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Linux时代 > 技术文档 > 程序开发 >
uClinux 启动过程详细分析
大家对uclinux的启动应该都比较熟悉，作为一名嵌入系统开发者，你一定遇到过下面的情景：
上面的这些输出信息，也可能包括你自己正在做的uclinux开发板的输出信息，其中的每一行，每一个字的含义，你是否深究过，或者说大部分的含义你能确切地知道的？本人想在这里结合本人在实践中一些体会来和广大uclinux的开发者一起读懂这些信息。 我们在这里将以一个真实的uclinux系统的启动过程为例，来分析这些输出信息。启动信息的原始内容将用标记标出，以区别与注释。 uclinux的启动主要分为两个阶段：
第一部分 : bootloader启动 图 1：uclinux启动状态转移示意图 
Bootloader头信息，版本，编译时间等，这个因不同的bootloader的设计而有所不同，由此你能看出bootloader的版本信息，有很多使用的是通用的bootloader，如u-boot，redboot等。
将bootloader加载到内存ram中的0x90060000处，即将bootloader加载到内存的高端地址处。 Linux内核将被bootloader加载到0x90090000处。
查找到了启动boot的配置信息。
从flash中启动代码，此处的flash为并行闪存。
注意：任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。 从上面的信息，我们可以对flash类型特点有个比较明确的了解。
开发板上所使用的CPU的主频为200MHZ。
动态内存ram大小为128M。 在嵌入式系统中使用DRAM内存的设计比较广泛。 在uclinux的系统中，系统运行时间较长后，会出现内存碎片的问题，导致再分配大块内存时会失败。这是在uclinux系统中经常遇到的问题，解决的办法通常有使用静态内存、应用程序启动时预先分配大内存、使用内存池等。 地址辅助说明：
先说明一下内存地址数字情况，主要是为了方便记忆。 可以访问的内存为4G。 0x40000000是1GB处； 0x00040000是256K处， 0x00020000是128K处， 0x90000000是2GB多的地方。 1M->0x00100000, 2M->0x00200000, 8M->0x00800000, 16M->0x01000000, 32M->0x02000000, 256M->0x10000000, 64K->0x00010000, 4K->0x00001000 这个是个快速记忆的方法，你可以根据地址中1的位置和其后0的个数来快速知道换算后的地址是在多少兆的地方。比如，1的后面5个0，代表1M的大小，6个0，代表16M，以此类推。
romfs,只读文件系统所在的地址为：0x46040000 (flash映射后的第3分区)。卷名为rom。 romfs 和rootfs概念上有所区别。flash在内存中的的起始地址为0x46000000,而ROMFS在flash分区上的起始位置为 0x00040000，所以ROMFS在内存地址中的位置就为0x46040000。这个细节的部分可以参考flash分区时的地方，Creating 3 MTD partitions。 romfs中包括kernel和app应用，不包括bootloader和firmware信息头。romfs只读文件系统里的内容有很多种分类方法，我们可以将kernel和app同时放里面，作为根文件系统下的一个文件，也可以在flash上另外划分区域来分别存放。
注意：rootfs并不是一个具体的文件系统类型，如jffs。它只是一个理论上的概念。在具体的嵌入系统实例中，可以将某种具体的文件系统设置为根文件系统rootfs，如我们可以设置romfs为根文件系统，也可以设置jffs为根文件系统。 这里的ROMFS只读文件系统只是一种具体的文件系统类型，也是在嵌入系统中经常使用到的类型。 看完了上面的内容，以后你对出现的类似“kernel Panic:VFS:Unable to mount root fs on 0:00”的含义应该已经了解了。其中“VFS:”就是虚拟文件系统管理器操作时的输出信息了。
linux kernel内核文件名，它是在只读文件系统romfs上的一个组成部分。
