嵌入式Linux启动流程.ppt

1、第16章 嵌入式Linux启动流程,在多数计算机上，从Linux开机到进入系统的命令行或者图形界面时间并不长。计算机在背后做了什么工作，会展现出一个功能强大的系统，本章分析Linux系统启动流程。学习和掌握Linux启动的流程对了解Linux内核工作流程有很大帮助。Linux系统初始化可以分成两大部分：内核初始化和系统初始化。本章分析从打开电源开关到进入用户界面Linux系统的工作，主要内容如下： Linux内核初始化概览 进入内核前的工作 内核初始化 如何进入用户空间,16.1 Linux内核初始化流程,从前面讲解的知识知道，操作系统是用户应用和计算机硬件之间的桥梁。操作系统管理整个系统的所

2、有软硬件资源，并且向用户应用程序提供接口。在操作系统初始化的时候，系统内核检测计算机硬件，加载驱动并且设置软件环境，本节详细讲解Linux内核初始化所做的工作。,16.2 PC机的初始化流程,先给出一个PC机的初始化流程图。,16.2.1 PC机BIOS功能和作用,图16-3是PC机BIOS的功能结构。,16.2.2 硬盘的数据结构,PC机最常见的外部存储设备是硬盘驱动器。硬盘可以存储大量的数据，并且具有断电信息不丢失的特点。硬盘上的数据组织格式随不同操作系统不完全相同。无论什么系统，对硬盘的数据组织方式有何不同，都包含了一个引导记录的数据结构。引导记录（英文全称Main Boot Recor

3、d，简称MBR）是位于硬盘0磁道0柱面的第一个扇区。一个扇区有512字节，MBR占用了开始的446字节。,16.2.2 硬盘的数据结构,16.2.3 完整的初始化流程,在弄清楚PC机BIOS和硬盘引导程序的结构和作用后，说一下PC机的启动流程。PC机加电或者Reset后硬件系统会复位，复位后寄存器CS=0 xFFFF，寄存器IP=0 x0000。CPU从FFFF:0000H处执行指令，这个地址只有一条JMP（跳转）指令，跳转到系统自检程序，也就是进入了BIOS程序存放的位置。执行自检程序通过后，BIOS根据配置把软盘或者硬盘（光盘也是同样道理）的MBR扇区读入系统0000:7C00H处，执行M

4、BR的代码。 MBR的代码通常由操作系统修改，也可以由其他程序（例如GRUB引导器）修改。如果机器安装了GRUB引导软件，执行MBR的代码会启动GRUB引导软件。系统的控制权交由GRUB引导软件处理，GRUB根据分区的配置信息，找到硬盘对应分区上Linux内核文件并且加载到内存，然后跳转到内核代码位置，最后把系统控制权交给Linux内核。,16.3 嵌入式系统的初始化,嵌入式系统的多样性和复杂性，一般不像PC机那样配置BIOS，系统中也没有像BIOS那样的固件。用于启动的代码必须由用户完成，通常称这部分代码为Bootloader程序，整个系统的启动就由它完成。Bootloader初始化硬件设备

5、、建立内存空间的映射，将系统的软硬件环境设定在一个合适的状态，为加载操作系统内核和应用程序准备一个正确的环境。Bootloader依赖实际硬件环境，通常不存在一个通用的标准。对于不同的嵌入式系统，Bootloader程序内容也不相同。本书以ARM处理器为例介绍嵌入式系统的初始化。,16.3 嵌入式系统的初始化,16.4 Linux内核初始化,Linux内核在不同处理器体系结构上启动代码不全相同，但是启动的流程基本一致，本书根据嵌入式开发的需要从ARM核分析Linux内核初始化过程。,16.4.1 解压缩内核映像,对于大多数嵌入式应用，由于存储器空间的限制，大多数编译后的内核映像都是压缩存放，所

6、以进入内核的第一步首先是解压缩内核映像。,16.4.2 进入内核代码,接下来就进入了真正的内核代码。在有MMU的处理器上，系统会使用虚拟地址，通过MMU指向实际物理地址。,16.5 启动init内核进程,在start_kernel()函数最后调用了rest_init()函数，此函数用来创建内核init进程，这也是内核态的最后的工作。代码如下： static void rest_init(void) kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGNAL); unlock_kernel(); current-need_res

