内核的启动，在这里完成内核的初始化，如内核各个子系统的初始化。

root filesystem

到此止，kernel完成了系统硬件探测及硬件驱动的初始化，内核空间的相关工作已经完成，开始向用户空间转移，内核空间通过一个间接的initrd（一个虚拟的文件系统）向用户空间过度，然后开始挂载跟文件系统了，其过程：initrd ----> /sbin/init ----> /etc/inittab。

initrd是一个虚拟的文件系统，里面有lib、bin、sbin、usr、proc、sys、var、dev、boot等一些目录，其目录有点像真的/，所以我们称之为虚拟的根文件系统，作用就是将kernel和真的根文件系统建立关联关系，让kernel去initrd中加载根文件系统所需要的驱动程序，并以读写的方式挂载根文件系统，并让执行用户当中第一个进程init。

init执行完毕以后会启动系统内的/etc/inittab文件，来完成系统系统的初始化工作。