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关于嵌入式系统的启动

上一篇 / 下一篇  2010-07-21 22:25:05 / 个人分类:ARM

嵌入式Linux启动分为两个部分,系统引导与Linux启动。系统引导将完成Linux装入内存前,初始化CPU和相关IO设备,并将Linux调入内存的工作。系统引导主要由BootLoader实现。在BootLoaderLinux内核调入内存之后,将权力交给LinuxKernel,进入Linux的启动部分。以下详细分析启动的过程与使用的文件。

一、系统引导与BootLoader
        BootLoader
因嵌入式系统的不同与PC机有很大不同,这里将以Hyper250(Inter Xscale GDPXA250)的启动为例来分析。由于没有BIOS驱动主板,EnbeddedOS必须由bootloader驱动所有的硬件,并完成硬件的初始化工作。
       
所有的初始化文件在hyper250/Bootloader目录下。
       
       
首先分析开机运行的分件:
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/start_xscale.S
       
文件包含两个库文件:
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/include/config.h
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/include/start_xscale.h
       
文件config.h主要完成系统各硬件的宏定义与设定,xscale.h主要完成对系统芯片的及系统操作的设定。

       
以下分析config.h文件:
        (1)
存储总线设备的宏定义:定义Flash的大小、字长等信息,定义SRAM的基址、大小和块大小。
        (2)
动态内存设定:定义DRAM的大小、基址。
        (3)
软件包信息:包名称、版本号。
        (4)
设定BOOT LOADER的位置:在DRAMSRAM的最大值、DRAM装入位置、栈的基址。
        (5)
设定kernel的位置:在DRAMSRAM的基址、KERNEL的最大值、KERNEL中块的数量。
        (6)
设定文件系统的位置:根目录在DRAMSRAM的基址、文件系统的最大值、文件系统中块的数量。
        (7)
设定LOADER程序:LOADER程序的静态内存基址、LOADER程序的最大值、块的数量。
        (8)
网络设定
       
       
以下分析start_xcalse.h文件:
        (1)
定义内存基址(A0000000)
        (2)
定义中断基址(40D00000)和中断保护栈的偏移量
        (3)
定义时钟管理基址(41300000)和寄存器偏移及其初始值
        (4)
定义GPIO接口寄存器基址(40E00000)及各寄存器的偏移
        (5)
定义GPIO接口各寄存器的初始值
        (6)
定义内存控制寄存器基址(48000000)和各寄存器的偏移
        (7)
定义内存控制寄存器的初始值
        (8)
定义电源管理寄存器的参数
        (9)
定义FFUART寄存器的基址(40100000)和各寄存器的偏移
        (10)
定义FFUART各寄存器的初始值
       
       
以下分析start_xcalse.S文件:
        (1)
设定中断基址(40D00000),完成中断保护栈的初始化
        (2)
初始化GPIO接口
        (3)
初始化内存SDRAM
        (4)
BootloaderFlash拷贝到SDRAM
        (5)
装入Linux内核镜像,将内核从Flash(000C 0000)装入SDRAM(A0008000).
        (6)
设定保护栈
        (7)
调用main.c的主函数c_main()       
       
       
以上start_xcalse.S通过APCS的编程标准书写的汇编文件初始化了系统相关的硬件,并且完成了BootLoader的装入内存和Linux内核的装入,最后将权力转交给main.c
       
以下将分析main.c文件:
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/main.c
       
以及两个库文件
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/include/main.h
                hyper250/Bootloader/X-Hyper250R1.1-Boot/src/include/scc.h

#2  

二、Linux启动过程分析

        1.Makefile
分析:
       
在分析arch/arm/boot/compressed目录下的文件的时候,对于Makefile的分析是很重要的,因为内核将在这个目录相产生。这里主要工作是对内核的压缩和解压工作。本目录在编译完成后将产生vmlinuxhead.omisc.ohead-xscale.opiggy.o这几个文件。其中vmlinux没有压缩过的内核。head.o是内核的头部文件,负责初始设置。misc.o将主要负责内核的解压工作,它在head.o之后。head-xscale.o文件主要针对Xscale的初始化,将在链接时与head.o合并。piggy.o是一个中间文件,其实是一个压缩的内核,只不过没有和初始化文件及解压文件链接而已。
       
