在Linux中可以將一部分內(nèi)存mount為分區(qū)來使用，通常稱之為RamDisk，分為：

　　Ramdisk， ramfs， tmpfs。

　?、?第一種就是傳統(tǒng)意義上的，可以格式化，然后加載。這在Linux內(nèi)核2.0/2.2就已經(jīng)支持，其不足之處是大小固定，之后不能改變。為了能夠使用 Ramdisk，我們在編譯內(nèi)核時須將block device中的Ramdisk支持選上，它下面還有兩個選項，一個是設定Ramdisk的大小，默認是4096k；另一個是initrd的支持。

　　如果對Ramdisk的支持已經(jīng)編譯進內(nèi)核，我們就可以使用它了：首先查看一下可用的RamDisk，使用 ls /dev/ram*；首先創(chuàng)建一個目錄，比如test，運行 mkdir /mnt/test；然后對/dev/ram0 創(chuàng)建文件系統(tǒng)，運行 mke2fs /dev/ram0；最后掛載/dev/ram0，運行mount /dev/ram /mnt/test，就可以象對普通硬盤一樣對它進行操作了。

　　② 另兩種則是內(nèi)核2.4才支持的，通過Ramfs或者Tmpfs來實現(xiàn)：它們不需經(jīng)過格式化，用起來靈活，其大小隨所需要的空間而增加或減少。

　　Ramfs顧名思義是內(nèi)存文件系統(tǒng)，它處于虛擬文件系統(tǒng)（VFS）層，而不像ramdisk那樣基于虛擬在內(nèi)存中的其他文件系統(tǒng)（ex2fs）。因而，它無需格式化，可以創(chuàng)建多個，只要內(nèi)存足夠，在創(chuàng)建時可以指定其最大能使用的內(nèi)存大小。

　　如果你的Linux已經(jīng)將Ramfs編譯進內(nèi)核，你就可以很容易地使用Ramfs了。創(chuàng)建一個目錄，加載Ramfs到該目錄即可：

　　# mkdir /testRam # mount -t ramfs none /testRAM缺省情況下，Ramfs被限制最多可使用內(nèi)存大小的一半?？梢酝ㄟ^maxsize（以kbyte為單位）選項來改變。

　　# mount -t ramfs none /testRAM -o maxsize=2000 （創(chuàng)建了一個限定最大使用內(nèi)存為2M的ramdisk）③ Tmpfs是一個虛擬內(nèi)存文件系統(tǒng)，它不同于傳統(tǒng)的用塊設備形式來實現(xiàn)的Ramdisk，也不同于針對物理內(nèi)存的Ramfs。

　　Tmpfs 可以使用物理內(nèi)存，也可以使用交換分區(qū)。在Linux內(nèi)核中，虛擬內(nèi)存資源由物理內(nèi)存（RAM）和交換分區(qū)組成，這些資源是由內(nèi)核中的虛擬內(nèi)存子系統(tǒng)來負 責分配和管理。Tmpfs向虛擬內(nèi)存子系統(tǒng)請求頁來存儲文件，它同Linux的其它請求頁的部分一樣，不知道分配給自己的頁是在內(nèi)存中還是在交換分區(qū)中。同Ramfs一樣，其大小也不是固定的，而是隨著所需要的空間而動態(tài)的增減。

　　使用tmpfs，首先你編譯內(nèi)核時得選擇“虛擬內(nèi)存文件系統(tǒng)支持（Virtual memory filesystem support）”。然后就可以加載tmpfs文件系統(tǒng)了：

　　# mkdir -p /mnt/tmpfs

　　# mount tmpfs /mnt/tmpfs -t tmpfs

　　同樣可以在加載時指定tmpfs文件系統(tǒng)大小的最大限制：

　　# mount tmpfs /mnt/tmpfs -t tmpfs -o size=32m

　　FAT： bogus logical sector size 21072

　　具體的文件系統(tǒng)FAT格式。虛擬邏輯扇區(qū)大小為20K，linux-2.4.22/fs/fat/Inode.c。

　　在初始化MS-DOS文件系統(tǒng)時，讀MS-DOS文件系統(tǒng)的superblock，函數(shù)fat_read_super中輸出的上面的信息。

　　UMSDOS： msdos_read_super failed， mount aborted.

　　UMSDOS：一種文件系統(tǒng)，特點容量大 但相對而言不大穩(wěn)定。是Linux 使用的擴展了的DOS文件系統(tǒng)。它在 DOS 文件系統(tǒng)下增加了長文件名、 UID/GID、POSIX 權限和特殊文件 （設備、命名管道等）功能，而不犧牲對 DOS 的兼容性。允許一個普通的msdos文件系統(tǒng)用于Linux，而且無須為它建立單獨的分區(qū)，特別適合早期的硬盤空間不足的硬件條件。

　　VFS： Mounted root （romfs filesystem） readonly

　　虛擬文件系統(tǒng)VFS（Virtual Filesystem Switch）的輸出信息。

　　再 次強調(diào)一下一個概念。VFS 是一種軟件機制，也可稱它為 Linux 的文件系統(tǒng)管理者，它是用來管理實際文件系統(tǒng)的掛載點，目的是為了能支持多種文件系統(tǒng)。kernel會先在內(nèi)存中建立一顆 VFS 目錄樹，是內(nèi)存中的一個數(shù)據(jù)對象，然后在其下掛載rootfs文件系統(tǒng)，還可以掛載其他類型的文件系統(tǒng)到某個子目錄上。

