BootLoader與Linux內(nèi)核的參數(shù)傳遞

在嵌入式系統(tǒng)中，BootLoader 是用來初始化硬件，加載內(nèi)核，傳遞參數(shù)。因為嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境各不相同，所以嵌入式系統(tǒng)的BootLoader 也各不相同，其中比較通用的是U-Boot，它支持不同的體系結(jié)構(gòu)，如ARM，PowerPC，X86，MIPS 等。本文著重介BootLoader與內(nèi)核之間參數(shù)傳遞這一基本功能。本文的硬件平臺是基于AT91RM9200 處理器系統(tǒng)，軟件平臺是Linux-2.6.19.2 內(nèi)核。內(nèi)核映像文件為zImage。

1. 系統(tǒng)硬件平臺簡介
AT91RM9200 處理器，它是由Atmel 公司基于ARM920T 內(nèi)核的微處理器，帶有內(nèi)存管理單元，CPU 時鐘最高可達(dá)240MHz,它具有豐富的標(biāo)準(zhǔn)接口，EBI 接口，內(nèi)部集成了靜態(tài)存儲控制器（SMC），SDRAM 控制器，Burst Flash 控制器。有關(guān)處理器的說明請參考AT91RM9200 的數(shù)據(jù)手冊。本系統(tǒng)SDRAM（64MB）地址為：0x20000000, NorFlash（8MB）的地址為：0x10000000[1]。

2. BootLoader 設(shè)計和實現(xiàn)
內(nèi)核源代碼目錄樹下的documentation/arm/booting[2]文檔規(guī)定了基于ARM 體系結(jié)構(gòu)BootLoader 的基本功能。本系統(tǒng)BootLoader 除了完成這些基本的功能外，還結(jié)合自身硬件的特點加入了代碼搬運等功能。

BootLoader 的流程是：系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先從NorFlash 開始運行（由處理器BMS 引腳連接決定），因為處理器此時的0 地址就是NorFlash 的首地址(0x10000000)，BootLoader就是被燒寫在這個位置，AT91RM9200 處理器能夠映射的地址范圍只有0x0000

0000—0x001f ffff。 BootLoader 執(zhí)行的第一步就是將自身代碼從NorFlash 中搬運到處理器內(nèi)部的RAM 中（0x00200000），然后將0 地址映射到內(nèi)部RAM,并且跳轉(zhuǎn)到內(nèi)部RAM 的相應(yīng)地址處繼續(xù)執(zhí)行。進(jìn)入內(nèi)部RAM 后才進(jìn)入真正的硬件初始化階段，這個階段初始化的各種控制器都是內(nèi)核所必須的，包括：PMC, EBI, SMC, SDRAM, USART 等。接著就是創(chuàng)建內(nèi)核參數(shù)鏈表(Tagged list)，創(chuàng)建完鏈表就是搬運事先燒寫在NorFlash 中的內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像到SDRAM，根據(jù)內(nèi)核對BootLoader 的基本要求關(guān)閉中斷，MMU 和數(shù)據(jù)Cache，并且配置r0=0, r1=0x0000 00fb 或者0x00000106(根據(jù)內(nèi)核中l(wèi)inux/arch/arm/tools/mach-types[2]

規(guī)定的機(jī)器編號)，r2=0x20000100（BootLoader 傳遞給內(nèi)核參數(shù)鏈表的物理地址），在ARM體系結(jié)構(gòu)中，這個地址在同一種處理器的機(jī)器描述符（machine_desc）中都是默認(rèn)的，所以在這里可以不指定。最后BootLoader 直接跳轉(zhuǎn)到SDRAM 的內(nèi)核處執(zhí)行。

3. 內(nèi)核參數(shù)鏈表
BootLoader 可以通過兩種方法傳遞參數(shù)給內(nèi)核， 一種是舊的參數(shù)結(jié)構(gòu)方式（parameter_struct)，主要是2.6 之前的內(nèi)核使用的方式。另外一種就是現(xiàn)在的2.6 內(nèi)核在用的參數(shù)鏈表 (tagged list) 方式。這些參數(shù)主要包括，系統(tǒng)的根設(shè)備標(biāo)志，頁面大小，內(nèi)存的起始地址和大小，RAMDISK 的起始地址和大小，壓縮的RAMDISK 根文件系統(tǒng)的起始地址和大小，內(nèi)核命令參數(shù)等[3][4][5]。

內(nèi)核參數(shù)鏈表的格式和說明可以從內(nèi)核源代碼目錄樹中的 include/asm-arm/setup.h[2]中找到，參數(shù)鏈表必須以ATAG_CORE 開始，以ATAG_NONE 結(jié)束。這里的ATAG_CORE，ATAG_NONE 是各個參數(shù)的標(biāo)記，本身是一個32 位值，例如：ATAG_CORE=0x54410001。

