嵌入式Linux（4）：Linux系统构成及启动原理

U-Boot、 Linux kernel 和 rootfs 这三者一起构成了一个完整的 Linux 系统，一个可以正常使用、功能完善的 Linux 系统。
Bootloader 代码用于启动 Linux 内核， Bootloader有很多，常用的就是 U-Boot。移植好 U-Boot 以后再移植 Linux 内核和设备树.dts，移植完 Linux 内核后，还需要再移植一个根文件系统(rootfs)，根文件系统里面包含了一些最常用的命令和文件。

U-Boot

Linux 系统要启动就必须需要一个 bootloader 程序，也就说芯片上电以后先运行一段bootloader程序。这段bootloader程序会先初始化DDR等外设，然后将Linux内核从flash(NAND，NOR FLASH， SD， MMC 等)拷贝到 DDR 中，最后启动 Linux 内核。uboot 的全称是 Universal Boot Loader， uboot 是一个遵循 GPL 协议的开源软件， uboot 是一个裸机代码，可以看作是一个裸机综合例程。

U-boot 命令

1. 信息查询命令
   bdinfo：用于查看板子信息，直接输入“bdinfo”即可
   printenv ：用于输出环境变量信息
   version：用于查看 uboot 的版本号

2. 环境变量操作命令
   setenv： 用于设置或者修改环境变量的值
   saveenv ：用于保存修改后的环境变量

3. 内存操作命令
   用于直接对 DRAM 进行读写操作的，常用的内存操作命令有 md、 nm、mm、 mw、 cp 和 cmp

4. nfs 命令：将 Ubuntu 中的文件下载到开发板的 DRAM 中

5. tftp 命令：用于通过网络下载东西到 DRAM 中

6. uboot 的本质工作是引导 Linux，boot(引导)命令：bootz、 bootm 和 boot

U-Boot 顶层 Makefile 分析

• 命令输出
  uboot 默认编译是不会在终端中显示完整的命令，都是短命令，设置 V=0 或者在命令行中不定义 V 的话，编译 uboot 的时候终端中显示的短命令，设置V=1完整输出。

• 静默输出
  编译的时候使用“make -s”即可实现静默输出，不需要输出命令。

• 设置编译结果输出目录
  uboot 可以将编译出来的目标文件输出到单独的目录中，在 make 的时候使用“O”来指定输出目录，比如“make O=out”就是设置目标文件输出到 out 目录中。这么做是为了将源文件和编译产生的文件分开，当然也可以不指定 O 参数，不指定的话源文件和编译产生的文件都在同一个目录内，一般我们不指定 O 参数。

• 代码检查
  uboot 支持代码检查，使用命令“make C=1”使能代码检查，检查那些需要重新编译的文件。“make C=2”用于检查所有的源码文件。

• 模块编译
  在 uboot 中允许单独编译某个模块，使用命令“ make M=dir”即可，旧语法“ makeSUBDIRS=dir”也是支持的

• 设置目标架构和交叉编译器
  设置目标板架构ARCH 和交叉编译器 CROSS_COMPILE

• 调用 scripts/Kbuild.include 文件
  主 Makefile 会调用文件 scripts/Kbuild.include 这个文件

• 交叉编译工具变量设置、导出其他变量

• 头文件路径变量
  顶层 Makefile 定义了两个变量保存头文件路径： USERINCLUDE 和 LINUXINCLUDE

• make命令流程
  
  make xxx_defconfig： 用于配置 uboot，这个命令最主要的目的就是生成.config 文件。
  make：用于编译 uboot，这个命令的主要工作就是生成二进制的 u-boot.bin 文件和其他的一些与 uboot 有关的文件，比如 u-boot.imx 等等。

• bootz命令执行过程
  要分析 uboot 的启动流程，首先要找到“入口”，找到第一行程序在哪里。程序的链接是由链接脚本来决定的，所以通过链接脚本可以找到程序的入口。编译一下 uboot，编译完成以后就会在 uboot 根目录下生成 u-boot.lds文件,u-boot.map 是 uboot 的映射文件，可以从此文件看到某个文件或者函数链接到了哪个地址。
  