        2.Decompress
分析:
       
BootLoader完成系统的引导以后并将Linux内核调入内存之后,调用bootLinux(),这个函数将跳转到kernel的起始位置。如果kernel没有压缩,就可以启动了。如果kernel压缩过,则要进行解压,在压缩过的kernel头部有解压程序。压缩过得kernel入口第一个文件源码位置在arch/arm/boot/compressed/head.S。它将调用函数decompress_kernel(),这个函数在文件arch/arm/boot/compressed/misc.c中,decompress_kernel()又调用proc_decomp_setup(),arch_decomp_setup()进行设置,然后使用在打印出信息“Uncompressing Linux...”后,调用gunzip()。将内核放于指定的位置。
       
启动首先运行的文件有:
                arch/arm/boot/compressed/head.S
                arch/arm/boot/compressed/head-xscale.S
                arch/arm/boot/compressed/misc.c
       
这些文件主要用于解压内核和以及启动内核映象。一旦内核启动,则这些文件所占内存空间将被释放。而且,一旦系统通过reset重起,当BootLoader将压缩过的内核放入内存中,首先执行的必然是这些代码。
       
       
以下分析head.S文件:
        (1)
对于各种Arm CPUDEBUG输出设定,通过定义宏来统一操作。
        (2)
设置kernel开始和结束地址,保存architecture ID
        (3)
如果在ARM2以上的CPU中,用的是普通用户模式,则升到超级用户模式,然后关中断。
        (4)
分析LC0结构delta offset,判断是否需要重载内核地址(r0存入偏移量,判断r0是否为零)
       
这里是否需要重载内核地址,我以为主要分析arch/arm/boot/Makefilearch/arm/boot/compressed/Makefilearch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds.in三个文件,主要看vmlinux.lds.in链接文件的主要段的位置,LOAD_ADDR(_load_addr)0xA0008000,而对于TEXT_START(_text_start)的位置只设为0BSS_START(__bss_start)ALIGN(4)。对于这样的结果依赖于,对内核解压的运行方式,也就是说,内核解压前是在内存(RAM)中还是在FLASH上,因为这里,我们的BOOTLOADER将压缩内核(zImage)移到了RAM0xA0008000位置,我们的压缩内核是在内存(RAM)0xA0008000地址开始顺序排列,因此我们的r0获得的偏移量是载入地址(0xA0008000)。接下来的工作是要把内核镜像的相对地址转化为内存的物理地址,即重载内核地址。
        (5)
需要重载内核地址,将r0的偏移量加到BSS regionGOT table中。
        (6)
清空bss堆栈空间r2r3
        (7)
建立C程序运行需要的缓存,并赋于64K的栈空间。
        (8)
这时r2是缓存的结束地址,r4kernel的最后执行地址,r5kernel境象文件的开始地址。检查是否地址有冲突。
               
r5等于r2,使decompress后的kernel地址就在64K的栈之后。
        (9)
调用文件misc.c的函数decompress_kernel(),解压内核于缓存结束的地方(r2地址之后)。此时各寄存器值有如下变化:
                r0
为解压后kernel的大小
                r4
kernel执行时的地址
                r5
为解压后kernel的起始地址
                r6
CPU类型值(processor ID)
                r7
为系统类型值(architecture ID)
        (10)
reloc_start代码拷贝之kernel之后(r5+r0之后),首先清除缓存,而后执行reloc_start
        (11)reloc_start
r5开始的kernel重载于r4地址处。
        (12)
清除cache内容,关闭cache,将r7architecture ID赋于r1,执行r4开始的kernel代码。
       
       
关于head-xscale.S文件,它定义了xcale处理器的64kcache缓存的实现代码和关闭MMU及缓存的代码,这些代码将在链接过程中与head.S的合并。
       
       
关于misc.c文件,它引入了以下几个文件:
                include/linux/kernel.h
                include/asm-arm/arch-pxa/uncompress.h
                include/asm-arm/proc-armv/uncompress.h
                include/asm-arm/uaccess.h
                lib/inflate.c
       
