嵌入式启动全流程详解：从SPL到内核

嵌入式开发小白入门教程：从SPL到内核启动全流程解析

在嵌入式系统开发中，很多同学初学时都会被"启动流程"搞得一头雾水：为什么要分SPL、U-Boot、内核？为什么要从Flash拷贝到DDR？为什么还要设备树、环境变量？本文将以小白能看懂的方式，帮你理清这个复杂但很核心的知识点。

什么是SPL？为什么需要它？

SPL（Secondary Program Loader，二级程序加载器）是启动流程中的第一环节。你可以把它理解成一个"小启动器"，它负责最基础的硬件初始化，把系统带到能运行更复杂代码的状态。

硬件刚上电时，CPU处于一个"最原始"的状态：没有内存初始化，没有串口可用，更没有文件系统。
SPL的任务就是：
1. 初始化最基本的硬件（比如DDR内存、时钟、电源管理）。
2. 从Flash或SD卡中把真正的启动程序（如U-Boot）拷贝到DDR里。
3. 跳转到U-Boot的入口地址，交接控制权。

举个例子：

就像你刚开机时，BIOS会帮你把硬盘里的系统引导起来。SPL的作用就像嵌入式版的BIOS。

第二阶段：U-Boot阶段

SPL完成初始化后，就会跳转到U-Boot。

U-Boot（Universal Boot Loader）比SPL强大得多，它不仅能驱动更多的外设，还能与用户交互。

U-Boot能做什么？

外设初始化：
- 串口：方便调试和输入命令。
- 网卡：支持TFTP网络启动。
- 存储设备：SD卡、eMMC、NAND Flash 等。
提供命令行接口：
- 用户可以输入命令查看环境变量、下载镜像、配置启动参数。
- 常见命令：printenv（查看环境变量）、setenv（设置环境变量）、boot（启动）。
传递参数给内核：
- 比如根文件系统路径、设备树位置等。
加载并启动内核：
- 将Linux内核镜像（zImage、uImage等）加载到DDR。
- 把设备树（.dtb）传给内核。
- 跳转到内核入口。

内核启动阶段

当内核接手后，主要任务是：

初始化系统资源：
- 内存管理（分页表、虚拟地址映射）。
- 中断控制器。
- CPU调度器。
加载驱动程序：
- 设备树（Device Tree）告诉内核有哪些硬件、地址在哪里、用什么驱动。
- 内核根据设备树初始化对应驱动。
挂载根文件系统：
- 根文件系统提供了用户空间所需的二进制程序和库。
启动用户空间程序：
- 最后运行 init 程序，进入真正的用户世界。
- 用户可以使用命令行、启动应用，系统正式进入可操作状态。

启动方式有哪些？

常见的嵌入式启动方式有：

Flash启动：从NAND Flash 或 eMMC 读取SPL、U-Boot、内核。
SD卡启动：开发板常用，方便调试和升级。
网络启动（TFTP/NFS）：适合开发阶段，不需要每次烧录镜像。

内存空间与代码段划分

在学习启动流程时，经常会遇到"代码段、数据段、BSS段"这些名词，简单解释一下：

代码段（.text）：存放可执行指令。
数据段（.data）：存放已初始化的全局变量和静态变量。
BSS段（.bss）：存放未初始化的全局变量和静态变量（只记录大小，不占文件体积）。
堆（heap）：程序运行时动态分配的内存。
栈（stack）：存放函数调用信息、局部变量、参数。

举个例子：

c 复制代码

int a = 10;   // data 段
int b;        // bss 段
void main() { 
    int c = 5;  // 栈
    int *p = malloc(100); // 堆
}

内核态与用户态

很多小白会问："为什么要分内核态和用户态？"

用户态：应用程序运行的地方，权限低，不能直接操作硬件。
内核态：操作系统核心运行的地方，权限高，能直接访问硬件。

这样设计的原因：

防止应用程序误操作硬件，保证系统稳定性。
提供统一的接口（系统调用）给用户程序。

进程与线程

在操作系统中：

进程：资源分配的基本单位，每个进程有独立的地址空间。
线程：CPU调度的基本单位，多个线程共享同一个进程的资源。

对比理解：

进程 = 一栋大楼
线程 = 大楼里的房间
多线程程序就像多人在同一栋楼里各干各的事，效率更高，但也可能相互影响。

启动流程总结图

复制代码

上电 -> ROM Code (CPU内部) 
     -> SPL (初始化最小硬件，加载U-Boot)
     -> U-Boot (外设初始化，加载内核，传参)
     -> Linux Kernel (驱动加载，系统资源初始化)
     -> 根文件系统 (启动用户程序)
     -> 用户空间 (进入命令行/应用)

小结

本文带大家从零梳理了嵌入式系统启动流程：

SPL：最小引导，初始化硬件，把U-Boot搬进内存。
U-Boot：强大的Bootloader，负责交互、传参、加载内核。
内核：接手后初始化系统，加载驱动，进入用户态。
用户空间：最终让用户能操作系统，运行应用。