　　Mounted devfs on /dev

　　加載devfs設備管理文件系統(tǒng)到dev安裝點上。/dev是我們經(jīng)常會用到的一個目錄。在2.4的kernel中才有使用到。每次啟動時內(nèi)核會自動掛載devfs。

　　devfs 提供了訪問內(nèi)核設備的命名空間。它并不是建立或更改設備節(jié)點，devfs只是為你的特別文件系統(tǒng)進行維護。一般我們可以手工mknod創(chuàng)件設備節(jié)點。 /dev目錄最初是空的，里面特定的文件是在系統(tǒng)啟動時、或是加載模組后驅(qū)動程序載入時建立的。當模組和驅(qū)動程序卸載時，文件就消失了。

　　Freeing init memory： 72K

　　釋放1號用戶進程init所占用的內(nèi)存

　　*************************************************************

　　第三節(jié)：加載linux內(nèi)核完畢，轉(zhuǎn)入cpu_idle進程

　　系統(tǒng)啟動過程中進程情況：

　?、?init進程

　　一 般來說， 系統(tǒng)在跑完 kernel bootstrapping 內(nèi)核引導自舉后（被裝入內(nèi)存、已經(jīng)開始運行、已經(jīng)初始化了所有的設備驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)結構等等）， 就去運行 init『萬process之父』， 有了它， 才能開始跑其他的進程，因此，init進程，它是內(nèi)核啟動的第一個用戶級進程，它的進程號總是1。你可以用進程查看命令來驗證：

　　# ps aux

　　PID Uid VmSize Stat Command

　　1 0 SW init

　　2 0 SW ［keventd］

　　3 0 SWN ［ksoftirqd_CPU0］

　　4 0 SW ［kswapd］

　　5 0 SW ［bdflush］

　　6 0 SW ［kupdated］

　　7 0 SW ［rbwdg］

　　9 0 SW ［mtdblockd］

　　10 0 SW ［khubd］

　　80 0 SW ［loop0］

　　另外 Linux 有兩個 kernel 類的 process 也開始跑了起來，一個是 kflushd/bdflush，另一個是 kswapd。只有這個init 是完全屬于 user 類的進程， 后兩者是 kernel假借 process 進程之名掛在進程上。

　　init 有許多很重要的任務，比如象啟動getty（用于用戶登錄）、實現(xiàn)運行級別、以及處理孤立進程。init 一開始就去讀 /etc/inittab （init初始化表），初始化表是按一定格式排列的關于進程運行時的有關信息的。init程序需要讀取/etc/inittab文件作為其行為指針。這個 inittab 中對于各個runlevel運行級別要跑哪些 rc 或 spawn 生出什么有很清楚的設定。

　　一 般， 在Linux中初始化腳本在/etc/inittab 文件（或稱初始化表）中可以找到關于不同運行級別的描述。inittab是以行為單位的描述性（非執(zhí)行性）文本，每一個指令行都是固定格式。 inittab中有respawn項，但如果一個命令運行時失敗了，為了避免重運行的頻率太高，init將追蹤一個命令重運行了多少次，并且如果重運行的 頻率太高，它將被延時五分鐘后再運行。

　?、?kernel進程

　　A》 請注意init是1號進程，其他進程id分別是kflushd/ bdflush， kupdate， kpiod and kswapd。這里有一個要指出的：你會注意到虛擬占用（SIZE）和實際占用（RSS）列都是0，進程怎么會不使用內(nèi)存呢？

　　這些進程就是內(nèi)核守護進程。大部分內(nèi)核并不顯示在進程列表里。守護進程在init之后啟動，所以他們和其他進程一樣有進程ID，但是他們的代碼和數(shù)據(jù)都存放在內(nèi)核占有的內(nèi)存中。在列表中使用中括號來區(qū)別與其他進程。

　　B》 輸入和輸出是通過內(nèi)存中的緩沖來完成的，這讓事情變得更快，程序的寫入會存放在內(nèi)存緩沖中，然后再一起寫入硬盤。守護進程kflushd和kupdate 管理這些工作。kupdate間斷的工作（每5秒）來檢查是否有寫過的緩沖，如過有，就讓kflushd把它們寫入磁盤。

　　C》 進程有時候無事可做，當它運行時也不一定需要把其所有的代碼和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存中。這就意味著我們可以通過把運行中程序不用的內(nèi)容切換到交換分區(qū)來更好的是利用內(nèi)存。把這些進程數(shù)據(jù)移入/移出內(nèi)存通過進程IO管理守護進程kpiod和交換守護進程kswapd，大約每隔1秒，kswapd醒來并檢查內(nèi)存情 況。如果在硬盤的東西要讀入內(nèi)存，或者內(nèi)存可用空間不足，kpiod就會被調(diào)用來做移入/移出操作。

　　D》 bdflush - BUF_DIRTY， 將dirty緩存寫回到磁盤的核心守護進程。對于有許多臟的緩沖區(qū)（包含必須同時寫到磁盤的數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)）的系統(tǒng)提供了動態(tài)的響應。它在系統(tǒng)啟動的時候作為一個核心線程啟動，它叫自己為 “kflushd”，而這是你用ps顯示系統(tǒng)中的進程的時候你會看得的名字。即定期（5秒）將臟（dirty）緩沖區(qū)的內(nèi)容寫入磁盤，以騰出內(nèi)存；