将romfs中的linux kernel解压缩到0x90090000,之后会从这个内存地址启动内核。romfs为压缩格式文件,使用压缩的只读文件系统，是为了保持制作出来的整个系统所占用的flash空间减小。这个内核的大小为1.3M左右，这也是目前大多数嵌入系统所使用的方法。
释放……
做释放后的CRC检查。
kernel已经被从romfs中释放到内存地址0x90090000处，可以跳转到此处启动kernel了，这里是指定的kernel的起始地址。
系统等待启动，后面将看到linux kernel的启动过程了。 第二部分 : linux内核初始化以及启动 第一节：start_kernel Linux的源代码可以从 www.kernel.org 得到，或者你可以查看linux代码交叉引用网站：http://lxr.linux.no/ 进行在线的代码查看，这是一个很好的工具网站。 在start_kernel中将调用到大量的init函数，来完成内核的各种初始化。如：
具体内容可以参考[http://lxr.linux.no/source/init/main.c] Linux version 2.4.22-uc0 (root@local) (gcc version 2.95.3 20010315 (release)) #33 .?1.. 20 12:09:106 上面的代码输出信息，是跟踪linux代码分析后得到的，进入init目录下的main.c的start_kernel启动函数。 uclinux使用的是linux内核版本为2.4.22。linux source code代码中start_kernel中输出的linux_banner信息。这个信息是每个linux kernel都会打印一下的信息，如果你没有把这句去掉的话。
bootloader经过内存映射后的地址为：0x10000fc0, 按上面的地址换算方法，1后面有7个0，那么虚拟地址256M左右处。
pT110是ARM微处理器arm核的一种，另一种为pT100。此处为显示ARM的类型。
预留内存大小，在节点0上总共20页, zone(0) 设置最小内存为12MB, zone(1)和zone(2)为0页。警告：对齐不正确。
Kernel 启动命令设为：/dev/mtdblock3（在后面的说明中会看到mtdblock3是指的flash上的romfs分区。），用来指定根文件系统所在的位置，kernel会将块设备mtdblock3当作文件系统来处理。也就是说，内核会根据上面的kernel命令行，知道只读文件系统romfs将是根文件系统rootfs。
代码中console_init()的输出信息, 显示控制台属性：一般使用VGA text console，标准是80 X 25行列的文本控制台，这里是对属性进行了设置。
串口设置值为115200，此为波特率输出信息。对串口设置的信息做一个打印的动作，在调试时会非常有用。
Calibrate:校准, 进入时延校准循环。检查CPU的MIPS(每秒百万条指令)，Bogo是Bogus(伪)的意思。这里是对CPU进行一个实时测试，来得到一个大体的MIPS数值。 上面这个输出，在所有的linux系统启动中都会打印出来。 进入内存初始化：
当前内存使用情况，将列出总的内存大小, 及分配给内核的内存大小:包括代码部分，数据部分，初始化部分,总共刚好4M。请留意此处的内核的内存大小的各个值。 进入虚拟文件系统VFS初始化：
在内存中建立各个缓冲hash表，为kernel对文件系统的访问做准备。 VFS（virtual filesystem switch）虚拟文件切换目录树有用到类似这样的结构表。 上面的输出信息，在一般的linux启动过程中都会看到。
conformance:顺应, 一致。即POSIX适应性检测。UNIFIX是一家德国的技术公司，Linux 原本要基于 POSIX.1 的, 但是 POSIX 不是免费的, 而且 POSIX.1 证书相当昂贵. 这使得 Linux 基于 POSIX 开发相当困难. Unifix公司(Braunschweig, 德国) 开发了一个获得了 FIPS 151-2 证书的 Linux 系统. 这种技术用于 Unifix 的发行版 Unifix Linux 2.0 和 Lasermoon 的 Linux-FT。 在2.6的内核中就将上面的这句输出给拿掉了。 第二节：用户模式( user_mode )开始，start_kernel结束
