Raspberry Pi 4裸机操作系统开发指南：启动引导篇-优快云博客

Raspberry Pi 4裸机操作系统开发指南：启动引导篇

rpi4-osdev Tutorial: Writing a "bare metal" operating system for Raspberry Pi 4 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/rp/rpi4-osdev

本文将深入讲解如何为Raspberry Pi 4开发裸机操作系统的启动引导过程。我们将从底层开始，逐步构建一个能够在RPi4上运行的最小操作系统环境。

开发语言选择

在裸机开发中，我们需要同时使用两种编程语言：

汇编语言：直接与CPU交互的低级语言，用于关键初始化阶段
C语言：提供更高抽象级别的开发体验，用于主要内核逻辑

这种组合让我们既能精确控制硬件，又能保持代码的可读性和可维护性。

启动流程详解

RPi4启动时，Arm Cortex-A72处理器的四个核心会同时开始执行。我们的引导代码需要确保只有主核心继续执行，而其他核心进入等待状态。

核心引导代码分析

以下是关键的引导汇编代码(boot.S)解析：

.section ".text.boot"  // 确保链接器将此段放在内核镜像开头

.global _start  // 程序入口点

_start:
    // 检查处理器ID是否为0(主核心)
    mrs     x1, mpidr_el1  // 读取多处理器亲和性寄存器
    and     x1, x1, #3     // 提取核心ID部分
    cbz     x1, 2f         // 如果是主核心，跳转到标签2
    // 非主核心进入等待循环
1:  wfe                    // 等待事件指令(低功耗)
    b       1b             // 无限循环
2:  // 主核心继续执行

    // 设置栈指针(位于_start下方)
    ldr     x1, =_start
    mov     sp, x1

    // 清零BSS段(存放未初始化全局变量)
    ldr     x1, =__bss_start  // BSS起始地址
    ldr     w2, =__bss_size   // BSS段大小
3:  cbz     w2, 4f            // 如果大小为0则跳过
    str     xzr, [x1], #8     // 清零8字节
    sub     w2, w2, #1        // 计数器减1
    cbnz    w2, 3b            // 循环直到全部清零

    // 跳转到C语言的main函数
4:  bl      main
    // 如果main返回(不应该发生)，则进入无限循环
    b       1b

这段代码完成了四个关键任务：

核心识别与选择
栈空间初始化
BSS段清零
跳转到C语言入口

最小C内核实现

当前阶段，我们的C内核非常简单，仅包含一个无限循环：

void main()
{
    while (1);  // 无限循环
}

虽然功能简单，但这已经构成了一个完整的内核框架，后续可以在此基础上扩展功能。

链接器脚本解析

链接器脚本(link.ld)负责将不同部分的代码和数据组织到正确的位置：

SECTIONS
{
    . = 0x80000;     /* AArch64内核加载地址 */
    .text : { KEEP(*(.text.boot)) *(.text .text.* .gnu.linkonce.t*) }
    .rodata : { *(.rodata .rodata.* .gnu.linkonce.r*) }
    PROVIDE(_data = .);
    .data : { *(.data .data.* .gnu.linkonce.d*) }
    .bss (NOLOAD) : {
        . = ALIGN(16);
        __bss_start = .;
        *(.bss .bss.*)
        *(COMMON)
        __bss_end = .;
    }
    _end = .;

   /DISCARD/ : { *(.comment) *(.gnu*) *(.note*) *(.eh_frame*) }
}
__bss_size = (__bss_end - __bss_start)>>3;

关键点说明：