其它的參數(shù)標(biāo)記還包括： ATAG_MEM32 ， ATAG_INITRD ， ATAG_RAMDISK ，ATAG_COMDLINE 等。每個參數(shù)標(biāo)記就代表一個參數(shù)結(jié)構(gòu)體，由各個參數(shù)結(jié)構(gòu)體構(gòu)成了參數(shù)鏈表。參數(shù)結(jié)構(gòu)體的定義如下：

struct tag
{
struct tag_header hdr;
union {
struct tag_core core;
struct tag_mem32 mem;
struct tag_videotext videotext;
struct tag_ramdisk ramdisk;
struct tag_initrd initrd;
struct tag_serialnr serialnr;
struct tag_revision revision;
struct tag_videolfb videolfb;
struct tag_cmdline cmdline;
struct tag_acorn acorn;
struct tag_memclk memclk;
} u;
};

參數(shù)結(jié)構(gòu)體包括兩個部分，一個是 tag_header 結(jié)構(gòu)體,一個是u 聯(lián)合體。

tag_header 結(jié)構(gòu)體的定義如下：
struct tag_header
{
u32 size;
u32 tag;
};

其中 size：表示整個tag 結(jié)構(gòu)體的大小(用字的個數(shù)來表示，而不是字節(jié)的個數(shù))，等于tag_header 的大小加上u 聯(lián)合體的大小，例如，參數(shù)結(jié)構(gòu)體ATAG_CORE 的

size=(sizeof(tag->tag_header)+sizeof(tag->u.core))>>2，一般通過函數(shù) tag_size(struct * tag_xxx)來獲得每個參數(shù)結(jié)構(gòu)體的size。其中tag：表示整個tag 結(jié)構(gòu)體的標(biāo)記，如：ATAG_CORE等。

聯(lián)合體u 包括了所有可選擇的內(nèi)核參數(shù)類型，包括：tag_core, tag_mem32，tag_ramdisk等。參數(shù)結(jié)構(gòu)體之間的遍歷是通過函數(shù)tag_next(struct * tag)來實現(xiàn)的。本系統(tǒng)參數(shù)鏈表包括的結(jié)構(gòu)體有： ATAG_CORE ， ATAG_MEM， ATAG_RAMDISK， ATAG_INITRD32 ，ATAG_CMDLINE，ATAG_END。在整個參數(shù)鏈表中除了參數(shù)結(jié)構(gòu)體ATAG_CORE 和ATAG_END 的位置固定以外，其他參數(shù)結(jié)構(gòu)體的順序是任意的。本BootLoader 所傳遞的參數(shù)鏈表如下：第一個內(nèi)核參數(shù)結(jié)構(gòu)體，標(biāo)記為ATAG_CORE，參數(shù)類型為tag_core。每個參數(shù)類型的定義請參考源代碼文件。

tag_array 初始化為指向參數(shù)鏈表的第一個結(jié)構(gòu)體的指針。

tag_array->hdr.tag=ATAG_CORE;
tag_array->hdr.size=tag_size(tag_core);
tag_array->u.core.flags=1;
tag_array->u.core.pagesize=4096;
tag_array->u.core.rootdev=0x00100000;
tag_array=tag_next(tag_array);
tag_array->hdr.tag=ATAG_MEM;
tag_array->hdr.size=tag_size(tag_mem32);
tag_array->u.mem.size=0x04000000;
tag_array->u.mem.start=0x20000000;
tag_array=tag_next(tag_array);
……
tag_array->hdr.tag=ATAG_NONE;
tag_array->hdr.size=0;
tag_array=tag_next(tag_array);

最后將內(nèi)核參數(shù)鏈表復(fù)制到內(nèi)核默認(rèn)的物理地址0x20000100 處。這樣參數(shù)鏈表就建好了。

4. 內(nèi)核接收參數(shù)
下面從基于ARM體系結(jié)構(gòu)的zImage 映像啟動來分析Linux 內(nèi)核是怎樣接收BootLoader傳遞過來的內(nèi)核參數(shù)，zImage 啟動過程如下圖所示。

(圖有時間再畫)

在文件 arch/arm/boot/compressed/head.S[2]中 start 為zImage 的起始點，部分代碼如下：
start:
mov r7, r1
mov r8, r2
…...
mov r0, r4
mov r3, r7
bl decompress_kernel
b call_kernel
call_kernel：
……
mov r0, #0
mov r1, r7
mov r2, r8
mov pc, r4

