嵌入式 Linux 啟動流程詳解 (以 ARM + U-Boot 為例)

對于嵌入式開發者而言，深入理解系統的啟動流程至關重要。這不僅有助于進行底層驅動開發和系統移植，還能在遇到啟動失敗等問題時，快速定位和解決。本文將詳細分解基于 ARM 架構的嵌入式 Linux 系統最常見的啟動流程：BootROM -> U-Boot -> Kernel -> RootFS。過段時間仔細研究一下Uboot，看看能不能給手上這塊3506移植個Uboot試試。

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啟動流程總覽

嵌入式設備的啟動過程是一個環環相扣的鏈條，前一級加載器負責初始化基礎硬件，并加載下一級更復雜的程序，直到最終啟動完整的 Linux 操作系統。

graph TDsubgraph SoC 內部芯片A[電源開啟] --> B(BootROM);endsubgraph 引導加載程序 (Bootloader)B --> |從 Flash/SD卡 加載| C[U-Boot SPL];C --> |初始化DDR| D[U-Boot 主體];endsubgraph 內核與用戶空間D --> |執行 bootcmd| E[加載 Linux 內核 (zImage)];D --> |執行 bootcmd| F[加載設備樹 (DTB)];E & F --> G{啟動內核};G --> H[內核初始化硬件];H --> I[掛載根文件系統 (RootFS)];I --> J[執行第一個用戶進程 /sbin/init];J --> K[啟動系統服務與應用];end

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1. BootROM - 芯片內的第一行代碼

BootROM 是整個啟動鏈的起點。

• 是什么：一段固化在 SoC (System on Chip) 芯片內部的只讀存儲器 (ROM) 中的程序。它由芯片制造商編寫，用戶無法修改，是上電后 CPU 執行的第一段代碼。
• 核心職責：
  1. 最小化硬件初始化：進行最基礎的硬件設置，如配置內部時鐘、初始化用于加載下一階段代碼的存儲接口（如 SD 卡控制器、eMMC、SPI Flash 等）。
  2. 加載外部引導程序：根據預設的啟動介質順序（通常由一組 BOOT_MODE 引腳的電平狀態決定），從外部存儲設備（Flash, eMMC, SD Card）中查找并加載第二階段的引導加載程序（通常是 U-Boot 的一個小型版本 SPL）到芯片內部的 SRAM 中。
  3. 移交控制權：加載完成后，將 CPU 的執行權限交給這段剛剛加載進來的代碼。

BootROM 的工作非常單一，就是為更強大的 Bootloader 搭建一個最小化的運行環境。

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2. U-Boot - 通用引導加載程序

U-Boot (Universal Boot Loader) 是嵌入式領域應用最廣泛的開源引導加載程序。它功能強大，通常分兩個階段執行，以適應嵌入式系統 SRAM 較小的限制。

2.1 第一階段: U-Boot SPL (Secondary Program Loader)

• SPL 是什么：一個精簡版的 U-Boot，主要目的是初始化 DDR 內存。由于 BootROM 加載 SPL 時使用的是芯片內部的 SRAM，而 SRAM 通常很小（幾十到幾百 KB），無法容納完整的 U-Boot。
• 核心職責：
  1. 初始化 DDR 控制器：這是 SPL 最重要的任務。DDR 內存是運行 Linux 內核和應用程序所必需的大容量內存空間。
  2. 加載 U-Boot 主體：DDR 初始化完成后，SPL 會從外部存儲設備中將完整的 U-Boot 鏡像 (u-boot.img) 加載到 DDR 內存中。
  3. 跳轉執行：將控制權移交給位于 DDR 中的 U-Boot 主體。

2.2 第二階段: U-Boot 主體

這是我們通常所說的 U-Boot，它功能完善，為啟動 Linux 內核提供了所有必要的準備。

• 核心職責：
  1. 全面的硬件初始化：初始化系統所需的各種外設，如串口（用于打印啟動日志和提供命令行交互）、網絡接口（用于網絡啟動和調試）、存儲設備（eMMC, NAND）等。
  2. 設置內核啟動參數 (bootargs)：這是 U-Boot 的一個關鍵功能。它會設置一個名為 bootargs 的環境變量，然后將其傳遞給 Linux 內核。這個參數字符串告訴內核一些重要的初始配置，例如：
     • console=ttyS0,115200：指定內核使用哪個串口作為控制臺，以及波特率。
     • root=/dev/mmcblk0p2 rootwait：指定根文件系統的位置（例如在 SD 卡的第 2 個分區），并讓內核等待設備就緒。
     • rootfstype=ext4：指定根文件系統的類型。
  3. 加載內核和設備樹：根據 bootcmd 環境變量中定義的命令（或手動輸入），從存儲介質（或通過網絡 TFTP）中將 Linux 內核鏡像 (zImage) 和設備樹文件 (.dtb) 加載到 DDR 內存的指定地址。
  4. 啟動內核：執行 bootz 或 bootm 命令，將設備樹文件的內存地址傳遞給內核，然后跳轉到內核的入口點，正式開始 Linux 系統的啟動。

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3. Linux Kernel - 操作系統的核心

內核接管控制權后，標志著真正的操作系統開始運行。

1. 內核自解壓：zImage 是一個壓縮的鏡像，所以第一步是在內存中將自己解壓出來。
2. 解析設備樹 (DTB)：內核會讀取 U-Boot 傳遞過來的 DTB 文件。DTB 描述了板級的所有硬件信息，內核根據這些信息來初始化對應的驅動程序。這使得內核代碼可以與硬件解耦，一份內核源碼可以適配不同的開發板。
3. 初始化硬件：內核開始全面初始化由 DTB 描述的所有硬件設備，并建立起驅動模型、內存管理、進程調度等核心子系統。
4. 掛載根文件系統 (RootFS)：內核根據 bootargs 中的 root 參數，找到并掛載根文件系統。
   • 在開發階段，常常使用 NFS (Network File System)，方便快速修改和調試。
   • 在量產產品中，根文件系統通常存放在 eMMC 或 Flash 的一個分區上，格式為 ext4, squashfs (只讀壓縮), ubifs (用于 NAND Flash) 等。
5. 啟動 init 進程：根文件系統被掛載后，內核會創建并運行第一個用戶空間的進程 /sbin/init（其 PID 永遠為 1）。內核的初始化工作到此結束，后續的用戶空間初始化全權交由 init 進程處理。

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4. Init 與用戶空間

init 進程是所有用戶空間進程的“始祖”。它的任務是根據配置文件，將系統帶入一個可用的狀態。

• 常見的 init 程序:
  • BusyBox init：在資源受限的嵌入式系統中非常流行。它解析 /etc/inittab 文件，按順序執行其中的腳本來啟動系統服務。
  • SystemV init：傳統的 init 系統，同樣使用 /etc/inittab 和運行級別 (Runlevel) 腳本 (/etc/rc.d/)。
  • systemd：現代 Linux 發行版的主流選擇，功能強大，并行啟動速度快，但在嵌入式領域有時被認為過于復雜和龐大。
• 執行流程：init 進程會運行一系列啟動腳本，這些腳本會：
  • 掛載其他必要的文件系統（如 /proc, /sys, /tmp）。
  • 配置網絡。
  • 啟動系統日志、SSH 服務等后臺守護進程。
  • 最終，啟動核心的應用程序。

當用戶的應用程序成功運行起來后，整個嵌入式 Linux 系統的啟動流程便宣告完成。