以下分析misc.c文件的decompress_kernel()函数:
        (1)
首先传入参数:解压后内核地址,缓存开始地址,缓存结束地址,arch id。这些参数通过寄存器r0(r5),r1,r2,r3(r7)传入。
        (2)
接着执行proc_decomp_setup(),它在include/asm-arm/proc-armv/uncompress.h文件中。主要刷新并起用i cache,锁住交换缓存,这是一段嵌入的arm汇编代码。
        (3)
接着执行arch_decomp_setup(),它在include/asm-arm/arch-pxa/uncompress.h文件中,是一个空函数,用于扩展。
        (4)
然后执行makecrc(),它在lib/inflate.c中,主要将产生CRC-32 table,进行循环冗余校验。
        (5)
调用gunzip()解压kernel,它也在lib/inflate.c中。
        (6)
返回head.S,解压后kernel的长度传给r0,解压后的内核地址预先在r5中定义了。

#3  

3.kernel
进入文件分析:
       
随后系统将调入文件:arch/arm/kernel/head_armv.Sarch/arm/kernel/head_armo.S。对于armkernel而言,有两套.S文件:_armv.S _armo.S. 选择_armv.S 还是_armo.S 依赖于处理器。ARMversion 1, version 2, 都只支持26位的地址空间。version 3开始支持32位的地址空间,同时还向后兼容26位的地址空间。version 4开始不再向后兼容26位的地址空间。这里由于Hyper250使用的是version7,故只涉及文件head_armv.S

       
head_armv.S是内核的入口点,在内核被解压到预定位置后,它将运行。这里简要说明其主要工作:
        (1)
首先,关中断并进入保护模式,这里将建立虚拟地址到物理地址的映射。(见第二章内存分析)

        (2)
调用lookup_processor_type,查询CUP和其ID是否在.proc.info表中,如果存在,则令r10指向此结构,在CPU的内核入口文件中。如果不是则提示errorp并挂起。关于r10指向的结构,他所属的内核入口文件,以Hyper250为例:arch/arm/mm/proc-xcale.S
       
这里要要注意的是,此处操作的对象是由vmlinux-armv.lds.in链接文件定位的段.proc.info中,这个段定义在proc-xcale.S文件末尾,这里要注意,上面并没有使系统进入保护模式,所以在这里对.proc.info寻址的时候,为了得到相对地址,做了一个相对寻址的变换。这里好象只用了这个结构的前3位:处理器类型值(value),处理器值掩码(mask)MMU标志值(mmuflags)。这3个值在分别放在寄存器r5(0x69052100)r6(0xfffff7f0)r8(0x00000c0e)中,r5r6只是用于和获得的处理器的ID相比较,而r8则有两个可能的值,分别表示MMU的状态:如果MMU开启,即CACHE_WRITE_THROUGH,则r8=0x00000c0a,否则r8=0x00000c0e。这里r8的值将会保持到初始页表时使用。
        r10
此时指向段.proc.info的开始地址。

        (3)
寄存器r1中的系统类型值(unique architecture number),这个系统类型值的定义,并且由bootloader传入。在文件arch/arm/tools/mach-types中:
        machine_is_xxx        CONFIG_xxxx                        MACH_TYPE_xxx                number
        xhyper250R1        ARCH_PXA_XHYPER250R1                PXA_XHYPER250R1                200

        (4)
调用lookup_architecture_type,将以r1的值检查.arch.info表,这是个struct machine_desc由文件arch/arm/mach-pxa/xhyper250R1.c中的MACHINE_START()创建。假如没有此结构则提示errora并挂起。
       
这里要注意的是,段.arch.info的定位在vmlinux-armv.lds.in文件中紧接.proc.info,这个段定义在include/asm-arm/mach/arch.h文件中,使用了宏定义MACHINE_START()。文件首先定义了一个结构体machine_desc,段.arch.info主体部分使用了宏定义MACHINE_START()其中嵌入这个结构体。
       
通常来讲MACHINE_START()的实现应该在文件arch/arm/kernel/arch.c中,而这里hyper250的源码中,MACHINE_START()宏定义在arch/arm/mach-pxa/xhyper250R1.c中完成了定义,下面详细分析这个结构:
        (A)MACHINE_START
        MACHINE_START(_type,_name)
这宏开始处嵌入一个静态结构machine_desc,并且立即声明段.arch.info
        _type
MACH_TYPE(PXA_XHYPER250R1),用以赋值给machine_desc中的nr,这就是系统类型值number(200)
        _name
是描述系统类型的字符串,用以赋值给machine_desc中的namechar*
       