　　E》 ksoftirqd_CPUx 是一個死循環(huán)， 負責處理軟中斷的。它是用來對軟中斷隊列進行緩沖處理的進程。當發(fā)生軟中斷時，系統(tǒng)并不急于處理，只是將相應的cpu的中斷狀態(tài)結構中的active 的相應的位，置位，并將相應的處理函數(shù)掛到相應的隊列，然后等待調(diào)度時機來臨，再來處理。

　　ksoftirqd_CPUx是由 cpu_raise_softirq（） 即cpu觸發(fā)中斷，喚醒的內(nèi)核線程，這涉及到軟中斷，ksoftirqd的代碼參見［kernel/softirq.c］。

　　F》 keventd，它的任務就是執(zhí)行 scheduler 調(diào)度器隊列中的任務，keventd 為它運行的任務提供了可預期的進程上下文。

　　G》 khubd， 是用來檢測USB hub設備的，當usb有動態(tài)插拔時，將交由此內(nèi)核進程來處理。在檢測到有hub事件時會有相應的動作（usb_hub_events（））

　　H》 mtdblockd是用來對flash塊設備進行寫操作的守護進程。NAND類型的Flash需要MTD（Memory Technology Devices 內(nèi)存技術驅(qū)動程序）驅(qū)動的支持才能被linux所使用。NAND的特點是不能在芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP，eXecute In Place），需要把代碼讀到系統(tǒng)RAM中再執(zhí)行，傳輸效率不是最高，最大擦寫次數(shù)量為一百萬次，但寫入和擦除的速度很快，擦除單元小，是高數(shù)據(jù)存儲密度 的最佳選擇。NAND需要I/O接口，因此使用時需要驅(qū)動程序。

　　I》 loop0 是負責處理loop塊設備的（回環(huán)設備）。loopback device指的就是拿文件來模擬塊設備， 在我們這里，loop設備主要用來處理需要mount到板上的文件系統(tǒng)，類似mount /tmp/rootfs /mnt -o loop。。我們的實例有：mount -o loop -t cramfs /xxx.bin /xxx 也就是將xxx.bin這個文件mount到板上來模擬cramfs壓縮ram文件系統(tǒng)。loop0進程負責對loop設備進行操作。

　　loopback設備和其他的塊設備的使用方法相同。特別的是，可以在該設備上建立一個文件系統(tǒng)，然后利用mount命令把該系統(tǒng)映射到某個目錄下以便訪問。這種整個建立在一個普通磁盤文件上的文件系統(tǒng)，就是虛擬文件系統(tǒng) （virtual file system）。

　　總結

　　上面的內(nèi)容是本人為了在實際開發(fā)中更加清楚地了解uclinux的啟動過程而做的一個總結性的文章。在對uclinux的啟動過程做了一個詳細注釋后，大家 會對涉及到嵌入系統(tǒng)的各個概念有了一個更加明確的認識，并能對嵌入系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境的有關設置更加清楚。當你自己動手結合linux源代碼來分析時，將會有一個清楚的全局觀。

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　　1. 運行bootloader初始化程序

　　SRAM 、SDRAM等存儲設備屬于揮發(fā)性的存儲器，掉電以后其中的內(nèi)容就會全部丟失，所以必須把操作系統(tǒng)的內(nèi)核鏡像存放在Flash等不揮發(fā)性存儲介質(zhì)上。但是操作系統(tǒng)在運行時，需要動態(tài)的創(chuàng)建一些如數(shù)據(jù)段、堆棧、頁表（針對使用虛擬地址的操作系統(tǒng)）等內(nèi)容，所以需要在RAM中運行操作系統(tǒng)。

　　因此，就需要一個引導程序把操作系統(tǒng)的內(nèi)核鏡像從Flash存儲器拷貝到RAM中，然后再從RAM中執(zhí)行操作系統(tǒng)的內(nèi)核。Bootloader就是可以完成這樣一種功能的程序。

　　從本質(zhì)上來講，bootloader不屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核。它采用匯編語言編寫，因此針對不同的CPU體系結構，這一部分代碼不具有可移植性。在移植操作系統(tǒng)時，這部分代碼必須加以改寫

　　具體來講，bootloader在系統(tǒng)啟動時主要完成以下幾項工作：

　?。?） 將操作系統(tǒng)內(nèi)核從Flash拷貝到SDRAM中，如果是壓縮格式的內(nèi)核，還要將之解壓縮。

　　（2） 改寫系統(tǒng)的memory map，原先flash起始地址映射為0地址，這時需要將RAM的起始地址映射為0。

　?。?） 設置堆棧指針并將bss段清零。

　　將來執(zhí)行C語言程序和調(diào)用子函數(shù)時要用到

　?。?） 改變pc值，使得CPU開始執(zhí)行真正的操作系統(tǒng)內(nèi)核。

　　2. 運行操作系統(tǒng)內(nèi)核

　　bootloader程序執(zhí)行完上述的各項工作后，通過一條跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)而執(zhí)行init目錄下C語言源文件main.c中的函數(shù)start_kernel（）。

　　因為在此之前bootloader已經(jīng)創(chuàng)建好一個初始化環(huán)境，C函數(shù)可以開始執(zhí)行了。

　　整個操作系統(tǒng)內(nèi)核的初始化工作從這里才算是真正開始。這個函數(shù)的長度比較短，代碼如下：

　　void __init start_kernel（void）

　　{

　　char * command_line;

　　unsigned long mempages;

　　extern char saved_command_line［］;

　　/*

　　* Interrupts are still disabled. Do necessary setups， then

　　* enable them

　　*/

　　lock_kernel（）;

　　printk（linux_banner）;

　　setup_arch（&command_line）;

　　printk（“Kernel command line： %s/n”， saved_command_line）;

　　parse_options（command_line）;

　　trap_init（）;

　　init_IRQ（）;

　　sched_init（）;

　　softirq_init（）;

　　time_init（）;

　　/*

　　* HACK ALERT！ This is early. We‘re enabling the console before

　　* we’ve done PCI setups etc， and console_init（） must be aware of

　　* this. But we do want output early， in case something goes wrong.