设备的初始化
英国威尔士，斯旺西大学的NET3.039, TCP/IP 协议栈。 此信息，在linux启动过程中都会出现。
对Socket的初始化， socket_init()，Netlink 一种路由器管理协议(linux-2.4.22\net\core\Rtnetlink.c，Routing netlink socket interface: protocol independent part。其中RT是route路由的意思。这句输出是在create产生rtnetlink的socket套接字时的一个调试输出。) 此信息，在linux启动过程中都会出现。
启动交换守护进程kswapd，进程IO操作例程kpiod。 kswapd 可以配合kpiod运行。进程有时候无事可做，当它运行时也不一定需要把其所有的代码和数据都放在内存中。这就意味着我们可以通过把运行中程序不用的内容切换到交换分区来更好的是利用内存。大约每隔1秒，kswapd醒来并检查内存情况。如果在硬盘的东西要读入内存，或者内存可用空间不足，kpiod就会被调用来做移入/移出操作。kswapd负责检查，kpiod负责移动。
加载日志块设备驱动。 日志块设备是用来对文件系统进行日志记录的一个块设备。日志文件系统是在传统文件系统的基础上，加入文件系统更改的日志记录。 它的设计思想是：跟踪记录文件系统的变化，并将变化内容记录入日志。日志文件系统在磁盘分区中保存有日志记录，写操作首先是对记录文件进行操作，若整个写操作由于某种原因(如系统掉电)而中断，系统重启时，会根据日志记录来恢复中断前的写操作。在日志文件系统中，所有的文件系统的变化都被记录到日志，每隔一定时间，文件系统会将更新后的元数据及文件内容写入磁盘。在对元数据做任何改变以前，文件系统驱动程序会向日志中写入一个条目，这个条目描述了它将要做些什么，然后它修改元数据。
Devfs模块的输出信息。设备文件系统devfs，版本1.12c
Pty模块的输出信息，与控制台操作有关的设置。 将通过 devpts 文件系统使用 Unix98 PTYs，（Pseudo-ttys (telnet etc) device是伪ttys设备的缩写。
使用 make dev脚本MAKEDEV来建立pty文件。这样系统内核就支持Unix98风格的pty了。在进行Telnet登录时将要用到/dev/pty设备。 pty是伪终端设备，在远程登录等需要以终端方式进行连接，但又并非真实终端的应用程序中必须使用这种设备，如telnet或xterm等程序。 Linux 2.2以后增添了UNIX98风格的Pty设备，它使用一个新的文件系统(devpts针对伪终端的文件系统)和一个克隆的设备cloning device来实现其功能。
加载返还块设备驱动，最多支持8个设备。
网卡驱动，基地址为：0x60112000， MAC地址:00:10:0d:42:a0:03, 中断号：14 从 2.2 版内核升级到 2.4 版时, RTL-8139 支持模块已不再叫 rtl8139，而叫它 8139too，现在你再看到8139too就不会不明白它的来由了吧。
USB设备信息，USB会被当做SCSI来处理。
软中断信息输出。Tasklet是在2.4中才出现，它是为了更好地利用多CPU。
探测 XX的闪存（Flash Memory）,"NOR NAND Flash Memory Technology"。
AMD与富士通合资设立的Flash供货商Spansion。AMD因获利不佳,已经退出Flash市场，后续由Spansion合资公司经营.主要生产NOR类型的flash,特点是容量小，速度快。Spansion商标的flash，在我们开发中会经常看到。以后大家看到Spansion的芯片，就能了解到它和AMD还有富士通的来龙去脉了。 Common flash Interface (CFI)是指一个统一的flash访问接口，表示这种flash是这种接口类型的。
