1、Linux系統(tǒng)啟動與U-Boot

所謂移植就是把程序代碼從一種運行環(huán)境轉(zhuǎn)移到另一種運行環(huán)境。對于內(nèi)核移植來說，主要是從一種硬件平臺轉(zhuǎn)移到另一種硬件平臺上運行。

體系結(jié)構(gòu)級別的移植是指在不同體系結(jié)構(gòu)平臺上Linux內(nèi)核的移植，例如，在ARM、MIPS、PPC等不同體系結(jié)構(gòu)上分別都要對每個體系結(jié)構(gòu)進行特定的移植工作。一個新的體系結(jié)構(gòu)出現(xiàn)就需要進行這個層次上的移植。

SoC級別的移植是指在具體的SoC處理器平臺上Linux內(nèi)核的移植，例如，ARM i.MX6Dual處理器要進行SoC特定的移植工作，主要包括處理器相關(guān)的內(nèi)核修改、集成外設(shè)驅(qū)動。

主板級別的移植是指在具體的目標(biāo)主板上Linux內(nèi)核的移植，例如，在i.MX6DualFS2410目標(biāo)板上，需要進行主板特定的移植工作，主要包括特定目標(biāo)板系統(tǒng)啟動與主板擴展外設(shè)相關(guān)的外設(shè)驅(qū)動等。

基于同一款處理器的不同嵌入式設(shè)備并不是所有的外部設(shè)備都相同，不同的開發(fā)板可以使用不同的SDRAM、Flash、以太網(wǎng)接口芯片等。這就需要根據(jù)硬件修改或者開發(fā)驅(qū)動程序。

一個最基本的Linux操作系統(tǒng)應(yīng)該包括：引導(dǎo)程序、內(nèi)核與根文件系統(tǒng)三部分。因此，需要移植一個Linux系統(tǒng)的話，那么需要以下4個步驟：

搭建交叉開發(fā)環(huán)境；

BootLoader的選擇和移植；

kernel的配置、編譯、和移植；

根文件系統(tǒng)的制作。

（1）BootLoader簡介

引導(dǎo)加載程序（Boot Loader）就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

如下圖所示：

為什么系統(tǒng)移植之前要先移植BootLoader？

BootLoader的任務(wù)是引導(dǎo)操作系統(tǒng)，所謂初始化CPU運行環(huán)境，引導(dǎo)操作系統(tǒng)。就是啟動內(nèi)核，讓內(nèi)核運行就是把內(nèi)核加載到內(nèi)存RAM中去運行。

是誰把CPU運行環(huán)境初始化的？

是誰把內(nèi)核搬到內(nèi)存中去運行？

SRAM只要系統(tǒng)上電就可以運行，而SDRAM需要軟件進行初始化才能運行，那么內(nèi)存是由誰來初始化的呢？

（2）Bootloader的執(zhí)行過程

uboot 啟動流程詳細分析

初始化SDRAM；

初始化串口；

檢測處理器類型；

設(shè)置Linux啟動參數(shù)；

調(diào)用Linux內(nèi)核映像。

（3）BootLoader的分類

很多人說BootLoader就是U-Boot，這種說法是錯誤的，確切來說是U-Boot是BootLoader的一種。u-boot和bootloader到底有什么區(qū)別。

如下圖所示。

可以知道如果使用開發(fā)板board/，就先執(zhí)行“make _config”命令進行配置，然后執(zhí)行“make all”, 就可以生成如下3個文件：

u-boot.bin:二進制可執(zhí)行文件，它就是可以直接燒入eMMC中的文件。

u-boot: ELF格式的可執(zhí)行文件。

u-boot.srec: 原摩托羅拉格式的可執(zhí)行文件。

對于imx6dlsabresd開發(fā)板，可以根據(jù)開發(fā)板的型號選擇執(zhí)行“make imx6dlsabresd_defconfig”、“make"進行編譯。