　　*/

　　console_init（）;

　　#ifdef CONFIG_MODULES

　　init_modules（）;

　　#endif

　　if （prof_shift） {

　　unsigned int size;

　　/* only text is profiled */

　　prof_len = （unsigned long） &_etext - （unsigned long） &_stext;

　　prof_len 》》= prof_shift;

　　size = prof_len * sizeof（unsigned int） + PAGE_SIZE-1;

　　prof_buffer = （unsigned int *） alloc_bootmem（size）;

　　}

　　kmem_cache_init（）;

　　sti（）;

　　calibrate_delay（）;

　　#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD

　　if （initrd_start && ！initrd_below_start_ok && initrd_start 《 min_low_pfn 《《 PAGE_SHIFT）

　　{

　　printk（KERN_CRIT “initrd overwritten （0x%08lx 《 0x%08lx） - ”

　　“disabling it./n”，initrd_start，min_low_pfn 《《 PAGE_SHIFT）;

　　initrd_start = 0;

　　}

　　#endif

　　mem_init（）;

　　kmem_cache_sizes_init（）;

　　pgtable_cache_init（）;

　　mempages = num_physpages;

　　fork_init（mempages）;

　　proc_caches_init（）;

　　vfs_caches_init（mempages）;

　　buffer_init（mempages）;

　　page_cache_init（mempages）;

　　#if defined（CONFIG_ARCH_S390）

　　ccwcache_init（）;

　　#endif

　　signals_init（）;

　　#ifdef CONFIG_PROC_FS

　　proc_root_init（）;

　　#endif

　　#if defined（CONFIG_SYSVIPC）

　　ipc_init（）;

　　#endif

　　check_bugs（）;

　　printk（“POSIX conformance testing by UNIFIX/n”）;

　　/*

　　* We count on the initial thread going ok

　　Like idlers init is an unlocked kernel thread，which will

　　* make syscalls （and thus be locked）。

　　*/

　　smp_init（）;

　　rest_init（）;

　　}

　　內(nèi)核啟動之后需要執(zhí)行的第一個函數(shù)是start_kernel（）（在linux/init/main.c文件中）。

　　start_kernel（）

　　完成下面一系列初始化的工作。

　　◆printk（1inux_banner），顯示Linux內(nèi)核的版本信息。

　　◆ setup_arch（&command_line），做與體系結構相關的初始化工作。

　　◆ parse_options（command_line），解釋系統(tǒng)參數(shù)。

　　◆ trap_init（），設置系統(tǒng)異常的入口點。

　　◆ init_IRQ（），初始化系統(tǒng)中斷服務。

　　◆ sched_init（），系統(tǒng)調(diào)度器的初始化。

　　◆ time_init（），時鐘、定時器初始化。

　　◆ softirq_init（），系統(tǒng)軟中斷的初始化。

　　◆console_init（），控制臺初始化。

　　◆kmem_cache_init（），內(nèi)核cache的初始化。

　　◆calibrate_delay（），校準時鐘。

　　◆mem_init（），內(nèi)存初始化。

　　◆kmem_cache_sizes_init（），創(chuàng)建及設置通用cache。

　　◆fork_init（mempages），建立uidcache，并且根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)存大小來確定最大進程數(shù)目。

　　◆buffer_init（mempages），塊設備緩沖區(qū)的初始化。初始化一系列的cache。

　　◆check_bugs（），檢查體系結構漏洞。

　　◆kernel_thread（init NULL，CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGNAL），創(chuàng)建第一個核心進程，啟動init進程。

　　◆cpu_idle（），運行idle進程

　　接下去做的工作由init（）函數(shù)來完成。init（）首先要鎖定內(nèi)核，然后調(diào)用do_basic_setup（ ）來完成外部設備以及驅(qū)動程序的初始化。外設的初始化要根據(jù)內(nèi)核的配置來決定，一般需要做下面的初始化工作：

　　◆PCI總線初始化。

　　◆網(wǎng)絡初始化。

　　◆一系列其他設備的初始化。

　　◆start_context_thread（）創(chuàng)建事件管理核心進程keventd。

　　◆通過do_initcalls（）函數(shù)來啟動任何使用__initcall標識的函數(shù)。

　　◆文件系統(tǒng)初始化。

　　◆加載文件系統(tǒng)。

　　在do_basic_setup（）調(diào)用完成之后，init（）會釋放初始化函數(shù)所用的內(nèi)存，并且打開/dev/console設備重新定向控制臺，讓系統(tǒng)調(diào)用execve來執(zhí)行程序init。

