嵌入式Linux移植與系統(tǒng)啟動(dòng)解讀

1、Linux系統(tǒng)啟動(dòng)與U-Boot

所謂移植就是把程序代碼從一種運(yùn)行環(huán)境轉(zhuǎn)移到另一種運(yùn)行環(huán)境。對(duì)于內(nèi)核移植來(lái)說(shuō)，主要是從一種硬件平臺(tái)轉(zhuǎn)移到另一種硬件平臺(tái)上運(yùn)行。

體系結(jié)構(gòu)級(jí)別的移植是指在不同體系結(jié)構(gòu)平臺(tái)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(duì)每個(gè)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行特定的移植工作。一個(gè)新的體系結(jié)構(gòu)出現(xiàn)就需要進(jìn)行這個(gè)層次上的移植。

SoC級(jí)別的移植是指在具體的SoC處理器平臺(tái)上Linux內(nèi)核的移植，例如，ARM i.MX6Dual處理器要進(jìn)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(dòng)。

主板級(jí)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(jìn)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(dòng)與主板擴(kuò)展外設(shè)相關(guān)的外設(shè)驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。

一個(gè)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(gè)Linux系統(tǒng)的話(huà)，那么需要以下4個(gè)步驟：

搭建交叉開(kāi)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(jiǎn)介

引導(dǎo)加載程序（Boot Loader）就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過(guò)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(gè)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(yùn)行環(huán)境，引導(dǎo)操作系統(tǒng)。就是啟動(dòng)內(nèi)核，讓內(nèi)核運(yùn)行就是把內(nèi)核加載到內(nèi)存RAM中去運(yùn)行。

是誰(shuí)把CPU運(yùn)行環(huán)境初始化的？

是誰(shuí)把內(nèi)核搬到內(nèi)存中去運(yùn)行？

SRAM只要系統(tǒng)上電就可以運(yùn)行，而SDRAM需要軟件進(jìn)行初始化才能運(yùn)行，那么內(nèi)存是由誰(shuí)來(lái)初始化的呢？

（2）Bootloader的執(zhí)行過(guò)程

uboot 啟動(dòng)流程詳細(xì)分析

初始化SDRAM；

初始化串口；

檢測(cè)處理器類(lèi)型；

設(shè)置Linux啟動(dòng)參數(shù)；

調(diào)用Linux內(nèi)核映像。

（3）BootLoader的分類(lèi)

很多人說(shuō)BootLoader就是U-Boot，這種說(shuō)法是錯(cuò)誤的，確切來(lái)說(shuō)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(kāi)發(fā)板board/，就先執(zhí)行“make _config”命令進(jìn)行配置，然后執(zhí)行“make all”, 就可以生成如下3個(gè)文件：

u-boot.bin:二進(jìn)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(duì)于imx6dlsabresd開(kāi)發(fā)板，可以根據(jù)開(kāi)發(fā)板的型號(hào)選擇執(zhí)行“make imx6dlsabresd_defconfig”、“make"進(jìn)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(guò)程

在配置之前，為了使編譯后的u-boot在開(kāi)發(fā)板上運(yùn)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(dòng)流程分析如下

第一階段：（注明下每個(gè)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(duì)CPU的狀態(tài)寄存器進(jìn)行操作 b -- 關(guān)閉中斷，mmu,，cache。需要直接物理地址訪(fǎng)問(wèn) v -- 關(guān)看門(mén)狗 d -- 初始化內(nèi)存，串口。用于初始化基本的存儲(chǔ)空間與通信接口，用于啟動(dòng)信息交互 e -- 設(shè)置棧。用于系統(tǒng)啟動(dòng)臨時(shí)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(dòng)代碼 g -- 清bss

h -- 跳c

第二階段：

a -- 初始化外設(shè)，進(jìn)入超循環(huán)

b -- 超循環(huán)處理用戶(hù)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(dòng)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(shí)鐘、初始化DDR、Flash、串口、網(wǎng)卡等等。

這時(shí)uboot有兩條路走

（1）通過(guò)按鍵，觸發(fā)uboot進(jìn)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(jí)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(xì)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(shù)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(duì)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(rèn)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(shí)的順序如何確定？哪個(gè)文件在最前面？哪些文件或函數(shù)先執(zhí)行？這些都是通過(guò)Makefile來(lái)管理的。

從最簡(jiǎn)單的角度來(lái)總結(jié)Makefile的作用，有以下3點(diǎn)：

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(jìn)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(jìn)內(nèi)核；

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

與移植U-Boot的過(guò)程相似，在移植Linux之前，先了解它的啟動(dòng)過(guò)程。

Linux 的過(guò)程可以分為兩部分：架構(gòu)/開(kāi)發(fā)板相關(guān)的引導(dǎo)過(guò)程、后續(xù)的通用啟動(dòng)過(guò)程。對(duì)于uImage、zImage ，它們首先進(jìn)行自解壓得到vmlinux ，然后執(zhí)行 vmlinux 開(kāi)始“正常的”啟動(dòng)流程。

