BootLoader與內核之間參數(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構，如ARM，PowerPC，X86，MIPS 等。本文著重介BootLoader與內核之間參數(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 內核。內核映像文件為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(tài)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(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 設計和實現(xiàn)

內核源代碼目錄樹下的documentatiON/arm/booting[2]文檔規(guī)定了基于ARM 體系結構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 中搬運到處理器內部的RAM 中(0x00200000)，然后將0 地址映射到內部RAM,并且跳轉到內部RAM 的相應地址處繼續(xù)執(zhí)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(chuàng)建內核參數(shù)鏈表(Tagged list)，創(chuàng)建完鏈表就是搬運事先燒寫在NorFlash 中的內核映像和根文件系統(tǒng)映像到SDRAM，根據(jù)內核對BootLoader 的基本要求關閉中斷，MMU 和數(shù)據(jù)Cache，并且配置r0=0, r1=0x0000 00fb 或者0x00000106(根據(jù)內核中l(wèi)inux/arch/arm/tools/mach-types[2]

規(guī)定的機器編號)，r2=0x20000100(BootLoader 傳遞給內核參數(shù)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(zhí)行。

3. 內核參數(shù)鏈表

BootLoader 可以通過兩種方法傳遞參數(shù)給內核， 一種是舊的參數(shù)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(xiàn)在的2.6 內核在用的參數(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(tǒng)的起始地址和大小，內核命令參數(shù)等[3][4][5]。

內核參數(shù)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(shù)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(shù)的標記，本身是一個32 位值，例如：ATAG_CORE=0x54410001。

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

struct tag

{

struct tag_headerHDR;

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)結構體包括兩個部分，一個是 tag_header 結構體,一個是u 聯(lián)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(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)結構體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)結構體的size。其中tag：表示整個tag 結構體的標記，如：ATAG_CORE等。

聯(lián)合體u 包括了所有可選擇的內核參數(shù)類型，包括：tag_core, tag_mem32，tag_ramdisk等。參數(shù)結構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)鏈表包括的結構體有： 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)結構體ATAG_CORE 和ATAG_END 的位置固定以外，其他參數(shù)結構體的順序是任意的。本BootLoader 所傳遞的參數(shù)鏈表如下：第一個內核參數(shù)結構體，標記為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(shù)鏈表復制到內核默認的物理地址0x20000100 處。這樣參數(shù)鏈表就建好了。

4. 內核接收參數(shù)

下面從基于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(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(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(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器描述符組合成表。例如，基于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，并跳轉到 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);

……