編譯后生成的u-boot.imx鏡像可以燒入SD卡中執(zhí)行，具體命令如下：

sudo dd if=u-boot.imx of=/dev/sdb bs=512 seek=2

（4）u-boot配置過程

在配置之前，為了使編譯后的u-boot在開發(fā)板上運行，首先需要安裝交叉編譯鏈。并使用如下命令配置環(huán)境變量：

source /opt/fsl-imx-fb/4.14-sumo/environment-setup-cortexa9hf-neon-poky- linux-gnueabi

u-boot啟動流程分析如下

第一階段：（注明下每個步驟的作用）

a -- 設(shè)置cpu工作模式為SVC模式。需要SVC權(quán)限對CPU的狀態(tài)寄存器進行操作 b -- 關(guān)閉中斷，mmu,，cache。需要直接物理地址訪問 v -- 關(guān)看門狗 d -- 初始化內(nèi)存，串口。用于初始化基本的存儲空間與通信接口，用于啟動信息交互 e -- 設(shè)置棧。用于系統(tǒng)啟動臨時數(shù)據(jù)交換和初始化棧指針 f -- 代碼自搬移。用于拷貝系統(tǒng)啟動代碼 g -- 清bss

h -- 跳c

第二階段：

a -- 初始化外設(shè)，進入超循環(huán)

b -- 超循環(huán)處理用戶命令

函數(shù)前期執(zhí)行流程如下：

1）_start（arch/arm/lib/vector.S）
b reset 2）reset（arch/arm/cpu/$CPU/start.S）

bl cpu_init_cp15
bl cpu_init_crit
bl _main

3）_main（archarmlibcrt0.S）

board_init_f(commonBoard_f.c）
b relocate_code
ldr lr, =board_init_r（common/Board_r.c）

4）main_loop（）

5）啟動內(nèi)核：

main_loop->autoboot_command->run_command_list->cli_simple_run_ command_list->cli_simple_run_command->cmd_process->find_cmd/cmd_call(result=(cmdtp->cmd)(cmdtp, flag, argc, argv))

uboot的最終目的是引導(dǎo)內(nèi)核，在此之前uboot需要完成一系列初始化操作，包括設(shè)置時鐘、初始化DDR、Flash、串口、網(wǎng)卡等等。

這時uboot有兩條路走

（1）通過按鍵，觸發(fā)uboot進入命令行模式，等待處理命令。

（2）引導(dǎo)內(nèi)核

2、Linux系統(tǒng)裁剪與移植

內(nèi)核編譯相關(guān)文件主要包括頂層Makefile與子目錄下的Makefile、各級目錄Kconfig文件。

a--在內(nèi)核配置之前先使用make mrproper命令清除以前的內(nèi)核。

b--詳細配置make menuconfig

c--編譯

make zImage ---生成內(nèi)核鏡像/arch/arm/boot/zImage

make dtbs ---生成設(shè)備樹文件/arch/arm/boot/dts/imx6dl-sabresd.dtb

make modules ---把配置值選成M的代碼編譯生成模塊文件。（.ko)放在對應(yīng)的源碼目錄下。

可以看出，內(nèi)核編譯主要包括兩部分：一部分是內(nèi)核配置；另一部分是內(nèi)核編譯。如下圖所示。

內(nèi)核的Kconfig分析：

a -- 我們解壓內(nèi)核后需要先修改內(nèi)核頂層目錄下的Makefile,配置好交叉編譯工具

b -- 然后導(dǎo)入默認配置（使用make imx_v7_defconfig 或者

cparch/arm/configs/imx_v7_deconfig.config）

c -- 配置內(nèi)核

如下圖所示。

內(nèi)核中的哪些文件將被編譯？它們是怎樣被編譯的？它們連接時的順序如何確定？哪個文件在最前面？哪些文件或函數(shù)先執(zhí)行？這些都是通過Makefile來管理的。

從最簡單的角度來總結(jié)Makefile的作用，有以下3點：

1）-- 決定編譯哪些文件？

2）-- 怎樣編譯這些文件？

3）-- 怎樣連接這些文件，最重要的是它們的順序如何？

1）頂層Makefile 決定內(nèi)核根目錄下哪些子目錄將被編進內(nèi)核；

2）arch/$(ARCH)/Makefile 決定arch/$(ARCH)目錄下哪些文件、哪些目錄將被編進內(nèi)核；

3）各級子目錄下的Makefile決定所在目錄下哪些文件將被編進內(nèi)核，哪些文件將被編程模塊（即驅(qū)動程序），進入哪些子目錄繼續(xù)調(diào)用它們的Makefile。