7、ched = 1; cpu_idle(); ,16.6 根文件系统初始化,Linux内核启动完毕后，首先就是要创建根文件系统，用户空间所有的操作都依赖根文件系统。本节介绍根文件系统的结构，并结合代码分析根文件系统的初始化过程。,16.6.1 根文件系统介绍,在内核代码启动完之后，进入文件系统初始化的阶段，Linux需要加载根文件系统。Linux的根文件系统可以分两类：虚拟根文件系统和真实根文件系统。Linux内核的发展趋势是把更多的功能放在用户空间完成，可以保持内核的精简。虚拟根文件系统也是各Linux发行厂商采用的一种方式，可以把初始化的工作在虚拟的根文件系统完成，最后再切换到真实的文件系统

8、。 1 传统的initrd根文件系统 2 initramfs根文件系统 3 根文件系统的挂载,16.6.2 挂载虚拟文件系统,挂载文件系统在kernel_init()函数实现，本节重点分析该函数。 1 基本参数初始化 2创建系统第一个进程 3挂载根文件系统,16.7 内核交出权限,Linux内核通过sys_fork()函数，之后在调用sys_execve()函数创建一个新的进程。系统启动后，核心态创建名为init的第一个用户进程。实现这种逆向迁移，Linux内核并不调用用户层代码。实现逆向迁移通常做法是在用户进程的核心栈压入用户态的SS，ESP，EFLAGS，CS，EIP等寄存器伪装成用户进程

9、，然后通过trap进入核心态，最后通过 iret指令返回用户态。,16.8 init进程,也是一个链接，具体指向哪个程序可以由用户配置。 init进程的主要任务是按照inittab配置文件提供的信息创建进程，由于进行系统初始化的进程都是由init进程创建的，所以init进程也称为系统初始化进程。 inittab配置文件的格式是没一行一个配置项，有如下结构： id:rstate:action:process 每项有四个字段，字段之间用“:”分割，如果某个字段没有设置，直接留空。下面解释各字段含义： 1id字段 2rstate字段 3action字段 4process字段,16.9 初始化RAM

10、Disk,现代计算机的内存容量越来越大，并且价格也不断下降。内存具备了相对外存储器访问速度快，价格低廉的优势。Linux系统支持一项功能，可以指定一块内存区域作为文件分区。用户可以像使用普通文件分区一样使用内存。本节介绍这种内存管理技术。,16.9.1 RAM Disk介绍,Linux系统提供一种特殊的功能-“初始化内存盘”，英文名Initial Ram Disk。RAM Disk技术与压缩映像技术结合，使用该技术后Linux系统可以从容量较小的内存盘启动。使用系统内存的一部分作为根文件系统，可以不使用交换分区。换句话说，使用内存盘技术可以把Linux系统完全嵌入内存，不依赖其他外部存储设备。

11、 使用RAM Disk技术，系统不工作在硬盘活其他外部设备上，消除了读写延迟；根文件系统和操作完全运行在CPU/RAM环境下，系统速度和可靠性方面比较好；此外，根文件系统也不会因为非法关机导致被破坏。 RAM Disk唯一的一个缺点是对内存有一定的要求，要获得较好的性能，内存容量是不能太小的，目前PC机的内存一般都很大，在内存运行根文件系统没有问题。嵌入式系统如果配备了较大的内存也可以考虑使用RAM Disk技术。,16.9.2 如何使用RAM Disk,RAM Disk也称作RAM盘，作用是在内存中使用一块内存区域虚拟出一个硬盘。使用RAM Disk需要在编译内核的时候，在“Block De

12、vice”选项中选择“BlockDevice”菜单项。在设置“Block Disk”的时候，需要设置RAM Disk的参数。修改设置后，需要重新编译Linux内核才能使用。编译带有RAM Disk选项的内核。,16.9.3 实例：使用RAM Disk作为根文件系统,本实例以创建一个Apache网络服务器为例，展示如何创建从当前存在的Linux系统创建基于RAM Disk的根文件系统。创建一个Apache网络服务器，只需要把httpd配置文件服务程序放入根文件系统映像，并且加入启动文件即可。下面是具体的操作过程。 （1）首先在Linux创建/minilinux目录，以后以此目录创建根文件系统。 （2）接下来制作RAM Disk映像，启动计算机的时候设置RAM Disk大小至少大于/minilinux目录文件大小。 （3）制