Linux 啟動過程流程圖--ARM版

以下是ARM版本Linux啟動過程的超詳細樹狀圖，涵蓋硬件上電到應用程序交互的全流程，并包含關鍵函數調用鏈及源碼位置，適用于系統開發與調試場景：

ARM Linux啟動全流程（含函數調用鏈）

ARM Linux啟動流程（函數級調用鏈）
│
├─── **1. 硬件上電與Boot ROM階段**
│   │
│   ├─── 硬件復位與初始化
│   │   ├─── CPU進入Reset異常向量（ARM異常向量表基址0x0或0xffff0000）
│   │   │   └─── 匯編代碼：arch/arm/kernel/entry-armv.S:reset_handler
│   │   │
│   │   ├─── 關閉Cache和MMU
│   │   │   ├─── 匯編指令：MCR p15,0,r0,c7,c5,0 （ invalidate icache）
│   │   │   └─── 匯編指令：MRC p15,0,r0,c1,c0,0; BIC r0,r0,#1 （ disable MMU）
│   │   │
│   │   └─── 初始化棧空間（SP指針）
│   │       └─── 匯編代碼：設置SVC模式棧，arch/arm/kernel/entry-armv.S
│   │
│   └─── Boot ROM固件（廠商固化，如ARM Trusted Firmware）
│       ├─── 加載Boot Loader到RAM
│       │   ├─── 從啟動設備（eMMC/SD卡）讀取U-Boot鏡像
│       │   └─── 復制鏡像到指定內存地址（如0x80000000）
│       │
│       └─── 跳轉執行Boot Loader
│           └─── 匯編指令：BX BootLoader入口地址
│
├─── **2. 引導加載程序階段（以U-Boot為例）**
│   │
│   ├─── Stage 1：匯編初始化（arch/arm/cpu/armv7/start.S）
│   │   ├─── 異常向量表初始化
│   │   │   └─── 定義Reset、Undefined、IRQ等異常處理入口
│   │   │
│   │   ├─── 內存控制器初始化
│   │   │   ├─── 配置DDR時序：arch/arm/cpu/armv7/mx6/sdram.c:mx6_sdram_initialize
│   │   │   └─── 初始化MMU頁表（臨時）
│   │   │
│   │   ├─── 串口初始化
│   │   │   ├─── 配置UART控制器：drivers/serial/serial.c:serial_initialize
│   │   │   └─── 設置波特率、數據位等參數
│   │   │
│   │   └─── 加載Stage 2到RAM
│   │       ├─── 從Flash/SD卡讀取U-Boot第二階段鏡像
│   │       └─── 跳轉執行：ldr pc, =stage2_entry
│   │
│   ├─── Stage 2：C代碼初始化（lib_arm/board.c:start_armboot）
│   │   ├─── 硬件設備初始化
│   │   │   ├─── 初始化NAND/SD卡：drivers/mtd/nand/nand_base.c:nand_init
│   │   │   ├─── 初始化USB：drivers/usb/usb_main.c:usb_init
│   │   │   └─── 初始化網絡：drivers/net/eth.c:eth_initialize
│   │   │
│   │   ├─── 設備樹解析
│   │   │   ├─── 讀取.dtb文件：drivers/of/fdt.c:fdt_init
│   │   │   └─── 驗證設備樹：drivers/of/fdt.c:fdt_validate
│   │   │
│   │   ├─── 加載Linux內核
│   │   │   ├─── 從存儲設備讀取內核鏡像：common/cmd_load.c:do_load
│   │   │   └─── 解壓縮內核（如zImage）：lib/decompress.c:decompress
│   │   │
│   │   ├─── 傳遞啟動參數
│   │   │   ├─── 構建cmdline：board/arm/yourboard/yourboard.c:setup_args
│   │   │   └─── 設置啟動參數地址：arch/arm/lib/bootm.c:do_bootm_linux
│   │   │
│   │   └─── 跳轉啟動內核
│   │       └─── 匯編調用：arm/linux/bootm.c:bootm_linux
│   │
│   └─── 關鍵函數調用鏈
│       ├─── start_armboot()
│       │   ├─── board_init()
│       │   ├─── device_tree_init()
│       │   ├─── load_kernel_image()
│       │   └─── bootm_linux()
│
├─── **3. 內核初始化階段（kernel_init）**
│   │
│   ├─── 內核解壓縮與架構初始化（arch/arm/kernel/head.S）
│   │   ├─── 解壓縮內核鏡像（如zImage）
│   │   │   └─── 匯編解壓縮代碼：arch/arm/boot/compressed/head.S
│   │   │
│   │   ├─── ARM架構初始化
│   │   │   ├─── 配置頁表：arch/arm/mm/proc-v7.S:create_page_tables
│   │   │   ├─── 啟用MMU：arch/arm/mm/proc-v7.S:enable_mmu
│   │   │   ├─── 初始化GIC中斷控制器：drivers/interrupts/gic.c:gic_init
│   │   │   └─── 多核啟動：arch/arm/kernel/smp.c:smp_init
│   │   │
│   │   └─── 跳轉到C語言入口：start_kernel()
│   │       └─── 定義于init/main.c:start_kernel
│   │
│   ├─── 內核C語言初始化（init/main.c:start_kernel）
│   │   ├─── 調度器初始化：sched_init()
│   │   │   └─── kernel/sched/core.c:sched_init
│   │   │
│   │   ├─── 內存管理初始化：mm_init()
│   │   │   ├─── 伙伴系統初始化：mm/page_alloc.c:page_alloc_init
│   │   │   ├─── slab分配器初始化：mm/slab.c:kmem_cache_init
│   │   │   └─── 高端內存映射：mm/highmem.c:highmem_init
│   │   │
│   │   ├─── 設備模型初始化：device_tree_init()
│   │   │   ├─── 解析設備樹：drivers/of/fdt.c:of_platform_default_populate
│   │   │   ├─── 注冊平臺總線：drivers/base/platform.c:platform_bus_init
│   │   │   └─── 匹配設備與驅動：drivers/base/dd.c:driver_probe_device
│   │   │
│   │   ├─── 驅動子系統初始化：drivers_init()
│   │   │   ├─── 初始化PCI/USB總線：drivers/pci/pci.c:pci_subsystem_init
│   │   │   ├─── 注冊字符設備驅動：drivers/char/char_dev.c:register_chrdev
│   │   │   └─── 初始化塊設備：drivers/block/genhd.c:block_device_init
│   │   │
│   │   ├─── 文件系統初始化：filesystem_init()
│   │   │   ├─── 注冊ext4文件系統：fs/ext4/ext4_init
│   │   │   ├─── 掛載rootfs：fs/namespace.c:mount_root
│   │   │   │   ├─── 解析root=參數：fs/cmdline.c:parse_cmdline
│   │   │   │   └─── 調用具體文件系統mount函數