　　到這里為止，Linux 內(nèi)核的初始化工作已經(jīng)完成。然后開始用戶態(tài)進程的初始化。

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　　uClinux中內(nèi)存模塊的啟動初始化

　　arch/armnommu/kernel/entry_armv.S是一個匯編文件，他包含了一個kernel_entry的定義，這是整個內(nèi)核的進入點。在完成某些平臺相關的初始化工作之后，執(zhí)行流程跳轉(zhuǎn)到start_kerne（）處。從這里開始考察uClinux的內(nèi)存模塊啟動初始化是如何實現(xiàn)的。

　　start_kernel（）中與內(nèi)存模塊相關的函數(shù)調(diào)用流程如下：

　　setup_arch（） paging_init（） free_area_init（） mem_init（）

　　下面分別分析這些函數(shù)各自的功能以及uClinux對他們的改造。

　?。?） setup_arch（）

　　setup_arch（）首先根據(jù)目前內(nèi)核所配置的平臺向某些特定地址寫入特殊字符序列，以完成對特定硬件的初始化，比如工作狀態(tài)發(fā)光二極管、錯誤和報警發(fā)光二極管。

　　存儲了可用物理內(nèi)存起始地址的變量memory_start的初始化是通過一個ld腳本中定義的變量_end進行的。ld腳本是用來控制GNU ld連接器在連接內(nèi)核各個目標文件部分的時候的配置動作，比如這樣一個腳本：

　　SECTION

　　{

　　。=0x10000;

　　.text：{*（.text）}

　　。=0x8000000;

　　.data：{*（.data）}

　　.bss ：{*（.bss）}

　　}

　　用來配置ld連接目標文件的時候?qū)⑺械哪繕宋募械拇鎯Τ绦蛘牡?text段（section）連接到一起，并且映射到輸出文件的地址0x10000處，將所有目標文件中已初始化的數(shù)據(jù).data段連接到一起并放置到輸出可執(zhí)行文件的0x8000000地址處，而所有目標文件中還未初始化的數(shù)據(jù)段.bss連接起來后影射到輸出文件中緊跟在.data段之后的位置。

　　這個ld配置腳本文件對每個平臺都是不同的。如為MICETEK上所使用的uClinux版本使用的ld配置文件為arch/armnomm/vmLinux.lds?？梢酝ㄟ^修改某個平臺上的ld腳本配置文件中的_end變量來達到配置其可用物理內(nèi)存起始地址的目的。

　　setup_arch（）在完成對memory_start變量的初始化之后，通過某些特定手段檢測不同類型的內(nèi)存分布情況。比如為檢測某段地址范圍是否為RAM的方法是通過將某個地址的數(shù)據(jù)讀出來，將它加1后寫回內(nèi)存地址中，然后再讀出來和原始數(shù)據(jù)比較看看其值是否成功增加了1，這樣反復操作兩次，最后將數(shù)據(jù)恢復。如果是可讀可寫的RAM，那么這個測試的結果就是每次比較都是成功的，否則就不能將這個地址當作RAM。

　　在setup_arch（）中還可能根據(jù)所用平臺進行對flash memory和ROM的測試。在這些平臺相關的工作完成之后，setup_arch（）將對系統(tǒng)運行的第一個進程init_task的mm_struct結構中描述地址空間分布的變量start_code，end_code，end_data和brk進行初始化，start_code為0，其他三個數(shù)值分別為來自于ld腳本配置文件中定義的相關變量_etext、_edata和_end。

　　此后setup_arch（）將根據(jù)Linux中為系統(tǒng)中的第一塊rom/flash memory card所分配的固定的主/從設備號（可以從Document/devices.txt中得到）來創(chuàng)建根文件系統(tǒng)的設備號，并存儲在后來將要用到的全局變量ROOT_DEV中。

　　setup_arch（）最后完成對系統(tǒng)啟動參數(shù)的保存。

　　在調(diào)用setup_arch（）返回之后，start_kernel（）中得到了系統(tǒng)可用物理內(nèi)存的起始和結束地址，以及命令啟動時的命令行參數(shù)。

　?。?） paging_init（）

　　在Linux中，paging_init（）的一項主要功能是建立頁目錄和頁表，而且將Linux移植到不同平臺的過程中非常重要的一個步驟就是修改這個函數(shù)來適應新的硬件平臺的虛擬內(nèi)存體系。但是由于在uClinux中不再使用虛擬內(nèi)存機制，也就不再需要維護頁目錄和頁表數(shù)據(jù)結構了，所以paging_init（）在這里只是為系統(tǒng)啟動的時候保留一部分特殊用途的內(nèi)存區(qū)間。它返回后，從可以使用的內(nèi)存空間開始，依次是如下的數(shù)據(jù)結構：

　　empty_bad_page_table 占用1頁（4KB）

　　empty_bad_page 占用1頁（4KB）

　　empty_zero_page 占用1頁，并初始化為全0

　　mem_map

　　bitmap

　　paging_init（）函數(shù)在返回前通過調(diào)用free_area_init（start_mem，end_mem）進行建立buddy system的映射位圖關系，以及建立空閑物理頁面鏈表的操作。

　　（3）free_area_init（）

　　這個函數(shù)用于建立管理物理頁幀的數(shù)據(jù)結構mem_map，有多少物理頁幀就有多少mem_map_t類型的結構體與之相對應。每個頁面的mem_map_t結構中的flags被標明為PG_DMA和PG_reserved，并且頁幀號被賦給相應的數(shù)值。同時建立了管理空閑頁面的bitmap映射表，并且所有的位都被清零。

　?。?） mem_init（）

　　mem_init（）函數(shù)遍歷整個可用物理內(nèi)存地址空間，將每個頁面相對應的struct page結構中flags的PG_reserved 標志位清除，標志用戶個數(shù)的count計數(shù)器置1，并同時統(tǒng)計可用物理頁面數(shù)量，然后打印系統(tǒng)的各個內(nèi)存參數(shù)，如可用RAM和ROM的大小、內(nèi)核代碼段和數(shù)據(jù)段大小等。

