嵌入式 Linux 启动流程详解 (以 ARM + U-Boot 为例)

对于嵌入式开发者而言，深入理解系统的启动流程至关重要。这不仅有助于进行底层驱动开发和系统移植，还能在遇到启动失败等问题时，快速定位和解决。本文将详细分解基于 ARM 架构的嵌入式 Linux 系统最常见的启动流程：BootROM -> U-Boot -> Kernel -> RootFS。过段时间仔细研究一下Uboot，看看能不能给手上这块3506移植个Uboot试试。

启动流程总览

嵌入式设备的启动过程是一个环环相扣的链条，前一级加载器负责初始化基础硬件，并加载下一级更复杂的程序，直到最终启动完整的 Linux 操作系统。

graph TD subgraph SoC 内部芯片 A[电源开启] --> B(BootROM); end subgraph 引导加载程序 (Bootloader) B --> |从 Flash/SD卡加载| C[U-Boot SPL]; C --> |初始化DDR| D[U-Boot 主体]; end subgraph 内核与用户空间 D --> |执行 bootcmd| E[加载 Linux 内核 (zImage)]; D --> |执行 bootcmd| F[加载设备树 (DTB)]; E & F --> G{启动内核}; G --> H[内核初始化硬件]; H --> I[挂载根文件系统 (RootFS)]; I --> J[执行第一个用户进程 /sbin/init]; J --> K[启动系统服务与应用]; end

1. BootROM - 芯片内的第一行代码

BootROM 是整个启动链的起点。

是什么 ：一段固化在 SoC (System on Chip) 芯片内部的只读存储器 (ROM) 中的程序。它由芯片制造商编写，用户无法修改，是上电后 CPU 执行的第一段代码。
核心职责 ：
1. 最小化硬件初始化：进行最基础的硬件设置，如配置内部时钟、初始化用于加载下一阶段代码的存储接口（如 SD 卡控制器、eMMC、SPI Flash 等）。
2. 加载外部引导程序 ：根据预设的启动介质顺序（通常由一组 BOOT_MODE 引脚的电平状态决定），从外部存储设备（Flash, eMMC, SD Card）中查找并加载第二阶段的引导加载程序（通常是 U-Boot 的一个小型版本 SPL）到芯片内部的 SRAM 中。
3. 移交控制权：加载完成后，将 CPU 的执行权限交给这段刚刚加载进来的代码。

BootROM 的工作非常单一，就是为更强大的 Bootloader 搭建一个最小化的运行环境。

2. U-Boot - 通用引导加载程序

U-Boot (Universal Boot Loader) 是嵌入式领域应用最广泛的开源引导加载程序。它功能强大，通常分两个阶段执行，以适应嵌入式系统 SRAM 较小的限制。

2.1 第一阶段: U-Boot SPL (Secondary Program Loader)

SPL 是什么：一个精简版的 U-Boot，主要目的是初始化 DDR 内存。由于 BootROM 加载 SPL 时使用的是芯片内部的 SRAM，而 SRAM 通常很小（几十到几百 KB），无法容纳完整的 U-Boot。
核心职责 ：
1. 初始化 DDR 控制器：这是 SPL 最重要的任务。DDR 内存是运行 Linux 内核和应用程序所必需的大容量内存空间。
2. 加载 U-Boot 主体 ：DDR 初始化完成后，SPL 会从外部存储设备中将完整的 U-Boot 镜像 (u-boot.img) 加载到 DDR 内存中。
3. 跳转执行：将控制权移交给位于 DDR 中的 U-Boot 主体。

2.2 第二阶段: U-Boot 主体

这是我们通常所说的 U-Boot，它功能完善，为启动 Linux 内核提供了所有必要的准备。

核心职责 ：
1. 全面的硬件初始化：初始化系统所需的各种外设，如串口（用于打印启动日志和提供命令行交互）、网络接口（用于网络启动和调试）、存储设备（eMMC, NAND）等。
2. 设置内核启动参数 (bootargs) ：这是 U-Boot 的一个关键功能。它会设置一个名为 bootargs 的环境变量，然后将其传递给 Linux 内核。这个参数字符串告诉内核一些重要的初始配置，例如：
  - console=ttyS0,115200：指定内核使用哪个串口作为控制台，以及波特率。
  - root=/dev/mmcblk0p2 rootwait：指定根文件系统的位置（例如在 SD 卡的第 2 个分区），并让内核等待设备就绪。
  - rootfstype=ext4：指定根文件系统的类型。
3. 加载内核和设备树 ：根据 bootcmd 环境变量中定义的命令（或手动输入），从存储介质（或通过网络 TFTP）中将 Linux 内核镜像 (zImage) 和设备树文件 (.dtb) 加载到 DDR 内存的指定地址。
4. 启动内核 ：执行 bootz 或 bootm 命令，将设备树文件的内存地址传递给内核，然后跳转到内核的入口点，正式开始 Linux 系统的启动。

3. Linux Kernel - 操作系统的核心

内核接管控制权后，标志着真正的操作系统开始运行。

内核自解压 ：zImage 是一个压缩的镜像，所以第一步是在内存中将自己解压出来。
解析设备树 (DTB)：内核会读取 U-Boot 传递过来的 DTB 文件。DTB 描述了板级的所有硬件信息，内核根据这些信息来初始化对应的驱动程序。这使得内核代码可以与硬件解耦，一份内核源码可以适配不同的开发板。
初始化硬件：内核开始全面初始化由 DTB 描述的所有硬件设备，并建立起驱动模型、内存管理、进程调度等核心子系统。
挂载根文件系统 (RootFS) ：内核根据 bootargs 中的 root 参数，找到并挂载根文件系统。
- 在开发阶段，常常使用 NFS (Network File System)，方便快速修改和调试。
- 在量产产品中，根文件系统通常存放在 eMMC 或 Flash 的一个分区上，格式为 ext4, squashfs (只读压缩), ubifs (用于 NAND Flash) 等。
启动 init 进程 ：根文件系统被挂载后，内核会创建并运行第一个用户空间的进程 /sbin/init（其 PID 永远为 1）。内核的初始化工作到此结束，后续的用户空间初始化全权交由 init 进程处理。

4. Init 与用户空间

init 进程是所有用户空间进程的"始祖"。它的任务是根据配置文件，将系统带入一个可用的状态。

常见的 init 程序 :
- BusyBox init ：在资源受限的嵌入式系统中非常流行。它解析 /etc/inittab 文件，按顺序执行其中的脚本来启动系统服务。
- SystemV init ：传统的 init 系统，同样使用 /etc/inittab 和运行级别 (Runlevel) 脚本 (/etc/rc.d/)。
- systemd：现代 Linux 发行版的主流选择，功能强大，并行启动速度快，但在嵌入式领域有时被认为过于复杂和庞大。
执行流程 ：init 进程会运行一系列启动脚本，这些脚本会：
- 挂载其他必要的文件系统（如 /proc, /sys, /tmp）。
- 配置网络。
- 启动系统日志、SSH 服务等后台守护进程。
- 最终，启动核心的应用程序。

当用户的应用程序成功运行起来后，整个嵌入式 Linux 系统的启动流程便宣告完成。