一、什么是Bootloader？

Bootloader（引導加載程序），是一段特殊的“小程序”，它運行在 系統剛上電時，主要目的是：

• 初始化硬件環境（如：內存、時鐘、中斷、串口等）
• 然后將 Linux內核從 flash（NAND, NOR FLASH,SD,MMC等）拷貝到SDRAM中，最后啟動Linux內核

通俗一點講，Bootloader 就像電腦中的 BIOS —— 當你按下電源開關，它最先啟動，完成最基礎的硬件檢測后，才將控制權交給操作系統（比如 Windows 或 Linux）。

📌 舉個例子：

項目	PC系統	嵌入式Linux系統
初始程序	BIOS	Bootloader
操作系統	Windows	Linux
存儲介質	硬盤	Flash / SD卡等

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二、U-Boot 是什么？

U-Boot（全稱為 Universal Bootloader）是一種 開源、通用的Bootloader，支持多種架構（ARM、MIPS、x86等），被廣泛應用于嵌入式Linux開發中。

它的主要任務：

• 初始化硬件資源（如內存、串口、存儲器等）
• 加載Linux內核到內存中
• 傳遞啟動參數給內核
• 啟動Linux內核

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三、U-Boot啟動過程：分為兩個階段

🔹 第一階段（匯編階段）

此階段主要用 匯編代碼編寫，功能包括：

1. 初始化時鐘系統
2. 關閉看門狗（防止系統誤復位）
3. 關閉中斷
4. 啟動指令Cache（ICache）
5. 關閉數據Cache與TLB
6. 關閉MMU
7. 初始化SDRAM（用于加載后續程序）
8. 初始化NAND Flash
9. 代碼重定位（將U-Boot代碼搬運至SDRAM中運行）

💡 注意：這部分代碼位置受限（通常在片內RAM或FLASH運行），所以通常要寫得很精煉。

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🔹 第二階段（C語言階段）

這部分用 C語言編寫，主要功能是：

1. 初始化串口（便于調試）
2. 打印啟動信息
3. 檢測內存映射情況
4. 從存儲介質讀取Linux內核鏡像和根文件系統（initrd）將內核映象和根文件系統映象從 Flash上讀到SDRAM空間中
5. 設置內核啟動參數
6. 跳轉到Linux內核執行入口

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四、U-Boot是怎么啟動Linux內核的？

當U-Boot完成自身工作后，就會把控制權交給Linux內核。那么，怎么跳轉呢？

👉 本質就是：修改PC寄存器的值為內核所在地址

這樣CPU下一條執行指令就來自Linux內核，開始正式啟動！

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五、U-Boot與Linux之間的參數傳遞機制

這部分是面試常考，請務必掌握！

在跳轉到內核之前，U-Boot 會設置好三個寄存器：

寄存器	含義	示例說明
R0	保持為0	固定寫0即可
R1	機器ID（開發板型號）	如友善之臂開發板是199，見mach-types.h
R2	參數的地址（tag結構體）	tag鏈表，里面保存了內存大小、命令行、根文件系統等

📌 這些參數是內核“啟動時所需的環境信息”，如果不給內核傳遞參數，它無法知道設備的具體配置！

1. R0寄存器：設置為0，通常用于標識內核啟動時的參數。
2. R1寄存器：傳遞給內核一個“機器ID”。這是一個唯一標識當前硬件平臺的ID，每個開發板或CPU都會有一個唯一的ID。內核會根據該ID來判斷是否支持當前硬件平臺。
3. R2寄存器：存儲一個指向參數列表的指針，該列表包含了內核啟動時需要的所有環境信息（例如內存大小、內存地址、文件系統等）。

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💡 什么是 tag（啟動參數）？

tag 是一組結構體，存放了啟動參數，形式如下：

struct tag {struct tag_header {uint32_t size;   // tag大小（單位：4字節）uint32_t tag;    // tag類型（如ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE等）} hdr;union {struct tag_mem32 mem;struct tag_cmdline cmdline;// 其他類型參數...} u;
};

📌 常見的tag有：

• ATAG_CORE：表示起始
• ATAG_MEM：內存起始地址與大小
• ATAG_CMDLINE：命令行參數（如根文件系統路徑）
• ATAG_NONE：表示結束

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六、為什么U-Boot要關閉 Cache 和 MMU？

• 上電后RAM未初始化前，Cache 不能正常工作。
• 如果數據 Cache 開啟了，會導致從未初始化的Cache中讀取錯誤數據，程序可能崩潰！
• 所以：必須關閉MMU和Data Cache，指令Cache可以開也可以不開。

七.為什么要給內核傳遞參數？

在啟動Linux內核之前，U-Boot完成了對硬件的基本初始化。此時，U-Boot已經“適應”了當前的開發板，但Linux內核并不一定能直接支持所有開發板。因為每個開發板的硬件配置都可能有所不同，例如不同的CPU型號、內存配置、外設接口等。而內核本身并不是為每個具體的開發板都做了硬件適配的，因此，內核在啟動時需要了解當前開發板的硬件環境。為此，U-Boot需要將這些硬件信息傳遞給內核，以幫助內核做相應的配置和適配。

為什么要傳遞這些參數？

1. 硬件適配：Linux內核需要了解當前硬件平臺的配置（例如內存大小、CPU架構、設備樹等）才能正確配置和初始化硬件資源。如果沒有這些信息，內核就無法正確識別或初始化硬件設備。
2. 啟動過程的靈活性：開發板通常會有不同的硬件平臺，U-Boot的作用就是提供一個通用的引導機制，而通過參數傳遞，U-Boot使得內核在加載后可以根據傳遞的參數調整自身的行為和配置。
3. 內核啟動時的配置：內核需要根據不同的硬件環境來調整內存、CPU等硬件的使用模式。例如，在某些開發板上可能需要配置特定的硬件接口，或者根據內存的大小調整內核的行為。通過參數傳遞，內核能夠靈活地進行這些調整。

八、系統啟動完整流程回顧

下面是系統上電到進入Linux系統的完整流程圖：

[ 上電/復位 ]↓
[ ROM代碼執行 ]↓
[ 初始化外設 & SDRAM ]↓
[ 加載并執行U-Boot ]↓
[ U-Boot初始化硬件 ]↓
[ 加載Linux內核 + initrd ]↓
[ 設置啟動參數（R0, R1, R2）]↓
[ 跳轉到內核入口 ]↓
[ Linux內核初始化 ]↓
[ 掛載根文件系統 ]↓
[ 啟動用戶空間進程 ]

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九、總結一句話

Bootloader 就是操作系統的“搬運工 + 啟動器”，而 U-Boot 就是最流行的 Bootloader，它讓 Linux 成為可能！

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📌 小貼士：常見面試題匯總

面試問題	回答要點
什么是Bootloader？	啟動時執行的第一段程序，初始化硬件，加載并啟動內核
U-Boot做了哪些事？	兩階段：匯編（初始化）、C語言（加載內核+參數設置+跳轉）
U-Boot如何跳轉到Linux內核？	設置PC寄存器為內核地址
參數是如何傳遞給內核的？	用R0=0, R1=機器ID, R2=tag結構體地址傳遞
為什么要關閉Data Cache？	避免RAM未初始化時Cache取錯誤數據導致程序異常
什么是tag結構？如何組織？	struct tag，含header+聯合體，ATAG_CORE起始、ATAG_NONE結束

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