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　　摘 要：本文采用三星公司的S3C44B0微處理器，對uClinux操作系統(tǒng)內(nèi)核的引導過程進行了剖析。

　　關鍵字：S3C44B0X;uClinux;嵌入式系統(tǒng);內(nèi)核引導

　　1 前言

　　伴隨著微電子的發(fā)展，用于嵌入式設備的處理器速度越來越快，功能也越來越強大。三星公司生產(chǎn)的S3C44B0微處理器，采用的是ARM7TDMI內(nèi)核。該內(nèi)核因為有著功耗小、成本低等特點，因此非常適合作為移動手持終端的處理器核心。Linux操作系統(tǒng)因為它的開放性，使得它不斷的被應用到各個領域。在嵌入式領域同樣也出現(xiàn)了各種各樣的Linux變體，最常用的是uClinux。也正是因為uClinux操作系統(tǒng)支持不帶MMU單元的ARM處理器，因此該系統(tǒng)可以對S3C44B0微處理器有很好的支持。

　　在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，第一個部分便是系統(tǒng)的引導。而系統(tǒng)的引導過程是通過BootLoader來完成的。BootLoader程序是與硬件緊密相關的一段代碼，而且編寫的時候比較復雜，它主要的功能是初始化微處理器以及周邊的硬件資源，并且引導操作系統(tǒng)的啟動。下面我將以S3C44B0微處理器來作為例子，對uClinux操作系統(tǒng)內(nèi)核的引導過程進行一個剖析。

　　2 BootLoader程序概念

　　簡單的說Boot Lodaer就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序，通過這段小程序，可以初始化硬件設備、建立系統(tǒng)的內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境設置成一個適合的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境。最終，BootLoader把操作系統(tǒng)內(nèi)核映象加載到RAM中，并將系統(tǒng)控制權傳遞給它。

　　2.1 典型的BootLoader程序框架

　　操作系統(tǒng)角度來說，Boot Loader的總目標就是正確的調(diào)用內(nèi)核來執(zhí)行。

　　由于Boot Loader的實現(xiàn)依賴于CPU的體系結構，因此大多數(shù)Boot Loader都分為Stage1和Stage2兩大部分。依賴于CPU體系結構的代碼，例如設備初始化代碼等，通常都放在Stage1中，而且通常都用匯編語言來實現(xiàn)，以達到短小精悍的目的。而Stage2通常用C語言來實現(xiàn)，這樣可以實現(xiàn)更加復雜的功能，而且代碼會具有更好的可讀性和可移植性。

　　Boot Loader的Stage1通常包括如下步驟：

　　1） 硬件設備初始化

　　2） 為加載Boot Loader的Stage2準備RAM空間

　　3） 復制Boot Loader的Stage2到RAM空間中

　　4） 設置好堆棧

　　5） 跳轉(zhuǎn)到Stage2的C入口點

　　Boot Loader的Stage2通常包括如下步驟：

　　1） 始化本階段要使用的硬件設備

　　2） 檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射（Memory Map）

　　3） 將Kernel映象和根文件系統(tǒng)映象從FLASH上讀取到RAM空間中

　　4） 為內(nèi)核設置啟動參數(shù)

　　5） 調(diào)用內(nèi)核

　　2.2 系統(tǒng)內(nèi)存組織

　　由于嵌入式設備具有很好的制定性，因此通常硬件環(huán)境會變的千差萬別。就算是用戶使用了相同的處理器芯片，但是也很有可能因為外圍設備電路設計的不同，而存在差異。對于BootLoader程序來說，存儲設備的與處理器的連接方式，與其息息相關。對于我們采用的S3C44B0微處理器來說，在系統(tǒng)加電之后，指令指針是指向0x00000000的，也就是說系統(tǒng)是從0x00000000開始之行。正是因為這個原因，通常這個地址空間我們會安排給FLASH存儲器。這樣我們可以將BootLoader啟動代碼以及我們之后將會要啟動的uClinux操作系統(tǒng)映像燒寫到Flash里。對于RAM地址空間，S3C44B0芯片將其設定為從0x0C000000到0x0FFFFFFF一共64MB的范圍里。我們可以通過設定存儲器控制寄存器來重新設定RAM的大小。例如我們試驗采用的存儲設備安排如下：

　　0x00000000 – 0x003FFFFF 4MB Flash

　　0x0C000000 – 0x0C7FFFFF 8MB RAM

　　通常來說對于系統(tǒng)的引導和操作系統(tǒng)的啟動，可以完全都在Flash中進行，但是Flash存儲器的速度相對于RAM來說會慢很多，因此出于速度上的考慮，我們通常會將啟動代碼和uClinux操作系統(tǒng)的內(nèi)核映像文件拷貝到RAM中之行。

　　下面我將對典型的BootLoader程序框架進行分析。

　　2.3 Stage1階段

　　該階段的主要工作是完成對系統(tǒng)中斷向量的設置，初始化微處理器內(nèi)部寄存器，初始化堆棧，初始化RAM地址空間，并且將Stage2部分的C代碼拷貝到RAM空間的指定地點，然后跳轉(zhuǎn)到C代碼入口點繼續(xù)執(zhí)行。對于這段代碼來說，做的都是一些準備工作，因此為了提高效率，這段代碼通常都是使用匯編語言來完成的。下面我將結合具體的代碼來分析一下Stage1的啟動過程。