U-Boot启动流程

uboot运行分两个阶段：运行在SRAM中的汇编阶段、运行在DDR中的C语言阶段

第一阶段（放在start.S文件中，汇编）

1）_start定义入口（通过链接器脚本来完成）

• 在链接脚本中可以看到ENTRY()指定的入口，如：ENTRY(_start), _start就是入口（arch/arm/lib/vectors.S）

2）设置异常向量

• 定义了发生异常的时候跳转到哪个函数去执行，每种异常都应该被处理，防止发生异常跑飞，uboot由于程序简单并未细致处理各种异常，reset就是系统启动时执行的代码，其实每一次系统启动都是一次复位，reset函数( arch/arm/cpu/armv7/start.S )

3）设置CPU速度、时钟频率和中断控制寄存器

• 设置CPU为svc32模式并关闭FIQ和IRQ。进入底层初始化（lowlevel_init.S）

4）初始化内存控制器（MMU）

5）将ROM中的程序复制到RAM中

6）初始化堆栈

7）转到RAM中执行，该工作可使用指令 （ldr pc）来完成

第二阶段（C语言部分）

1）调用一系列的初始化函数

2）初始化Flash设备

3）初始化系统内存

4）如果目标机有NAND设备，初始化

5）如果目标机有显示设备，初始化

6）初始化相关网络设备，填写IP，MAC地址等

7）进入命令循环（即整个boot的工作环境），接收用户从串口输入的命令，然后进行相应的工作(main_loop())

Liunx

Linux系统启动流程

系统执行流程可以简单总结为以下几步：
1）开机BIOS自检，加载硬盘。
2）读取MBR,进行MBR引导。
3）grub引导菜单(Boot Loader)。
4）加载内核kernel。
5）启动init进程，依据inittab文件设定运行级别
6）init进程，执行rc.sysinit文件。
7）启动内核模块，执行不同级别的脚本程序。
8）执行/etc/rc.d/rc.local
9）启动mingetty，进入系统登陆界面。

• 启动第一步－－加载BIOS
  当你打开计算机电源，计算机会首先加载BIOS信息，BIOS信息是如此的重要，以至于计算机必须在最开始就找到它。这是因为BIOS中包含了CPU的相关信息、设备启动顺序信息、硬盘信息、内存信息、时钟信息、PnP特性等等。在此之后，计算机心里就有谱了，知道应该去读取哪个硬件设备了。

• 启动第二步－－读取MBR
  众所周知，硬盘上第0磁道第一个扇区被称为MBR，也就是Master Boot Record，即主引导记录，它的大小是512字节，别看地方不大，可里面却存放了预启动信息、分区表信息。
  系统找到BIOS所指定的硬盘的MBR后，就会将其复制到0×7c00地址所在的物理内存中。其实被复制到物理内存的内容就是Boot Loader，而具体到你的电脑，那就是lilo或者grub了。

• 启动第三步－－Boot Loader
  Boot Loader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核做好一切准备。
  Boot Loader有若干种，其中Grub、Lilo和spfdisk是常见的Loader。我们以Grub为例来讲解吧，毕竟用lilo和spfdisk的人并不多。系统读取内存中的grub配置信息（一般为menu.lst或grub.lst），并依照此配置信息来启动不同的操作系统。

• 启动第四步－－加载内核
  根据grub设定的内核映像所在路径，系统读取内存映像，并进行解压缩操作。此时，屏幕一般会输出“Uncompressing Linux”的提示。当解压缩内核完成后，屏幕输出“OK, booting the kernel”。
  系统将解压后的内核放置在内存之中，并调用start_kernel()函数来启动一系列的初始化函数并初始化各种设备，完成Linux核心环境的建立。至此，Linux内核已经建立起来了，基于Linux的程序应该可以正常运行了。