以下几个宏定义均在包含在machine_desc的赋值中,也在段.arch.info中。
        (B)MAINTAINER
        MAINTAINER(n)
,这个n并没有赋值给machine_desc结构,n"Hybus Co,. ltd."字符串,公司名字罢了。
        (C)BOOT_MEM
        BOOT_MEM(_pram,_pio,_vio)
,这里面很关键,又3个变量:
        _pram
,传值给phys_ram:物理内存的开始地址,程序中赋值为:0xa0000000
        _pio
,传值给phys_io:物理io的开始地址,程序中赋值为:0x40000000
        _vio
,传值给io_pg_offstio页表的偏移,程序中赋值为:_vio=0xfc000000,不过要进行转换:((_vio)>>18)&0xfffc=0x3f00
        (D)BOOT_PARAMS
        BOOT_PARAMS(_params)
这个宏定义了启动参数页表的偏移:param_offset,程序中赋值为:0xa0000100       
        (E)FIXUP(
接下来三个宏定义分别是三个函数指针:这些函数都在machine_desc结构中定义并且在xhyper250R1.c中实现。)
        FIXUP(fixup_xhyper250R1)
宏指向fixup_xhyper250R1函数,这个函数有4个参数:
        fixup_xhyper250R1(struct machine_desc *desc, struct param_struct *params, char **cmdline, struct meminfo *mi)       
        struct machine_desc
:这个结构体前面已经提过了。
        param_struct
:这个结构体定义在include/asm/setup.h中,这是一个向kernel传递参数的结构体。
        char **cmdline
:好像用于定义输出窗口行数。
        struct meminfo
:这个结构体定义在include/asm/setup.h中,这是一个对物理内存区间描述的结构体,它将整个地址空间分为8个区间,通常一个区必须是连续的地址并且是同一类型的设备,而用于特殊目的的地址将划分为一个独立的区。首先定义nr_banks:块号,然后是结构体bank[NR_BANKS]NR_BANKS8。结构体bank[NR_BANKS]中有:startsizenode
       
下面分析这个函数fixup_xhyper250R1的工作,
       
首先,调用宏SET_BANK并赋值为SET_BANK(0, 0xa0000000, 64*1024*1024),这个宏定义在arch/arm/mach-pxa/generic.h文件中。SET_BANK主要完成设置结构体meminfobank[_nr]startsizenode。以上为例,则完成了bank[0]区间中的start=0xa0000000size=64*1024*1024=64Mnode=(__start) - PHYS_OFFSET) >> 27=0
       
接着,使minr_banks=1,好象设定了这个结构只有一个区。要注意的是meminfo将在page_init()中用于初始化页面。       
        (F)MAPIO
        MAPIO(xhyper250R1_map_io)
宏指向xhyper250R1_map_io函数,这个函数没有参数,主要用于io地址从虚拟地址到物理地址的映射关系。
       
这个函数调用了pxa_map_io()iotable_init(xhyper250R1_io_desc)
        pxa_map_io()
函数定义在arch/arm/mach-pxa/generic.h文件中,实现在arch/arm/mach-pxa/generic.c中,主要调用了iotable_init()函数来进行io地址的区间映象。iotable_init(struct map_desc *)函数中,参数map_desc结构体定义在文件include/asm-arm/map.h中,主要有:virtualphysicallength和一些标志位:domainreadwritecachebuffer等。iotable_init()函数在文件arch/arm/mm/mm-armv.c中,循环调用create_mapping()来处理map_desc的映射关系。create_mapping函数主要工作就是将io的虚拟地址到物理地址的映射关系按照PAGE_SIZE(4K)的页来进行映射,同时还有段的映射关系。(关于内存的映射将在第2章中详细分析)       
        (G)INITIRQ
        INITIRQ(xhyper250R1_init_irq)
指向了xhyper250R1_init_irq函数,这个函数将主要完成中断的初始化,这里主要调用了函数 pxa_init_irq(),这个函数实

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