引導(dǎo)階段通常使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，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(kāi)發(fā)板。

通過(guò)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(gè)步驟：

1） 連接內(nèi)核時(shí)使用的虛擬地址，所以要設(shè)置頁(yè)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(yǔ)言編寫(xiě)。

它進(jìn)行內(nèi)核初始化的全部工作，最后調(diào)用 rest_init 函數(shù)啟動(dòng)init 過(guò)程，創(chuàng)建系統(tǒng)第一個(gè)進(jìn)程：init 進(jìn)程。在第二階段，仍有部分架構(gòu)/開(kāi)發(fā)板相關(guān)的代碼，比如重新設(shè)置頁(yè)表、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)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(dòng)在開(kāi)始階段也有所不同。

zImage是Image經(jīng)過(guò)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(kāi)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(chǔ)空容量一般比較小，采用zImage可以占用較少的存儲(chǔ)空間，因此犧牲一點(diǎn)性能上的代價(jià)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(kāi)啟MMU和Cache，調(diào)用decompress_kernel()解壓內(nèi)核，最后通過(guò)調(diào)用call_kernel()進(jìn)入非壓縮內(nèi)核Image的啟動(dòng)。

內(nèi)核引導(dǎo)階段：

內(nèi)核引導(dǎo)階段是內(nèi)核啟動(dòng)第一階段，該部分代碼實(shí)現(xiàn)在arch/arm/kernel的 head.S中，該文件中的匯編代碼通過(guò)查找處理器內(nèi)核類(lèi)型和機(jī)器碼類(lèi)型調(diào)用相應(yīng)的初始化函數(shù)，再建 立頁(yè)表，最后跳轉(zhuǎn)到start_kernel()函數(shù)開(kāi)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(dòng)的第二階段從start_kernel()函數(shù)開(kāi)始。start_kernel()是所有Linux平臺(tái)進(jìn)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(tái)相關(guān)的初始化工作，在進(jìn)行一系列與內(nèi)核相關(guān)的初始化后，調(diào)用第一個(gè)用戶(hù)進(jìn)程-init進(jìn)程并等待用戶(hù)進(jìn)程的執(zhí)行，這樣整個(gè)Linux內(nèi)核便啟動(dòng)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(jī)前的工作等等。

BusyBox的init進(jìn)程會(huì)依次進(jìn)行以下工作：

為init設(shè)置信號(hào)處理過(guò)程；

初始化控制臺(tái)；

分析 inittab文件，/etc/inittab；

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

執(zhí)行所有導(dǎo)致init暫停的inittab命令（動(dòng)作類(lèi)型：wait）；

執(zhí)行所有僅執(zhí)行一次的inittab（動(dòng)作類(lèi)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(pán)或Flash等存儲(chǔ)設(shè)備劃分為若干個(gè)分區(qū)，在不同的分區(qū)存放不同類(lèi)型的文件，在某個(gè)分區(qū)存放u-boot的可執(zhí)行文件；在某個(gè)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(gè)分區(qū)上存放系統(tǒng)啟動(dòng)的必要文件，比如內(nèi)核啟動(dòng)運(yùn)行后的第一個(gè)程序（init進(jìn)程）、用于掛接文件系統(tǒng)的腳本、給用戶(hù)提供操作界面的shell程序，應(yīng)用程序所要依賴(lài)的庫(kù)等，這些必要的基本文件的集合稱(chēng)為根文件系統(tǒng)（一般也叫做rootfs）。

Linux系統(tǒng)啟動(dòng)后首先會(huì)掛載這個(gè)分區(qū)，這稱(chēng)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(chēng)為文件系統(tǒng)。

為什么需要根文件系統(tǒng)？

1）init進(jìn)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(dòng)后的應(yīng)用層配置(etc目錄)在根文件系統(tǒng)上?？梢哉J(rèn)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(kù)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(gè)文件夾或者叫做目錄(特殊的文件夾)，在這個(gè)目錄里面會(huì)有很多的子目錄。

根目錄下和子目錄中會(huì)有很多的文件，這些文件是Linux運(yùn)行所必須的，比如庫(kù)、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(kāi)的，單獨(dú)的Linux內(nèi)核是沒(méi)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(jí)層式的樹(shù)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(shù)的根結(jié)點(diǎn)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(jìn)制可執(zhí)行命令的目錄

3）/boot 存放的是啟動(dòng)Linux時(shí)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(hù)主目錄

7）/lib 存放動(dòng)態(tài)鏈接共享庫(kù)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(gè)目錄是讓用戶(hù)臨時(shí)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(shí)文件存儲(chǔ)點(diǎn)

一般我們?cè)贚inux驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的時(shí)候都是通過(guò)nfs掛載根文件系統(tǒng)的，當(dāng)產(chǎn)品最終上市開(kāi)賣(mài)的時(shí)候才會(huì)將根文件系統(tǒng)燒寫(xiě)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(kù)（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(huì)執(zhí)行init程序，創(chuàng)建init進(jìn)程。執(zhí)行過(guò)程大概如下圖所示。

審核編輯：劉清