• 启动第五步－－用户层init依据init.tab文件来设定运行等级
  内核被加载后， 第一个运行的程序便是 /sbin/init，该文件会读取/etc/inittab文件，并依据此文件来进行初始化工作。其实/etc/inittab文件最主要的作用就是设定Linux的运行等级，其设定形式是“：id:5:initdefault:”，这就表明Linux需要运行在等级5上。Linux的运行等级设定如下：

0：关机
1：单用户模式
2：无网络支持的多用户模式
3：有网络支持的多用户模式
4：保留，未使用
5：有网络支持有X-Window支持的多用户模式
6：重新引导系统，即重启

• 启动第六步－－init进程执行rc.sysinit
  在设定了运行等级后，Linux系统执行的第一个用户层文件就是 /etc/rc.d/rc.sysinit脚本程序，它做的工作非常多，包括设定PATH、设定网络配置（/etc/sysconfig/network）、启动swap分区、设定/proc等等。

• 启动第七步－－启动内核模块，执行不同运行级别的脚本程序
  具体是依据 /etc/modules.conf文件或 /etc/modules.d目录下的文件来装载内核模块。根据运行级别的不同，系统会运行rc0.d到rc6.d中的相应的脚本程序，来完成相应的初始化工作和启动相应的服务。

• 启动第八步－－执行/etc/rc.d/rc.local
  rc.local就是在一切初始化工作后，Linux留给用户进行个性化的地方。你可以把你想设置和启动的东西放到这里

• 启动第九步－－执行/bin/login程序，启动mingetty，进入系统登陆界面
  此时，系统已经进入到了等待用户输入username和password的时候了，你已经可以用自己的帐号登入系统了。
  

Linux操作系统的启动过程(第二种)

一般分为四个阶段：

BIOS启动引导阶段；
GRUB启动引导阶段；
内核阶段；
init初始化阶段。

BIOS启动引导阶段
系统上电开机后，主板BIOS运行POST（Power on self test）代码，检测系统外围一些设备（如：CPU、内存、显卡、I/O、键盘鼠标等），当设备检测通过后，系统开始启动自检程序，根据在BIOS中设置的启动顺序搜索启动驱动器（比如硬盘、光驱、网络服务器等），并获取第一个启动设备的代号，读取第一个启动设备的MBR的引导加载程序（即lilo、grub、spfdisk等）的启动信息，从MBR中装载启动引导管理器（GRUB）并运行该启动引导管理。至此进入GRUB启动引导阶段。

GRUB启动引导阶段
主要操作是装载stage1，装载stage1.5，装载stage2。然后读取/boot/grub.conf文件显示启动菜单，装载所选的kernel和initrd文件到内存中。

BIOS通过下面两种方法之一来传递引导记录：

将控制权传递给initial program loader（IPL），该程序安装在磁盘主引导记录（MBR）中。
将控制权传递给initial program loader（IPL），该程序安装在磁盘分区的启动引导扇区中。

上面两种方法比较后，无论上面的哪种情况中，IPL都是MBR的一部分，都需要MBR的参与。

IPL是GRUB阶段的第一个部分（stage1），他的作用就是定位和装载GRUB的第二个部分（stage2）；因为stage1没有文件系统识别能力，所以具有文件系统识别能力的stage1.5成为stage1和stage2之间连接的桥梁，这样GRUB才有能力去访问/boot分区/boot/grub目录下的 stage2文件，将stage2载入内存并执行。
stage2对启动系统起关键作用，该部分提供了GRUB启动菜单和交互式的GRUB的shell。

启动菜单在启动时候通过/boot/grub/grub.conf文件所定义的内容生成。

在启动菜单中选择了kernel之后，GRUB会负责解压和装载kernel image并且将initrd装载到内存中，最后GRUB初始化kernel启动代码，完成之后后续的引导权，被移交给kernel。

