系统启动流程-armV7

• 内核复位后在裸机上运行的代码，即在不使用操作系统的情况下运行的代码。这是首次启动芯片或系统时经常遇到的情况。
• bootloader如何加载和运行Linux内核。

从裸机启动

芯片复位后，将在异常向量表中复位向量的位置开始执行。复位操作的代码必须做以下事情:

• 在多核系统中，使非主核进入睡眠状态
• 初始化异常向量。
• 初始化内存系统，包括MMU。
• 初始化核心模式堆栈和寄存器。
• 初始化任何关键的 I/O 设备。
• 执行NEON 或VFP 的任何必要初始化。
• 启用中断。
• 更改核心模式或状态。
• 处理安全世界所需的任何设置（参见第 21 章）。
• 调用main() 应用程序。

GNU 汇编器中的 _start 指令告诉链接器将代码定位在特定地址，并可用于将代码放置在向量表中。初始向量表将位于非易失性存储器中，并且可以包含跳转到自我指令（除了复位向量），因为此时预计不会出现异常。通常，复位向量包含指向 ROM 中引导代码的分支。

ROM 可以别名为异常向量的地址。然后，ROM 写入一些将 RAM 映射到地址 0 的内存重映射外设，并将真正的异常向量表复制到 RAM 中。这意味着处理重新映射的引导代码部分必须与位置无关，因为只能使用 PC 相对寻址。

下一步是设置缓存、MMU 和分支预测器。

MMU TLB 必须无效。分支目标预测器硬件可能不必显式失效，但必须由引导代码启用。此时可以安全地启用分支预测；这将提高性能。

在此之后，您可以创建一些翻译表，如示例 13-4 的示例代码所示。变量 ttb_address 用于表示要用于初始转换表的地址。这必须是一个 16KB 的内存区域（其起始地址与 16KB 边界对齐），此代码可以向其中写入 L1 转换表。

接下来的步骤将取决于系统的确切性质。例如，可能需要对将保存未初始化 C 变量的内存进行零初始化，将其他变量的初始值从 ROM 映像复制到 RAM，并设置应用程序堆栈和堆空间。可能还需要初始化 C 库函数、调用顶级构造函数（用于 C++ 代码）和其他标准嵌入式 C 初始化。

Booting Linux

如果选择了 HIVECS（称为高向量），那么了解内核从复位中出来并在异常基地址 0x00000000 或 0xFFFF0000 处执行其第一条指令会发生什么是很有用的，直到出现 Linux 命令提示符为止。

当内核存在于内存中时，基于 ARM 处理器的系统上的序列类似于台式计算机上可能发生的序列。但是，引导加载过程可能非常不同，因为基于 ARM 处理器的手机或更深入的嵌入式设备可能缺少硬盘驱动器或类似 PC 的 BIOS。

通常，当您打开系统电源时会发生硬件特定的引导代码从闪存或 ROM 运行。此代码初始化系统，包括任何必要的硬件外围代码，然后启动引导加载程序（例如 U-Boot）。这会初始化主内存并将压缩的 Linux 内核映像复制到主内存中（从闪存设备、板上的内存、MMC、主机 PC 或其他地方）。引导加载程序将某些初始化参数传递给内核。然后，Linux 内核会自行解压并初始化其数据结构和运行的用户进程，然后再启动命令 shell 环境。让我们更详细地看看这些过程中的每一个。

Reset handler

通常有少量特定于系统的引导监控代码，用于配置内存控制器并执行其他系统外围设备初始化。它在内存中设置堆栈，通常将自身从 ROM 复制到 RAM，然后更改硬件内存映射，以便 RAM 映射到异常向量地址，而不是 ROM。本质上，此代码独立于要在板上运行的操作系统并执行类似于 PC BIOS 的功能。当它完成执行后，它将调用一个 Linux 引导加载程序，例如 U-Boot。

Bootloader

Linux 需要执行一定数量的代码才能完成重置，以初始化系统。这将执行内核启动所需的基本任务：

• 初始化内存系统和外围设备。
• 将内核映像加载到内存中的适当位置（也可能是初始 RAM 磁盘）。
• 生成要传递给内核的引导参数（包括机器类型）。
• 为内核设置控制台（视频或串行）。
• 进入内核。

不同引导加载程序所采取的具体步骤有所不同，因此有关详细信息，请参阅您要使用的引导加载程序的文档。U-Boot 是一个广泛使用的示例，但其他可能的引导加载程序包括 Apex、Blob、Bootldr 和 Redboot。

当引导加载程序启动时，它通常不存在于主存储器中。它必须首先分配堆栈并初始化核心（例如使其缓存无效）并将其自身安装到主内存。它还必须为全局数据和 malloc() 使用分配空间，并将异常向量条目复制到适当的位置。

Initialize memory system

这在很大程度上是一块板或系统特定的代码。Linux 内核不负责系统中 RAM 的配置。它显示了物理内存布局，但没有其他关于内存系统的知识。在许多系统中，可用 RAM 及其位置是固定的，并且引导加载程序任务很简单。在其他系统中，必须编写代码来发现系统中可用的 RAM 量。