使用flash写缓冲方式。 flash 提供了写BUFFER的命令来加快对flash上块的操作。对Flash擦除和写数据是很慢的。如果用写BUFFER的命令会快一点。据手册上说，会快 20倍。Buffer Size ：5 bytes的buffer缓冲不是每个块都有，是整个flash只有一个5 bytes的buffer，用写BUFFER命令对所有的块进行写操作，都要用同一个buffer,写Buffer是主要检查buffer是否 available，其实buffer起缓冲作用，来提高工作效率。 比如某flash有128个128K字节块。允许用户对任意块进行字节编程和写缓冲器字节编程操作，每字节编程时间为210μs；若采用写缓冲器字节编程方式，32字节编程共需218μs，每字节编程时间仅为6.8μs。芯片的块擦除时间为1s，允许在编程或块擦除操作的同时进行悬挂中断去进行读操作，待读操作完成后，写入悬挂恢复命令，再继续编程或块擦除。
此处为重要信息部分，需要特别留意。在内存中映射过的flash,创建三个MTD分区： flash上的内容将被映射到内存中的对应地址 前128K为BootLoader--->0x00000000-0x00020000 接着的128K为系统配置信息Config存放的位置--->0x00020000-0x00040000 再后面的 16M - 2X128K 为romfs的存放处.--->0x00040000-0x01000000 上面的内容，大家可以根据前面的换算公式得到。 A> 编译的bootloader一般大小约50K左右； B> 在此处就知道了配置信息config是放在第2分区中的； C> 制作的romfs的大小,一般为8M或10M左右，所以能放得下；
调用inet_init [ linux-2.4.22\net\ipv4\Af_inet.c ]时的输出信息, 在启动过程中被socket.c调用到。
列出可以支持的IP协议，此处为kernel源代码inet_add_protocol(p);的输出。在linux启动过程中，都会看到这句的输出。
IP路由代码的输出信息。
TCP协议初始化输出信息。
UNIX网络协议信息。
上面的关于网络的输出信息是在linux启动信息中都会出现的。
加载各种文件系统。 会出现“cramfs: wrong magic”，别担心这没有什么害处，这个是kernel的书写bug，在2.6中有修改之，它是一个警告信息，用来检查cramfs的superblock超级块的。superblock也是VFS要用到的数据结构。 代码linux-2.4.22\fs\cramfs\Inode.c：
2.6
超级块是文件系统的“头部”。它包含文件系统的状态、尺寸和空闲磁盘块等信息。如果损坏了一个文件系统的超级块（例如不小心直接将数据写到了文件系统的超级块分区中），那么系统可能会完全不识别该文件系统，这样也就不能安装它了，即使采用e2fsck 命令也不能处理这个问题。
RamDisk有三种实现方式。 在Linux中可以将一部分内存mount为分区来使用，通常称之为RamDisk，分为： Ramdisk, ramfs, tmpfs。 ① 第一种就是传统意义上的，可以格式化，然后加载。这在Linux内核2.0/2.2就已经支持，其不足之处是大小固定，之后不能改变。为了能够使用 Ramdisk，我们在编译内核时须将block device中的Ramdisk支持选上，它下面还有两个选项，一个是设定Ramdisk的大小，默认是4096k；另一个是initrd的支持。 如果对Ramdisk的支持已经编译进内核，我们就可以使用它了： ② 另两种则是内核2.4才支持的，通过Ramfs或者Tmpfs来实现： Ramfs顾名思义是内存文件系统，它处于虚拟文件系统（VFS）层，而不像ramdisk那样基于虚拟在内存中的其他文件系统(ex2fs)。因而，它无需格式化，可以创建多个，只要内存足够，在创建时可以指定其最大能使用的内存大小。 如果你的Linux已经将Ramfs编译进内核，你就可以很容易地使用Ramfs了。创建一个目录，加载Ramfs到该目录即可： # mkdir /testRam # mount -t ramfs none /testRAM 缺省情况下，Ramfs被限制最多可使用内存大小的一半。可以通过maxsize（以kbyte为单位）选项来改变。 # mount -t ramfs none /testRAM -o maxsize=2000 (创建了一个限定最大使用内存为2M的ramdisk) ③ Tmpfs是一个虚拟内存文件系统，它不同于传统的用块设备形式来实现的Ramdisk，也不同于针对物理内存的Ramfs。 Tmpfs 可以使用物理内存，也可以使用交换分区。