首先將BootLoader 傳遞過來的r1（機(jī)器編號）、r2（參數(shù)鏈表的物理地址）的值保存到r7、r8 中，再將r7 作為參數(shù)傳遞給解壓函數(shù)decompress_kernel（）。在解壓函數(shù)中，再將r7 傳遞給全局變量__machine_arch_type。在跳到內(nèi)核（vmlinux）入口之前再將r7，r8 還原到r1，r2 中。

在文件 arch/arm/kernel/head.S[2]中，內(nèi)核（vmlinux）入口的部分代碼如下：

stext：
mrc p15, 0, r9, c0, c0
bl __lookup_processor_type
………
bl __lookup_machine_type

首先從處理器內(nèi)部特殊寄存器（CP15）中獲得ARM 內(nèi)核的類型，從處理器內(nèi)核描述符（proc_info_list）表（__proc_info_begin—__proc_info_end）中查詢有無此ARM 內(nèi)核的類型，如果無就出錯退出。處理器內(nèi)核描述符定義在 include/asm-arm/procinfo.h[2]中，具體的函數(shù)實現(xiàn)在 arch/arm/mm/proc-xxx.S[2]中，在編譯連接過程中將各種處理器內(nèi)核描述符組合成表。接著從機(jī)器描述符（machine_desc）表（__mach_info_begin—__mach_info_end）中查詢有無r1 寄存器指定的機(jī)器編號，如果沒有就出錯退出。機(jī)器編號mach_type_xxx 在arch/arm/tools/mach-types[2]文件中說明，每個機(jī)器描述符中包括一個唯一的機(jī)器編號，機(jī)器描述符的定義在 include/asm-arm/mach/arch.h[2]中，具體實現(xiàn)在 arch/arm/mach-xxxx[2]文件夾中，在編譯連接過程中將基于同一種處理器的不同機(jī)器描述符組合成表。例如，基于AT91RM9200 處理器的各種機(jī)器描述符可以參考 arch/arm/mach-at91rm9200/board-xxx.c[2]，機(jī)器編號為262 的機(jī)器描述符如下所示：

MACHINE_START(AT91RM9200DK, "Atmel AT91RM9200-DK")
/* Maintainer: SAN People/Atmel */
.phys_io = AT91_BASE_SYS,
.io_pg_offst = (AT91_VA_BASE_SYS >> 18) & 0xfffc,
.boot_params = AT91_SDRAM_BASE + 0x100,
.timer = &at91rm9200_timer,
.map_io = dk_map_io,
.init_irq = dk_init_irq,
.init_machine = dk_board_init,
MACHINE_END

最后就是打開MMU，并跳轉(zhuǎn)到 init/main.c[2]的start_kernel（初始化系統(tǒng)。在 init/main.c[2] 中，函數(shù)start_kernel（）的部分代碼如下：

{
……
setup_arch（）；
……
}

在 arch/arm/kernel/setup.c[2]中，函數(shù)setup_arch（）的部分代碼如下：

{
……
setup_processor();
mdesc=setup_machine(machine_arch_type);
……
parse_tags(tags);
……
}

setup_processor（）函數(shù)從處理器內(nèi)核描述符表中找到匹配的描述符，并初始化一些處理器變量。setup_machine（）用機(jī)器編號（在解壓函數(shù)decompress_kernel 中被賦值）作為參數(shù)返回機(jī)器描述符。從機(jī)器描述符中獲得內(nèi)核參數(shù)的物理地址，賦值給tags 變量。然后調(diào)用parse_tags（）函數(shù)分析內(nèi)核參數(shù)鏈表，把各個參數(shù)值傳遞給全局變量。這樣內(nèi)核就收到了BootLoader 傳遞的參數(shù)。

5. 參數(shù)傳遞的驗證和測試
參數(shù)傳遞的結(jié)果可以通過內(nèi)核啟動的打印信息來驗證。

Machine: Atmel AT91RM9200-DK
……
Kernel command line: console=ttyS0,115200 root=/dev/ram rw init=/linuxrc
……
Memory: 64MB = 64MB total
……
checking if image is initramfs...it isn't (no cpio magic); looks like an initrd
Freeing initrd memory: 1024K
……
RAMDISK: Compressed image found at block 0

一個完備的BootLoader 是一個很復(fù)雜的工程，本文所介紹的只是嵌入式系統(tǒng)的BootLoaer 基本功能。任何一個BootLoader 都離不開這個基本功能，內(nèi)核只有接收這些參數(shù)才能正確地啟動,同時也為內(nèi)核的移植和調(diào)試奠定了良好的基礎(chǔ)。