Kernel images

构建过程中的内核映像通常以 zImage 格式压缩（可引导内核映像的常规名称）。它的头代码包含一个魔术字，用于验证解压的完整性，加上开始和结束地址。内核代码与位置无关，可以位于内存中的任何位置。按照惯例，它被放置在距离物理 RAM 基数 0x8000 的偏移处。这为放置在 0x100 偏移处的参数块提供了空间（用于转换表等）。

许多系统需要一个初始 RAM 磁盘 (initrd)，因为这可以让您拥有一个可用的根文件系统，而无需设置其他驱动程序。引导加载程序可以将初始 ramdisk 映像放入内存，并使用 ATAG_INITRD2（描述压缩 RAM 磁盘映像的物理位置的标签）和 ATAG_RAMDISK 将其位置传递给内核。

引导加载程序通常会在目标中设置一个串行端口，使内核串行驱动程序能够检测该端口并将其用于控制台。在某些系统中，可以将另一个输出设备（例如视频驱动程序）用作控制台。内核命令行参数console=可以用来传递信息。

Kernel parameters using ATAGs

从历史上看，传递给内核的参数是以标记列表的形式，放置在物理 RAM 中，寄存器 R2 保存列表的地址。标签头包含两个 32 位无符号整数，第一个给出标签的字大小，第二个提供标签值（指示标签的类型）。有关可以传递的参数的完整列表，请参阅相应的文档。示例包括描述物理内存映射的 ATAG_MEM 和描述压缩 ramdisk 映像所在位置的 ATAG_INITRD2。引导加载程序还必须提供 ARM Linux 机器类型号 (MACH_TYPE)。这可以是硬编码的值，或者引导代码可以检查可用的硬件并相应地分配一个值。

有一种更灵活或更通用的方法可以使用扁平设备树 (FDT) 传递此信息。

Kernel parameters using Flattened Device Trees

为 PowerPC 内核引入了 Linux 设备树或 FDT 支持，作为 32 位和 64 位内核合并的一部分，通过使用适用于所有 PowerPC 平台、服务器、台式机和嵌入式的开放固件接口来标准化固件接口 . 它已成为 PowerPC、Micro Blaze 和 SPARC 架构的 Linux 内核中使用的配置方法。

设备树是描述硬件配置的数据结构。它包括有关处理器、内存大小和组、中断配置和外围设备的信息。数据结构被组织成一棵树，有一个名为 / 的根节点。除根节点外，每个节点都有一个父节点。每个节点都有一个名称，并且可以有任意数量的子节点。节点还可以包含具有任意数据的命名属性值，它们以键值对表示。

Kernel entry

内核执行必须从处于固定状态的内核开始。bootloader通过直接跳转到它的第一条指令（arch/arm/boot/compressed/head.S中的开始标签）来调用内核映像。必须禁用 MMU 和数据缓存。内核必须处于超级用户模式，并设置 CPSR寄存器的 I 和 F 位（禁用 IRQ 和 FIQ）。R0 必须包含 0，R1 是 MACH_TYPE 值，R2 是标记参数列表的地址。

内核工作的第一步是解压缩它。这是独立于架构的。保存从bootloader传递的参数并启用缓存和MMU。在调用arch/arm/boot/compressed/misc.c 中的decompress_kernel() 之前，会检查解压后的图像是否会覆盖压缩后的图像，清除缓存然后再次禁用。然后支到 arch/arm/kernel/head.S 中的内核启动入口点。

Platform-specific actions

首先使用__lookup_processor_type()检查内核类型，该函数返回一个码，指定它在哪个内核上运行。然后使用函数__lookup_machine_type()来查找机器类型。然后定义一组基本的转换表，映射内核代码。然后初始化缓存和MMU并设置其他控制寄存器。数据段被复制到 RAM 并调用start_kernel()。

Kernel start-up code

原则上，启动顺序的其余部分在任何架构上都是相同的，但实际上某些功能仍然依赖于硬件。

• 使用 local_irq_disable() 禁用 IRQ 中断，而 lock_kernel() 用于阻止 FIQ 中断中断内核。它初始化tick control、内存系统和特定于体系结构的子系统，并处理bootloader传递的命令行选项。
• 设置堆栈并初始化 Linux 调度程序。
• 设置各种内存区域并分配页面。
• 设置中断和异常表和处理程序，以及 GIC
• 系统计时器已设置，此时 IRQ 已启用。进行额外的内存系统初始化，然后使用一个名为 BogoMips 的值来校准核心时钟速度。
• 设置内核的内部组件，包括文件系统和初始化进程，然后是创建内核线程的线程守护进程。
• 内核解锁（启用 FIQ）并启动调度程序
• 调用函数 do_basic_setup() 来初始化驱动程序、sysctl、工作队列和网络套接字。此时，执行到用户模式的切换。

内核虚拟内存映射图