在Linux内核中，虚拟内存资源由物理内存（RAM）和交换分区组成，这些资源是由内核中的虚拟内存子系统来负责分配和管理。Tmpfs向虚拟内存子系统请求页来存储文件，它同Linux的其它请求页的部分一样，不知道分配给自己的页是在内存中还是在交换分区中。同Ramfs一样，其大小也不是固定的，而是随着所需要的空间而动态的增减。 使用tmpfs，首先你编译内核时得选择“虚拟内存文件系统支持（Virtual memory filesystem support）”。然后就可以加载tmpfs文件系统了： # mkdir -p /mnt/tmpfs # mount tmpfs /mnt/tmpfs -t tmpfs 同样可以在加载时指定tmpfs文件系统大小的最大限制： # mount tmpfs /mnt/tmpfs -t tmpfs -o size=32m
具体的文件系统FAT格式。虚拟逻辑扇区大小为20K， 在初始化MS-DOS文件系统时，读MS-DOS文件系统的superblock，函数fat_read_super中输出的上面的信息。
UMSDOS:一种文件系统，特点容量大但相对而言不大稳定。是Linux 使用的扩展了的DOS文件系统。它在 DOS 文件系统下增加了长文件名、 UID/GID、POSIX 权限和特殊文件 (设备、命名管道等)功能，而不牺牲对 DOS 的兼容性。允许一个普通的msdos文件系统用于Linux，而且无须为它建立单独的分区，特别适合早期的硬盘空间不足的硬件条件。
虚拟文件系统VFS(Virtual Filesystem Switch)的输出信息。 再次强调一下一个概念。VFS 是一种软件机制，也可称它为 Linux 的文件系统管理者，它是用来管理实际文件系统的挂载点,目的是为了能支持多种文件系统。kernel会先在内存中建立一颗 VFS 目录树，是内存中的一个数据对象，然后在其下挂载rootfs文件系统，还可以挂载其他类型的文件系统到某个子目录上。
加载devfs设备管理文件系统到dev安装点上。 devfs 提供了访问内核设备的命名空间。它并不是建立或更改设备节点，devfs只是为你的特别文件系统进行维护。一般我们可以手工mknod创件设备节点。 /dev目录最初是空的，里面特定的文件是在系统启动时、或是加载模组后驱动程序载入时建立的。当模组和驱动程序卸载时，文件就消失了。
释放1号用户进程init所占用的内存。 第三节：加载linux内核完毕，转入cpu_idle进程 系统启动过程中进程情况： ① init进程 一般来说, 系统在跑完 kernel bootstrapping 内核引导自举后(被装入内存、已经开始运行、已经初始化了所有的设备驱动程序和数据结构等等)， 就去运行 init『万process之父』, 有了它, 才能开始跑其他的进程,因此，init进程，它是内核启动的第一个用户级进程，它的进程号总是1。你可以用进程查看命令来验证：
另外 Linux 有两个 kernel 类的 process 也开始跑了起来，一个是 kflushd/bdflush，另一个是 kswapd。只有这个 init 是完全属于 user 类的进程, 后两者是 kernel假借 process 进程之名挂在进程上。 init 有许多很重要的任务，比如象启动getty（用于用户登录）、实现运行级别、以及处理孤立进程。init 一开始就去读 /etc/inittab (init初始化表)，初始化表是按一定格式排列的关于进程运行时的有关信息的。init程序需要读取/etc/inittab文件作为其行为指针。这个 inittab 中对于各个runlevel运行级别要跑哪些 rc 或 spawn 生出什么有很清楚的设定。 一般, 在Linux中初始化脚本在/etc/inittab 文件(或称初始化表)中可以找到关于不同运行级别的描述。inittab是以行为单位的描述性（非执行性）文本，每一个指令行都是固定格式。 inittab中有respawn项，但如果一个命令运行时失败了，为了避免重运行的频率太高，init将追踪一个命令重运行了多少次，并且如果重运行的频率太高，它将被延时五分钟后再运行。 ② kernel进程 A> 请注意init是1号进程，其他进程id分别是kflushd/ bdflush, kupdate, kpiod and kswapd。这里有一个要指出的：你会注意到虚拟占用（SIZE）和实际占用（RSS）列都是0，进程怎么会不使用内存呢？ 