與移植U-Boot的過程相似，在移植Linux之前，先了解它的啟動過程。

Linux 的過程可以分為兩部分：架構(gòu)/開發(fā)板相關(guān)的引導(dǎo)過程、后續(xù)的通用啟動過程。對于uImage、zImage ，它們首先進行自解壓得到vmlinux ，然后執(zhí)行 vmlinux 開始“正常的”啟動流程。

引導(dǎo)階段通常使用匯編語言編寫，它首先檢查內(nèi)核是否支持當(dāng)前架構(gòu)的處理器，然后檢查是否支持當(dāng)前開發(fā)板。

通過檢查后，就為調(diào)用下一階段的start_kernel函數(shù)作準(zhǔn)備了。

這主要分如下兩個步驟：

1） 連接內(nèi)核時使用的虛擬地址，所以要設(shè)置頁表、使能MMU；

2）調(diào)用C 函數(shù) start_kernel 之前的常規(guī)工作，包括復(fù)制數(shù)據(jù)段、清除BSS段、調(diào)用start_kernel 函數(shù)。

第二階段的關(guān)鍵代碼主要使用C語言編寫。

它進行內(nèi)核初始化的全部工作，最后調(diào)用 rest_init 函數(shù)啟動init 過程，創(chuàng)建系統(tǒng)第一個進程：init 進程。在第二階段，仍有部分架構(gòu)/開發(fā)板相關(guān)的代碼，比如重新設(shè)置頁表、設(shè)置系統(tǒng)時鐘、初始化串口等。

內(nèi)核自解壓階段：

Linux內(nèi)核有兩種映像：一種是非壓縮內(nèi)核，叫Image，另一種是它的壓縮版本，叫zImage。根據(jù)內(nèi)核映像的不同，Linux內(nèi)核的啟動在開始階段也有所不同。

zImage是Image經(jīng)過壓縮形成的，所以它的大小比Image小。但為了能使用zImage，必須在它的開頭加上解壓縮的代碼，將zImage解壓縮之后才能執(zhí)行，因此它的執(zhí)行速度比Image要慢。

但考慮到嵌入式系統(tǒng)的存儲空容量一般比較小，采用zImage可以占用較少的存儲空間，因此犧牲一點性能上的代價也是值得的。所以一般的嵌入式系統(tǒng)均采用壓縮內(nèi)核的方式。

內(nèi)核自解壓階段依次完成以下工作：開啟MMU和Cache，調(diào)用decompress_kernel()解壓內(nèi)核，最后通過調(diào)用call_kernel()進入非壓縮內(nèi)核Image的啟動。

內(nèi)核引導(dǎo)階段：

內(nèi)核引導(dǎo)階段是內(nèi)核啟動第一階段，該部分代碼實現(xiàn)在arch/arm/kernel的 head.S中，該文件中的匯編代碼通過查找處理器內(nèi)核類型和機器碼類型調(diào)用相應(yīng)的初始化函數(shù)，再建 立頁表，最后跳轉(zhuǎn)到start_kernel()函數(shù)開始內(nèi)核的初始化工作。如下圖所示：

內(nèi)核初始化階段：

Linux內(nèi)核啟動的第二階段從start_kernel()函數(shù)開始。start_kernel()是所有Linux平臺進入系統(tǒng)內(nèi)核初始化后的入口函數(shù)，它主要完成剩余的與硬件平臺相關(guān)的初始化工作，在進行一系列與內(nèi)核相關(guān)的初始化后，調(diào)用第一個用戶進程-init進程并等待用戶進程的執(zhí)行，這樣整個Linux內(nèi)核便啟動完畢。

BusyBox初始化階段：

除了基本的命令之外，BusyBox還支持init功能，如同其它的init一樣，busybox的init也是完成系統(tǒng)的初始化工作，關(guān)機前的工作等等。

BusyBox的init進程會依次進行以下工作：

為init設(shè)置信號處理過程；

初始化控制臺；

分析 inittab文件，/etc/inittab；

執(zhí)行系統(tǒng)初始化腳本，缺省情況下會使用/etc/init.d/rcS；

執(zhí)行所有導(dǎo)致init暫停的inittab命令（動作類型：wait）；

執(zhí)行所有僅執(zhí)行一次的inittab（動作類型：once）。

3、Linux根文件系統(tǒng)移植

（1）文件系統(tǒng)與根文件系統(tǒng)