内核阶段
操作系统的核心是放在文件系统中的，要想正确加载核心就必须提前识别文件系统。

要想加载linux的核心就必须能识别linux的文件系统，核心文件一般会放在/boot/vmlinuz。在系统启动的控制权移交给kernel后，Kernel会立即初始化系统中各设备并做相关配置工作，其中包括CPU、I/O、存储设备等。

配置过程中进行设备驱动加载的时候，一部分设备的驱动编入Linux Kernel中，Kernel会调用这部分驱动初始化相关设备；另外有一部分设备驱动并没有编入Kernel，而是作为模块形式放在initrd中。

initrd是一种基于内存的文件系统，启动过程中，系统在访问真正的根文件系统时，会先访问initrd文件系统。将initrd中的内容打开来看，会发现有bin、dev、etc、lib、proc、sys、sysroot、init等文件（包含目录）。initrd中的内容释放到rootfs（根文件系统）中后，Kernel会执行其中的init文件。这个时候内核的控制权移交给init文件处理。驱动加载后，会创建一个根设备，然后将根文件系统以只读的方式挂载。

这步结束后释放未使用内存并执行switch root，转换到真正的根上面去，同时运行/sbin/init程序，开启系统的1号进程，此后系统启动的控制权移交给 init 进程。

Init初始化阶段
在核心加载完成之后，系统就准备好了，等待程序的执行。整个linux系统中，第一个执行的程序就是“/sbin/init”。

具体步骤如下：
执行系统初始化脚本(/etc/rc.d/rc.sysinit)，对系统进行基本的配置，以读写方式挂载根文件系统及其它文件系统，到此系统基本算运行起来了；通过读取配置文件/etc/inittab确定启动后进入的运行级别，在选定运行级别后进入相应的“/etc/rc.d/rcX.d”目录中运行相应的服务内容，该目录下的内容全部都是以S或K开头的链接文件，这些链接文件都链接到“/etc/rc.d/init.d”目录下的各种shell脚本，通过执行这些shell脚本，完成了系统所有的启动任务，linux会启动终端或X-Window来等待用户登录。

Linux系统启动流程图及其相关文件

根文件系统（rootfs)

Linux 中的根文件系统像是一个文件夹或者叫做目录(在我看来就是一个文件夹，只不过是特殊的文件夹)，在这个目录里面会有很多的子目录。根目录下和子目录中会有很多的文件，这些文件是 Linux 运行所必须的，比如库、常用的软件和命令、设备文件、配置文件等等。

根文件系统是 Linux 内核启动以后挂载(mount)的第一个文件系统，然后从根文件系统中读取初始化脚本，比如 rcS， inittab 等。**根文件系统和 Linux 内核是分开的，单独的 Linux 内核是没法正常工作的，必须要搭配根文件系统。**如果不提供根文件系统， Linux 内核在启动的时候就会提示内核崩溃(Kernel panic)的提示

根文件系统结构

• /bin： binary，二进制文件，可执行程序，shell命令，如: ls , rm , mv, cp等常用命令
• /dev: device，在linux下一切皆文件 硬盘, 显卡, 显示器、字符设备文件、块设备文件。如: 在input目录下执行: sudo cat mouse0, 移动鼠标会显示有输入。
• /etc: 存放配置文件
• /lib: linux运行的时候需要加载的一些动态库，如: libc.so、libpthread.so等
• /mnt: 临时手动的挂载目录, 如U盘等
• /proc 虚拟文件系统，数据放置到内存中，存放系统运行信息
• /usr: usr不是user的缩写，而是UNIX Software Resource的缩写，存放于系统用户有关的文件，会占用很大的存储空间！
• /var 存放一些可以改变的数据
• /sbin: s是Super User的意思，这里存放的是系统管理员使用的系统管理程序。sbin下面的一般是系统开机过程中所需要的命令。如ifconfig, halt, shutdown, reboot等系统命令
• /sys 记录内核信息，虚拟文件系统。
• /opt: 安装第三方应用程序，比如安装oracle数据库可以在这个目录下

busybox软件集成Linux根文件的命令