从开机到 Linux 内核执行的完整过程：深入解析

在嵌入式开发、操作系统学习和调试中，理解从硬件上电到内核执行的整个启动过程至关重要。本文将详细梳理这一过程，从设备开机的第一刻到 Linux 内核代码的执行，帮助你理解各个阶段的细节，以及每个环节所涉及的技术组件。

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1. 开机至引导阶段：硬件初始化

1.1 开机过程（Power-On）

当嵌入式设备或计算机通电时，CPU 的程序计数器（PC）会指向 Boot ROM，这是芯片中内置的启动代码。这个过程被称为硬件复位。Boot ROM 负责执行最基本的硬件初始化工作，例如：

• 配置基本硬件接口（如时钟、内存）。
• 启动 Bootloader 或操作系统的其他引导代码。

在此阶段，设备上的所有硬件都处于一个未初始化的状态，Boot ROM 是确保硬件正确运行并加载后续引导程序的第一个环节。

1.2 引导加载程序（Bootloader）

引导加载程序（如 U-Boot、GRUB、systemd-boot 等）是整个启动过程中至关重要的环节。Bootloader 负责对硬件进行详细的初始化，并加载操作系统内核。

• 硬件初始化：包括内存、I/O 接口、处理器等设备的初始化。
• 启动参数配置：在这个阶段，Bootloader 会准备启动参数（Bootargs），这些参数会传递给内核，告诉内核如何启动。
• 加载操作系统：Bootloader 将操作系统内核（如 Linux 内核）加载到内存中，并跳转到内核的入口点开始执行。

常见的引导加载程序有：

• U-Boot：广泛用于 ARM、MIPS 等架构的嵌入式系统。它提供了强大的硬件初始化和操作系统加载功能。
• GRUB：常用于 x86 架构的 PC 端引导加载。

2. Linux 内核加载

2.1 加载内核镜像

引导加载程序（如 U-Boot）会从存储介质（例如 eMMC、NAND Flash 或 SD 卡）中读取内核镜像。它还会加载 设备树（Device Tree）和其他必要的文件（如根文件系统）。设备树包含了硬件设备的配置信息，内核需要根据这些信息正确地初始化硬件设备。

2.2 内核的入口点

Linux 内核的启动会从 start_kernel() 函数开始，这个函数是内核的第一个执行点。内核的主要初始化工作会在这里开始，包括：

• 内存管理初始化：内核会设置虚拟内存、页表等，管理物理内存的分配和回收。
• CPU 管理：内核会初始化 CPU 调度器，确保各个进程能够有效地运行。
• 硬件初始化：内核通过设备树，初始化硬件设备和驱动程序。

3. 设备树和内核初始化

3.1 设备树（Device Tree）

设备树是一个数据结构，用于描述硬件平台的配置信息，它包括了设备的地址、类型、驱动程序信息等。Linux 内核使用设备树来加载对应的硬件驱动。

• 设备树源文件（.dts）：设备树的描述文件，开发者可以根据硬件平台编写或修改设备树文件。
• 设备树二进制文件（.dtb）：是设备树的编译版本，由引导加载程序（如 U-Boot）传递给内核，内核使用该文件来初始化硬件。

3.2 内核模块加载

内核启动时，某些驱动程序（如网络驱动、显示驱动、存储驱动等）会以模块的形式加载。内核支持动态加载和卸载模块，能够在不重新启动系统的情况下更新或修改硬件驱动。

4. 内核初始化完成后：系统服务的启动

4.1 init 进程的启动

在内核初始化完毕后，它会启动第一个用户空间进程——init 进程。init 是系统中的第一个用户空间进程，所有用户空间进程都由它派生而来。

• init 进程的作用：init 进程负责启动系统中的所有守护进程（如网络服务、文件系统服务等）。它会读取 /etc/inittab 或使用 systemd 来管理服务的启动。
• 挂载根文件系统：在 init 进程启动之前，根文件系统会被挂载。根文件系统包含了操作系统的基本文件和目录结构。

4.2 用户空间服务的启动

init 进程启动后，会初始化和启动更多的系统服务，例如：

• systemd：现代 Linux 系统常用的初始化管理工具，负责启动服务和管理系统状态。
• 用户空间应用程序：包括图形界面程序、网络服务、数据库服务等。

5. 总结：从开机到内核执行的完整过程

整个过程可以划分为以下关键阶段：

1. 硬件初始化（Boot ROM）：芯片开机后，CPU 从 Boot ROM 中读取并执行启动代码。
2. 引导加载程序（Bootloader）：引导加载程序（如 U-Boot）初始化硬件，加载内核镜像、设备树和启动参数，启动内核。
3. Linux 内核加载：内核镜像被加载到内存，内核开始执行 start_kernel()，完成内存管理、硬件初始化等工作。
4. 设备树和内核模块加载：内核使用设备树初始化硬件，加载相应的驱动程序和模块。
5. 系统服务启动：内核启动完毕后，init 进程启动，挂载根文件系统，启动用户空间进程和服务。

这一过程涉及多个技术组件和工作环节，每个环节的顺利执行都确保了系统的稳定启动和硬件的正常运行。理解这一过程，有助于嵌入式开发者、系统管理员及技术支持人员更好地调试和优化 Linux 系统的启动过程。