│   │   │   └─── 初始化tmpfs：fs/tmpfs/inode.c:tmpfs_init
│   │   │
│   │   ├─── 網絡子系統初始化：net_init()
│   │   │   ├─── 初始化TCP/IP協議棧：net/ipv4/af_inet.c:inet_init
│   │   │   ├─── 注冊網絡設備：drivers/net/ethernet/ethernet.c:register_netdevice
│   │   │   └─── 配置DHCP：net/ipv4/dhcpcd.c:dhcpcd_init
│   │   │
│   │   └─── 啟動init進程：kernel_thread(init_post, NULL, CLONE_FS)
│   │       └─── init_post()定義于init/main.c
│   │
│   └─── 設備驅動加載流程（以GPIO驅動為例）
│       ├─── 設備樹匹配：of_device_match_table
│       │   └─── drivers/gpio/gpiolib-of.c:of_gpiochip_add
│       │
│       ├─── 驅動注冊：platform_driver_register()
│       │   └─── drivers/base/platform.c:platform_driver_register
│       │
│       ├─── 設備探測：driver_probe_device()
│       │   └─── drivers/base/dd.c:driver_probe_device
│       │
│       └─── 硬件操作函數：gpio_request(), gpio_set_value()
│           ├─── drivers/gpio/gpiolib.c:gpio_request
│           └─── drivers/gpio/gpiolib.c:gpio_set_value
│
├─── **4. 用戶空間啟動階段（systemd流程）**
│   │
│   ├─── init進程啟動（PID=1，init/main.c:init_post）
│   │   ├─── 解析啟動參數，確定init程序（如/systemd）
│   │   ├─── 掛載系統文件系統：
│   │   │   ├─── mount -t proc proc /proc
│   │   │   ├─── mount -t sysfs sysfs /sys
│   │   │   └─── mount -t devtmpfs devtmpfs /dev
│   │   │
│   │   └─── 執行init程序：do_execve()
│   │       └─── 系統調用：kernel/sys.c:sys_execve
│   │
│   ├─── systemd主流程（src/core/main.c:main）
│   │   ├─── 解析命令行參數：parse_arguments()
│   │   ├─── 初始化日志系統：log_init()
│   │   ├─── 加載單元配置：load_unit_files()
│   │   │   ├─── 解析.target文件：src/core/unit.c:unit_load
│   │   │   └─── 構建依賴圖：src/core/dependency.c:resolve_dependencies
│   │   │
│   │   ├─── 啟動基本系統服務：
│   │   │   ├─── systemd-udevd.service：src/udev/udevd.c:main
│   │   │   ├─── systemd-journald.service：src/journal/journald.c:main
│   │   │   └─── systemd-networkd.service：src/network/networkd.c:main
│   │   │
│   │   ├─── 激活默認目標（如multi-user.target）
│   │   │   ├─── 解析.target依賴：src/core/unit.c:unit_activate
│   │   │   ├─── 并行啟動服務：src/core/job.c:job_execute
│   │   │   └─── 等待服務就緒：src/core/manager.c:manager_wait_for_dependencies
│   │   │
│   │   └─── 啟動登錄服務：
│   │       ├─── getty@.service：src/login/getty.c:main
│   │       └─── lightdm.service（圖形界面）：src/lightdm/lightdm.c:main
│   │
│   └─── 函數調用鏈示例（啟動網絡服務）
│       ├─── systemd_main()
│       │   ├─── manager_load_unit()
│       │   ├─── unit_activate()
│       │   ├─── job_queue()
│       │   └─── exec_service() → 調用networkctl啟動網絡
│
└─── **5. 應用程序與系統交互（函數級）**│├─── 終端交互（Shell命令執行）│   ├─── 用戶輸入命令（如ls）│   │   └─── shell解析：bash/src/eval.c:eval_command│   ││   ├─── 執行程序：fork() + execve()│   │   ├─── fork系統調用：kernel/fork.c:do_fork│   │   └─── execve系統調用：kernel/exec.c:do_execve│   ││   └─── 程序運行：libc函數 → 系統調用│       ├─── printf() → write() → sys_write│       └─── open() → sys_open（定義于arch/arm/kernel/sys_arm.c）│├─── 設備訪問流程（以串口為例）│   ├─── 打開設備：fd = open("/dev/ttyAMA0", O_RDWR)│   │   └─── 系統調用：fs/open.c:do_sys_open│   ││   ├─── 配置參數：ioctl(fd, TCSETS, &termios)│   │   └─── 驅動處理：drivers/tty/serial/8250/8250.c:serial8250_ioctl│   ││   └─── 讀寫數據：read(fd, buf, len) / write(fd, buf, len)│       ├─── 系統調用：fs/read_write.c:vfs_read/vfs_write│       └─── 驅動處理：drivers/tty/serial/8250/8250.c:serial8250_read/serial8250_write│├─── 網絡應用交互（Socket編程）│   ├─── 創建Socket：sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)│   │   └─── 系統調用：net/socket.c:sys_socket│   ││   ├─── 綁定地址：bind(sock, &addr, len)│   │   └─── 系統調用：net/ipv4/af_inet.c:inet_bind│   ││   ├─── 監聽連接：listen(sock, backlog)│   │   └─── 系統調用：net/core/sock.c:sys_listen│   ││   └─── 數據收發：send(sock, data, len, 0) / recv(...)│       ├─── 系統調用：net/core/sock.c:sys_sendto/sys_recvfrom│       └─── 協議處理：net/ipv4/tcp.c:tcp_sendmsg/tcp_recvmsg│└─── 系統調用在內核中的處理（以ARM為例）├─── 用戶態陷入內核：SWI指令或SVC指令（ARMv8）│   └─── 異常向量：arch/arm/kernel/entry-armv.S:svc_entry│├─── 系統調用分發：│   ├─── 解析SWI號：arch/arm/kernel/call-sysv.S:sys_call│   └─── 查找系統調用表：arch/arm/kernel/sys_arm.c:sys_call_table│└─── 具體系統調用處理：├─── 如sys_open：fs/open.c:do_sys_open└─── 如sys_write：fs/read_write.c:sys_write