根，可以理解為基礎(chǔ)的意思。根文件系統(tǒng)是一種最基礎(chǔ)的文件系統(tǒng)。

Linux系統(tǒng)也可以將磁盤或Flash等存儲設(shè)備劃分為若干個分區(qū)，在不同的分區(qū)存放不同類型的文件，在某個分區(qū)存放u-boot的可執(zhí)行文件；在某個分區(qū)存放內(nèi)核映像文件，在另一分區(qū)存放根文件系統(tǒng)映像文件等。

Linux也需要在一個分區(qū)上存放系統(tǒng)啟動的必要文件，比如內(nèi)核啟動運行后的第一個程序（init進程）、用于掛接文件系統(tǒng)的腳本、給用戶提供操作界面的shell程序，應(yīng)用程序所要依賴的庫等，這些必要的基本文件的集合稱為根文件系統(tǒng)（一般也叫做rootfs）。

Linux系統(tǒng)啟動后首先會掛載這個分區(qū)，這稱為掛載（mount）根文件系統(tǒng)。其他分區(qū)上的所有目錄、文件的集合，稱為文件系統(tǒng)。

為什么需要根文件系統(tǒng)？

1）init進程的應(yīng)用程序在根文件系統(tǒng)上；

2）根文件系統(tǒng)提供了根目錄/；

3）內(nèi)核啟動后的應(yīng)用層配置(etc目錄)在根文件系統(tǒng)上?？梢哉J為：發(fā)行版=內(nèi)核+rootfs。

4）shell命令程序在根文件系統(tǒng)上。譬如ls、cd等命令。

因此，一套Linux體系，只有內(nèi)核本身是不能工作的，必須要rootfs（上的etc目錄下的配置文件、/bin與/sbin等目錄下的shell命令，還有/lib目錄下的庫文件等）相配合才能工作。

（2）根文件系統(tǒng)概述

Linux中的根文件系統(tǒng)更像是一個文件夾或者叫做目錄(特殊的文件夾)，在這個目錄里面會有很多的子目錄。

根目錄下和子目錄中會有很多的文件，這些文件是Linux運行所必須的，比如庫、常用的軟件和命令、設(shè)備文件、配置文件等等。

根文件系統(tǒng)和Linux內(nèi)核是分開的，單獨的Linux內(nèi)核是沒法正常工作的，必須要搭配根文件系統(tǒng)。

（3）根文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

Linux的根文件系統(tǒng)是采用級層式的樹狀目錄結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中的最上層是根目錄“/”，然后在此目錄下再創(chuàng)建其他的目錄。樹的根結(jié)點為根目錄root。

其中：

1）/root 系統(tǒng)管理員的主目錄

2）/bin 存放二進制可執(zhí)行命令的目錄

3）/boot 存放的是啟動Linux時使用的一些核心文件，包括一些連接文件以及鏡像文件。

4）/dev 存放設(shè)備文件的目錄

5）/etc 存放系統(tǒng)管理和配置文件的目錄

6）/home 用戶主目錄

7）/lib 存放動態(tài)鏈接共享庫的目錄

8）/sbin存放系統(tǒng)管理員使用的管理程序的目錄

9）/mnt 系統(tǒng)提供這個目錄是讓用戶臨時掛載其他的文件系統(tǒng)

10）/proc 虛擬文件系統(tǒng)

11）/usr 最龐大的目錄

12）/var某些大文件的溢出區(qū)

13）/tmp 公用的臨時文件存儲點

一般我們在Linux驅(qū)動開發(fā)的時候都是通過nfs掛載根文件系統(tǒng)的，當(dāng)產(chǎn)品最終上市開賣的時候才會將根文件系統(tǒng)燒寫到EMMC或者NAND中。

1）修改Makefile，添加編譯器；

2）配置busybox ；

3）編譯busybox ；

4）向根文件系統(tǒng)添加lib庫（完成基本根文件系統(tǒng)）；

5）創(chuàng)建其他文件夾；

6）完善根文件系統(tǒng)。

Linux系統(tǒng)掛載完根文件系統(tǒng)之后，就會執(zhí)行init程序，創(chuàng)建init進程。執(zhí)行過程大概如下圖所示。

審核編輯：劉清