　　1）設置中斷向量

　　設置S3C44B0處理器定義的8種系統(tǒng)中斷的中斷向量地址。這八種系統(tǒng)中斷分別是復位中斷、未定義指令中斷、軟件中斷、指令預取異常中斷、數(shù)據(jù)異常中斷、地址異常中斷、IRQ中斷和FIQ中斷。這8個中斷通常是通過無條件跳轉(zhuǎn)的方式來實現(xiàn)的。具體的代碼如下。

　　__entry ：

　　b ResetHandler /* Reset vector */

　　b HandlerUndef /* Undefined instruction */

　　b HandlerSWI /* SWI */

　　b HandlerPabort /* Prefetch abort */

　　b HandlerDabort /* Data abort */

　　b 。 /* Address exception */

　　b HandlerIRQ /* IRQ */

　　b HandlerFIQ /* FIQ */

　　2）初始化微處理器內(nèi)部寄存器

　　這段代碼主要是要完成硬件部分的初始化，包括關閉中斷響應、初始化微處理器通用端口、設置CPU頻率等操作。不過需要注意的是，在進行硬件初始化之前需要將微處理器的運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換到SVC模式下。

　　MRS a1，CPSR /*; Pickup current CPSR*/

　　BIC a1，a1，#MODE_MASK /*; Clear the mode bits*/

　　ORR a1，a1，#SUP_MODE /*; Set the supervisor mode bits*/

　　ORR a1，a1，#LOCKOUT /*; Insure IRQ and FIQ intr are locked out*/

　　MSR CPSR_cxsf，a1 /*; Setup the new CPSR*/

　　3）初始化系統(tǒng)RAM空間

　　這個部分的工作主要是為之后啟動代碼和內(nèi)核映像的拷貝操作做準備，并且也為之后的C代碼的執(zhí)行初始化堆棧。這部分的工作主要可以分成兩個部分來處理。首先，根據(jù)系統(tǒng)配置的存儲器特性來初始化相關的存儲器控制寄存器。在我們使用的S3C44B0處理器中，存儲空間被分成了BANK0-BANK7一共8個塊，分別由BANKCON0-BANKCON7控制各個塊存儲器的讀寫時鐘和片選時鐘等信號參數(shù)。具體代碼如下：

　　ldr r0，=rBANKCON0

　　ldr r1，=0x700

　　str r1，［r0］

　　ldr r0，=rBANKCON1

　　ldr r1，=0x700 /* 0x7ffc */

　　str r1，［r0］

　　ldr r0，=rBANKCON2

　　ldr r1，=0x700 /* 0x7ffc */

　　str r1，［r0］

　　ldr r0，=rBANKCON3

　　ldr r1，=0x7568

　　str r1，［r0］

　　ldr r0，=rBANKCON4

　　ldr r1，=0x700 /* 0x7ffc */

　　str r1，［r0］

　　ldr r0，=rBANKCON5

　　ldr r1，=0x700 /* 0x7ffc */

　　str r1，［r0］

　　ldr r0，=rBANKCON6

　　ldr r1，=0x18008

　　str r1，［r0］

　　ldr r0，=rBANKCON7

　　ldr r1，=0x18000

　　str r1，［r0］

　　ldr r0，=rREFRESH

　　ldr r1，=0xac03e1

　　str r1，［r0］

　　ldr r0，=rBANKSIZE

　　ldr r1，=0x16

　　str r1，［r0］

　　ldr r0，=rMRSRB6

　　ldr r1，=0x020

　　str r1，［r0］

　　ldr r0，=rMRSRB7

　　ldr r1，=0x020

　　str r1，［r0］

　　初始化RAM空間的第二個部分就是初始化連接腳本文件中指定的需要清0的地址空間，將該斷地址空間的內(nèi)容清0。該部分地址空間主要是用來存放C語言代碼中的全局變量等內(nèi)容的。實現(xiàn)代碼如下：

　　LDR a1，=Image_ZI_Base /* Pickup the start of the BSS area */

　　MOV a3，#0 /* Clear value in a3 */

　　LDR a2，=Image_ZI_Limit /* Pickup the end of the BSS area */

　　CMP a1，a2

　　BEQ move_data

　　clear_loop ：

　　STR a3，［a1］，#4 /* Clear a word， a1 += 4 */

　　CMP a1，a2 /* end of ZI ？ */

　　BNE clear_loop

　　4）為Stage2的C語言代碼的執(zhí)行準備必要的堆棧

　　因為在Stage2階段一般都是采用C語言代碼來完成的，因此必須在使用C語言代碼之前先建立起必要的堆棧信息。通常為了避免堆棧數(shù)據(jù)被執(zhí)行代碼破壞，通常都是放在RAM的高端地址，并且使得堆棧指針的增長方向是向下增長的。

