BootLoader與Linux内核的參數傳遞(轉)




2008/11/24 12:06


在嵌入式系統中,BootLoader 是用來初始化硬件,加載內核,傳遞參數。因為嵌入式系統的硬件環境各不相同,所以嵌入式系統的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構,如ARM,PowerPC,X86,MIPS 等。本文著重介BootLoader與內核之間參數傳遞這一基本功能。本文的硬件平台是基於AT91RM9200 處理器系統,軟件平台是Linux-2.6.19.2 內核。內核映像文件為zImage。

1. 系統硬件平台簡介
AT91RM9200 處理器,它是由Atmel 公司基於ARM920T 內核的微處理器,帶有內存管理單元,CPU 時鐘最高可達240MHz,它具有豐富的標準接口,EBI 接口,內部集成了靜態存儲控制器(SMC),SDRAM 控制器,Burst Flash 控制器。有關處理器的說明請參考AT91RM9200 的數據手冊。本系統SDRAM(64MB)地址為:0x20000000, NorFlash(8MB)的地址為:0x10000000[1]。

2. BootLoader 設計和實現
內核源代碼目錄樹下的documentation/arm/booting[2]文檔規定了基於ARM 體系結構BootLoader 的基本功能。本系統BootLoader 除了完成這些基本的功能外,還結合自身硬件的特點加入了代碼搬運等功能。

BootLoader 的流程是:系統上電復位后,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範圍只有0x0000

0000—0x001f ffff。 BootLoader 執行的第一步就是將自身代碼從NorFlash 中搬運到處理器內部的RAM 中(0x00200000),然后將0 地址映射到內部RAM,並且跳轉到內部RAM 的相應地址處繼續執行。進入內部RAM 后才進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核所必須的,包括:PMC, EBI, SMC, SDRAM, USART 等。接著就是創建內核參數鏈表(Tagged list),創建完鏈表就是搬運事先燒寫在NorFlash 中的內核映像和根文件系統映像到SDRAM,根據內核對BootLoader 的基本要求關閉中斷,MMU 和數據Cache,並且配置r0=0, r1=0x0000 00fb 或者0x00000106(根據內核中linux/arch/arm/tools/mach-types[2]

規定的機器編號),r2=0x20000100(BootLoader 傳遞給內核參數鏈表的物理地址),在ARM體系結構中,這個地址在同一種處理器的機器描述符(machine_desc)中都是默認的,所以在這里可以不指定。最后BootLoader 直接跳轉到SDRAM 的內核處執行。

3. 內核參數鏈表
BootLoader 可以通過兩種方法傳遞參數給內核, 一種是舊的參數結構方式(parameter_struct),主要是2.6 之前的內核使用的方式。另外一種就是現在的2.6 內核在用的參數鏈表 (tagged list) 方式。這些參數主要包括,系統的根設備標志,頁面大小,內存的起始地址和大小,RAMDISK 的起始地址和大小,壓縮的RAMDISK 根文件系統的起始地址和大小,內核命令參數等[3][4][5]。

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

其它的參數標記還包括: ATAG_MEM32 , ATAG_INITRD , ATAG_RAMDISK ,ATAG_COMDLINE 等。每個參數標記就代表一個參數結構體,由各個參數結構體構成了參數鏈表。參數結構體的定義如下:

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;
};

參數結構體包括兩個部分,一個是 tag_header 結構體,一個是u 聯合體。

tag_header 結構體的定義如下:
struct tag_header
{
u32 size;
u32 tag;
};

其中 size:表示整個tag 結構體的大小(用字的個數來表示,而不是字節的個數),等於tag_header 的大小加上u 聯合體的大小,例如,參數結構體ATAG_CORE 的

size=(sizeof(tag->tag_header)+sizeof(tag->u.core))>>2,一般通過函數tag_size(struct * tag_xxx)來獲得每個參數結構體的size。其中tag:表示整個tag 結構體的標記,如:ATAG_CORE等。

聯合體u 包括了所有可選擇的內核參數類型,包括:tag_core, tag_mem32,tag_ramdisk等。參數結構體之間的遍曆是通過函數tag_next(struct * tag)來實現的。本系統參數鏈表包括的結構體有: ATAG_CORE , ATAG_MEM, ATAG_RAMDISK, ATAG_INITRD32 ,ATAG_CMDLINE,ATAG_END。在整個參數鏈表中除了參數結構體ATAG_CORE 和ATAG_END 的位置固定以外,其他參數結構體的順序是任意的。本BootLoader 所傳遞的參數鏈表如下:第一個內核參數結構體,標記為ATAG_CORE,參數類型為tag_core。每個參數類型的定義請參考源代碼文件。

tag_array 初始化為指向參數鏈表的第一個結構體的指針。

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);

最后將內核參數鏈表復制到內核默認的物理地址0x20000100 處。這樣參數鏈表就建好了。

4. 內核接收參數
下面從基於ARM體系結構的zImage 映像啟動來分析Linux 內核是怎樣接收BootLoader傳遞過來的內核參數,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(機器編號)、r2(參數鏈表的物理地址)的值保存到r7、r8 中,再將r7 作為參數傳遞給解壓函數decompress_kernel()。在解壓函數中,再將r7 傳遞給全局變量__machine_arch_type。在跳到內核(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

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

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,並跳轉到 init/main.c[2]的start_kernel(初始化系統。在 init/main.c[2] 中,函數start_kernel()的部分代碼如下:

{
……
setup_arch();
……
}

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

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

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

5. 參數傳遞的驗證和測試
參數傳遞的結果可以通過內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 是一個很復雜的工程,本文所介紹的只是嵌入式系統的BootLoaer 基本功能。任何一個BootLoader 都離不開這個基本功能,內核只有接收這些參數才能正確地啟動,同時也為內核的移植和調試奠定了良好的基礎。--

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