这些进程就是内核守护进程。大部分内核并不显示在进程列表里。守护进程在init之后启动，所以他们和其他进程一样有进程ID，但是他们的代码和数据都存放在内核占有的内存中。在列表中使用中括号来区别与其他进程。 B> 输入和输出是通过内存中的缓冲来完成的，这让事情变得更快，程序的写入会存放在内存缓冲中，然后再一起写入硬盘。守护进程kflushd和kupdate 管理这些工作。kupdate间断的工作（每5秒）来检查是否有写过的缓冲，如过有，就让kflushd把它们写入磁盘。 C> 进程有时候无事可做，当它运行时也不一定需要把其所有的代码和数据都放在内存中。这就意味着我们可以通过把运行中程序不用的内容切换到交换分区来更好的是利用内存。把这些进程数据移入/移出内存通过进程IO管理守护进程kpiod和交换守护进程kswapd，大约每隔1秒，kswapd醒来并检查内存情况。如果在硬盘的东西要读入内存，或者内存可用空间不足,kpiod就会被调用来做移入/移出操作。 D> bdflush - BUF_DIRTY, 将dirty缓存写回到磁盘的核心守护进程。对于有许多脏的缓冲区（包含必须同时写到磁盘的数据的缓冲区）的系统提供了动态的响应。它在系统启动的时候作为一个核心线程启动，它叫自己为 “kflushd”，而这是你用ps显示系统中的进程的时候你会看得的名字。即定期（5秒）将脏（dirty）缓冲区的内容写入磁盘，以腾出内存； E> ksoftirqd_CPUx 是一个死循环, 负责处理软中断的。它是用来对软中断队列进行缓冲处理的进程。当发生软中断时，系统并不急于处理，只是将相应的cpu的中断状态结构中的active 的相应的位，置位，并将相应的处理函数挂到相应的队列,然后等待调度时机来临,再来处理。 ksoftirqd_CPUx是由 F> keventd，它的任务就是执行 scheduler 调度器队列中的任务，keventd 为它运行的任务提供了可预期的进程上下文。 G> khubd, 是用来检测USB hub设备的，当usb有动态插拔时，将交由此内核进程来处理。在检测到有hub事件时会有相应的动作（usb_hub_events()） H> mtdblockd是用来对flash块设备进行写操作的守护进程。NAND类型的Flash需要MTD(Memory Technology Devices 内存技术驱动程序)驱动的支持才能被linux所使用。NAND的特点是不能在芯片内执行（XIP，eXecute In Place），需要把代码读到系统RAM中再执行，传输效率不是最高，最大擦写次数量为一百万次，但写入和擦除的速度很快，擦除单元小，是高数据存储密度的最佳选择。NAND需要I/O接口，因此使用时需要驱动程序。 I> loop0 是负责处理loop块设备的(回环设备)。loopback device指的就是拿文件来模拟块设备, 在我们这里，loop设备主要用来处理需要mount到板上的文件系统,类似mount /tmp/rootfs /mnt -o loop。.我们的实例有:mount -o loop -t cramfs /xxx.bin /xxx 也就是将xxx.bin这个文件mount到板上来模拟cramfs压缩ram文件系统。loop0进程负责对loop设备进行操作。 loopback设备和其他的块设备的使用方法相同。特别的是，可以在该设备上建立一个文件系统，然后利用mount命令把该系统映射到某个目录下以便访问。这种整个建立在一个普通磁盘文件上的文件系统，就是虚拟文件系统 (virtual file system)。 总结 上面的内容是本人为了在实际开发中更加清楚地了解uclinux的启动过程而做的一个总结性的文章。在对uclinux的启动过程做了一个详细注释后，大家会对涉及到嵌入系统的各个概念有了一个更加明确的认识，并能对嵌入系统的软硬件环境的有关设置更加清楚。当你自己动手结合linux源代码来分析时，将会有一个清楚的全局观。 现在，你如果再回头去看文章前面所列出的启动信息例子中的内容，其中80%的内容，你现在应该能看懂它的来龙去脉了。 原文链接：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-uclinuxboot/index.html 本文被浏览次
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