　　5）將初始化代碼拷貝到RAM中，并且跳轉(zhuǎn)到RAM中執(zhí)行。因為在我們采用的S3C44B0微處理器里對于FLASH和RAM地址空間是使用的統(tǒng)一編址的，因此我們可以直接使用一個簡單循環(huán)來完成拷貝。

　　ldr r3， =0x10000 /* 64K Bytes */

　　ldr r2， =0xc700000

　　ldr r1， =0

　　next ：

　　ldr r0，［r1］，#4

　　str r0，［r2］，#4

　　cmp r1，r3

　　bne next

　　6）跳轉(zhuǎn)到C代碼執(zhí)行（即Stage2階段）

　　這個過程是直接給指令指針賦值于跳轉(zhuǎn)的C代碼的入口地址，在我們的試驗中該入口地址是Main。

　　LDR pc，=Main

　　2.4 Stage2階段

　　該階段的代碼主要使用C語言來實現(xiàn)的。該階段的工作主要是建立開發(fā)板與宿主機之間的通信，加載uClinux內(nèi)核映像文件和配置內(nèi)核啟動參數(shù)，并且啟動內(nèi)核。

　　嵌入式設備與宿主機的通訊方式有多種，最常用的是使用串口方式進行數(shù)據(jù)交換。本試驗采用的S3C44B0微處理器提供了兩個UART口，因此我們可以任選其中一個來初始化并且使用它來與宿主機交互。對于串口的初始化主要是波特率、奇偶校驗、停止位、數(shù)據(jù)位等內(nèi)容。

　　對于串口的波特率和波特因子的計算采用如下公式

　　Iubrd =（（int（mclk/16 / baud + 0.5） – 1）

　　mclk是頻率、baud為波特率

　　2.4.1 檢測內(nèi)存

　　該部分的功能主要是檢測系統(tǒng)在進行硬件初始化的時候是否發(fā)生了內(nèi)存映射錯誤，即是否物理地址是否被映射到不存在的地址空間。通常是使用讀寫方式來檢測的，即以內(nèi)存頁為單位，在每個頁頭進行讀寫操作，比較讀寫結果。因為S3C44B0處理器并不支持內(nèi)存映射，因此我們在Stage2過程中并沒有包含該部分功能函數(shù)。

　　2.4.2 加載uClinux內(nèi)核映像

　　該過程其實只是一個從Flash的指定位置（該位置是uClinux燒寫的起始地址）拷貝到RAM中指定的地址空間里。在拷貝之前必須要為uClinux的全局變量結構，即啟動參數(shù)、內(nèi)核頁表、RAM的頁目錄等信息預留一定的空間。如果我們將FLASH和RAM看成連在一起的線性地址，則系統(tǒng)的空間分配會如下圖：

　　。..。..

　　Boot

　　初始化代碼

　　uClinux

　　未用

　　中斷向量表

　　初始化映像代碼

　　啟動參數(shù)

　　內(nèi)核映像

　　未用

　　堆棧

　　

　　2.4.3 配置內(nèi)核啟動參數(shù)

　　我們采用的uClinux是2.4.x內(nèi)核版本，該版本的內(nèi)核支持參數(shù)啟動過程。在嵌入式系統(tǒng)中，啟動參數(shù)的傳入主要是依靠bootloader程序向標記列表（tagged list）的相關域中填寫相應的值來完成的。

　　2.5 uClinux內(nèi)核引導

　　當我們初始化完畢uClinux的啟動參數(shù)之后，控制權就可以交給uClinux內(nèi)核了，uClinux系統(tǒng)調(diào)用內(nèi)核解壓函數(shù)（decompress_kernel）來對上一個階段拷貝的uClinux內(nèi)核在RAM空間里進行解壓（當然如果系統(tǒng)內(nèi)核在建立的時候沒有配置成壓縮格式，則解壓過程略去）。在解壓完畢后，跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核調(diào)用函數(shù)（call_kernel），該函數(shù)實際上執(zhí)行的是start_kernel（），這個函數(shù)包含了有關處理器初始化、中斷初始化、進程初始化等操作。最后，將控制權完全的交與uClinux操作系統(tǒng)來執(zhí)行。

　　偽處理過程如下：

　　IF（啟動參數(shù)正確）

　　CALL decmporess_kernel（）

　　CALL call_kernel（）

　　ELSE

　　啟動失敗

　　decompress_kernel（）

　　{

　　解壓內(nèi)核映像

　　}

　　call_kernel（）

　　{

　　。..

　　start_kernel（）

　　。..。

　　}

　　3 總結

　　本文是對S3C44B0的啟動過程進行了一次分析，啟動部分的代碼可以說是嵌入式設備開發(fā)比較重要的部分。而且該部分的處理工作往往又比較麻煩，因此在這里我只是想起到拋磚引玉的作用。因為成文時間比較倉促，難免有錯誤，請大家批評指正。

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　　《ARM7 uClinux開發(fā)實驗與實踐》P130

　　Bootloader完成系統(tǒng)初始化工作后，將運行控制權交給uClinux內(nèi)核。根據(jù)內(nèi)核是否壓縮以及內(nèi)核是否在本地執(zhí)行，uClinux通常有以下兩種可選的啟動方式：

　?。?）Flash本地運行方式。內(nèi)核中未經(jīng)壓縮的可執(zhí)行映像固化在Flash中，系統(tǒng)啟動時，內(nèi)核在Flash中開始逐句執(zhí)行。

　?。?）壓縮內(nèi)核加載方式。內(nèi)核的壓縮映像固化在Flash上，系統(tǒng)啟動時，由附加在壓縮映像前的解壓復制程序讀取壓縮映像，并在內(nèi)存中解壓后執(zhí)行。這種方式相對復雜，但是運行速度更快。

　　首先介紹內(nèi)核的Flash本地運行方式。

　　本地運行時，內(nèi)核的啟動包括特定體系結構設置和uClinux系統(tǒng)初始化兩步，內(nèi)核啟動的入口文件是head－armv.s。