關鍵技術點與源碼映射

1. ARM啟動階段的函數調用核心
  • 異常向量處理：ARMv7的Reset異常處理在arch/arm/kernel/entry-armv.S中，通過reset_handler函數完成底層初始化。
  • U-Boot Stage1：匯編代碼位于arch/arm/cpu/armv7/start.S，核心函數start_armboot是Stage2的入口。
  • 內核架構初始化：arch/arm/kernel/head.S中的__create_page_tables和__enable_mmu是MMU啟用的關鍵函數。
2. 設備驅動加載的函數鏈
  • 設備樹解析：drivers/of/fdt.c中的of_platform_default_populate會遍歷設備樹節點，為每個節點匹配驅動。
  • 驅動注冊與探測：platform_driver_register注冊驅動時，會調用driver_probe_device，該函數會觸發驅動的probe函數（如gpiochip_probe）。
3. systemd啟動的關鍵函數
  • 單元加載：src/core/unit.c中的unit_load負責解析.service和.target文件，構建依賴關系。
  • 并行啟動：src/core/job.c中的job_execute實現服務的并行啟動，通過fork()和exec()執行具體服務程序。
4. 系統調用在ARM上的實現
  • 異常機制：ARM通過SWI（ARMv7）或SVC（ARMv8）指令從用戶態陷入內核，異常處理入口在arch/arm/kernel/entry-armv.S。
  • 調用表映射：系統調用號通過arch/arm/kernel/sys_arm.c中的sys_call_table映射到具體處理函數，如sys_open對應do_sys_open。

典型ARM平臺啟動差異（函數級）

平臺關鍵函數差異
樹莓派（RPi）額外固件層函數：bootcode.bin調用start.elf中的initialize_platform()，再加載U-Boot。
ARM64（AArch64）啟動流程使用arch/arm64/kernel/head.S，MMU配置函數為__enable_mmu，支持4級頁表。
嵌入式設備可能自定義啟動函數，如直接從NOR Flash加載內核，使用load_elf_image()替代U-Boot的do_bootm。

通過以上樹狀圖，可清晰看到從硬件上電到應用程序的每一層函數調用關系，尤其適合系統開發人員調試啟動問題、優化啟動時間或開發定制化啟動流程。如需進一步分析某模塊的函數調用細節（如GIC中斷初始化、USB驅動探測流程），可提供具體方向進行深入展開。

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