arm 系统的启动过程

ARM系统的启动过程是一个多阶段、软硬件协同的复杂流程，与x86架构存在显著差异。以下为详细解析：

一、硬件初始化阶段（BootROM执行）

1. 上电复位与BootROM启动
   • ARM处理器上电后，从固定地址（通常为0x00000000或厂商定义的地址）开始执行BootROM代码。BootROM是芯片内部只读固件，负责最底层硬件初始化，包括时钟、内存控制器、安全引擎等。
   • 安全启动验证：BootROM会验证下一阶段代码（如Bootloader）的数字签名，确保安全启动（Secure Boot）。
2. 异常级别切换
   • ARM架构采用异常级别（Exception Level, EL）机制，启动时运行在最高特权模式：
     • EL3（Secure Monitor）：负责安全世界（Secure World）与非安全世界（Normal World）的切换，处理安全服务。
     • EL2（Hypervisor）：可选，支持虚拟化。
     • EL1（OS Kernel）：操作系统内核运行级别。
     • EL0（User Space）：用户应用程序运行级别。

二、引导加载程序（Bootloader）阶段

ARM架构通常使用U-Boot作为引导加载程序，分为两个阶段：

1. 第一阶段（汇编语言实现）
   • 硬件初始化：关闭MMU和Cache，配置堆栈指针（SP），初始化内存控制器、串口等基本外设。
   • 加载第二阶段：将U-Boot的第二阶段代码加载到内存中，并跳转执行。
2. 第二阶段（C语言实现）
   • 完整硬件初始化：初始化更多外设（如网络、存储设备），配置设备树（Device Tree）或ACPI表。
   • 加载内核：从存储介质（如eMMC、SD卡、网络）加载Linux内核映像到内存，并传递启动参数（如内核地址、设备树地址）。
   • 启动内核：通过booti命令将控制权交给内核。

三、内核加载与初始化

1. 内核自解压与初始化
   • 解压内核：若内核为压缩格式（如zImage），需先自解压到内存。
   • 初始化页表与MMU：设置虚拟地址映射，启用内存管理单元（MMU）和缓存。
   • 解析设备树：读取设备树（Device Tree Blob, DTB）或ACPI表，初始化硬件（如中断控制器、PCIe、USB）。
2. 启动用户空间
   • 创建init进程：内核初始化完成后，启动init进程（PID 1），负责初始化系统环境。
   • 加载服务与应用：init进程启动必要的服务（如网络、日志）和用户应用程序，完成系统就绪。

四、ARM与x86启动流程差异

阶段	ARM	x86
硬件初始化	BootROM执行，无BIOS	BIOS初始化硬件，设置启动顺序
引导加载程序	U-Boot（多阶段，支持安全启动）	GRUB、LILO等（依赖BIOS加载）
内核加载	需显式传递设备树地址	自动检测硬件，无需设备树
安全启动	集成Secure Boot，验证固件签名	可选UEFI Secure Boot
异常处理	基于EL级别切换	基于环（Ring）保护机制

五、关键技术细节

1. 多核启动（SMP初始化）
   • 主核（Primary Core）：执行完整启动流程，初始化后通过中断（SGI）或PSCI协议唤醒从核。
   • 从核（Secondary Core）：跳转到内核指定的入口地址（如secondary_startup），完成并行初始化。
2. 设备树（Device Tree）
   • ARM系统通过设备树描述硬件配置，内核根据设备树初始化对应驱动，替代x86的PCI枚举方式。
3. 内存布局
   • ARM内核通常链接到固定地址（如0x80008000），需与Bootloader加载地址一致，避免地址冲突。

通过以上流程，ARM系统完成从硬件加电到用户可操作的完整启动，其设计更注重灵活性、低功耗和安全性，适用于嵌入式、移动设备和物联网场景。