嵌入式 Linux 启动流程和 bootloader 介绍-白红宇

嵌入式 Linux 启动流程和 bootloader 介绍

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发布时间：2019-03-15

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入式 Linux 启动流程概述及 Bootloader 简介

背景介绍

嵌入式系统中，Bootloader 是启动过程中的核心组件。它负责在硬件上电时，为系统的最终操作系统（如 Linux）初始化必要的硬件环境，以确保后续的稳定运行。对于基于 SoC 芯片的嵌入式平台，这一过程尤为关键。我们将从启动流程谈起，深入探讨 Bootloader 的功能与作用。

启动流程详解

嵌入式系统的启动流程通常分为几个阶段，每个阶段执行特定的任务，为后续的操作系统准备环境。

硬件上电

所有硬件元件完成电源供应，系统处于待机状态，准备接受启动程序的执行。

一级启动：Boot ROM

定义：Boot ROM 是芯片上固定的烧录存储器，无法更改。

功能：
- 确定启动设备（如 NAND 存储器或 NOR Flash）的位置。
- 从启动设备读取一小段代码（如 4K、8K 或 16K），复制到 RAM 中运行。这段代码称为 Secondary Program Loader (SPL)。

二级启动：SPL + U-Boot

SPL（Secondary Program Loader）：
- 功能：
  - 初始化 DDR 内存。
  - 读取下一阶段代码（如 U-Boot）从启动设备中，并复制到 RAM 中执行。
- 注意：某些平台可能直接通过 SPL 执行 U-Boot，而不是先复制到 RAM。

U-Boot（Universal Bootloader）：
- 功能：
  - 读取并解析环境变量，确定 kernel 和根文件系统的存储位置。
  - 检测系统的 RAM 和存储设备（如 eMMC、NAND Flash）的容量及参数。
  - 配置网络接口 MAC 地址，准备加载 Linux 核心。
  - 加载 Linux 核心到 RAM，最后将控制权交给 kernel。

Linux 内核启动

阶段：
- 初始化 Linux 内核，加载根文件系统（rootfs）。
- 调用 init 函数，完成用户空间的准备工作。

不同操作系统的适配

无论是 Android、Yocto、ubuntu 还是 fedora，Linux 核心的启动过程几乎一致。其区别主要体现在：
- 芯片选择与硬件配置。
- 系统需求定制化程度。
- 应用程序与系统优化策略。

Bootloader 的核心作用

硬件初始化：根据平台特点配置 CPU、DDR、存储设备等硬件。

环境准备：为后续操作系统创建必要的运行环境。

多样性支持：适配不同存储设备、网络接口、用户定制参数等。

市面上常见的 Bootloader 运行环境

嵌入式 Bootloader 可能指向不同的操作系统环境：

x86：与 PC 环境一致，适用于嵌入式开发。

ARM：广泛应用于移动设备、嵌入式控制器等。

PowerPC：常见于网络设备、嵌入式系统中。

桌格比较：| Bootloader | 描述neys | x86 | ARM | PowerPC ||-------------------|---------|---|---|---|| LILO | Linux 磁盘引导程序 | 是 | 否 | 否 || GRUB | GNU 替代 LILO | 是 | 否 | 否 || U-Boot | 通用引导程序 | 是 | 是 | 是 || RedBoot | 基于 eCos | 是 | 是 | 是 || Vivi | ARM 特定 | 否 | 是 | 否 |

Android 系统分区

在 Android 系统中，存储划分至关重要。不同分区负责不同功能：

/boot：存放引导程序、内核和内存管理程序。

/system：系统文件，如重启镜像。

/recovery：恢复分区，用于系统恢复。

/data：用户数据，包含用户设置、联系人、应用程序。

/cache：系统缓存区。

/misc：系统设置相关。

/sdcard：用户存储区。

总结

嵌入式系统的启动流程与 Bootloader 的设计至关重要。从硬件上电到最终加载操作系统，每个阶段都需要精心设计和优化。理解 Bootloader 的工作原理，有助于更好地解决系统启动问题，也为后续系统优化奠定基础。

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