嵌入式硬件上电后，程序的运行过程剖析

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一，系统上电后，硬件的启动流程

程序以机器码的形式，即二进制码的形式存在FLASH中；

上电后，CPU通过控制器将待运行的程序从FLASH中读入内存中；

代码在内存中运行时，控制器将需要计算的数据存入寄存器中；

运算器从寄存器中读取数据进行运算，并将结果存入寄存器中；

控制器将寄存器中的结果读入内存中；

故形成一个闭环的程序运行过程。

CPU由运算器、控制器、寄存器组成，准确的来说CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。

运算器：arithmetic unit，计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件（ALU）。

寄存器：是中央处理器内的组成部分。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和地址。在中央处理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)。在中央处理器的算术及逻辑部件中，存器有累加器(ACC)。

控制部件：主要负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。

以代码段举例说明：
系统开始运行的时候，程序首先躺在flash里面，分为3个段，代码段、数据段，bss段，控制器读取到CPU内部通用寄存器，cpu的机制会在内存中给他们各自分配好内存空间。

比如代码段在上电后代码的执行过程：

第一步，CPU对内部的BOOT ROM进行直接读取并解析指令后初始化部分DDR，指令会自动在内存上分配代码段；

第二步，CPU上的Flash控制器将flash上的代码拷贝到内存的代码段，然后CPU读取并执行解析代码，此时CPU的运算器会工作，在DDR的堆和栈中不断的存取数据，再根据解析下一行或下几行的代码的要求，访问指定地址的空间，去存放数据。因为要处理数据，放入内存中运行时，会有在DDR中多出2部分（堆和栈）用来处理数据。

BOOT ROM：BOOT ROM是CPU当中的一段启动代码。因为DDR和Flash其实也是外设，他们也需要一段代码去初始化他们的寄存器，使他们能被使用，所以一般会有一段启动代码在CPU，CPU上电就会运行里面的代码，这是硬件设计好的。





二、嵌入式设备上电到应用层的过程步骤：
1、上电，CPU运行
嵌入式设备上电后，CPU开始运行，通常CPU会从某一个固定的物理地址开始运行，这个物理地址一般是Flash芯片的起始物理地址。Flash芯片的最初一段通常存放的是Bootloader，于是CPU就会开始运行Bootloader的代码。

那CPU是如何读取Flash上的数据的呢？

我们知道CPU可以读写Flash上的数据，但是不能直接执行Flash上的指令，CPU通常只能执行内存中的指令，那么CPU刚开始运行时怎样去执行Flash上的指令呢？这里分两种情况，Flash芯片主要分为两种，一种是Nor Flash，另一种是Nand Flash，Nor Flash具有可以直接在Flash芯片上执行指令的特点。如果嵌入式设备采用的是Nor Flash，那就比较简单了，CPU可以直接运行在Nor Flash上的指令。如果采用的是Nand Flash呢，怎么办？目前主要有两种方法，一种方法是Flash控制器能够把Nand Flash的前4k数据搬到4k的内部RAM中，并设置CPU从这个内部RAM的起始地址开始启动执行。另一种方法是Flash控制器能够把Nand Flash的前4k数据的地址映射到系统总线的某个地址上，并设定CPU从这个地址开始启动执行。这两种方法都是硬件来完成的。



2、Bootloader对于开发板资源的初始化
Bootloader分为两个部分，第一部分是汇编代码且不做压缩，第二部分是C代码且有压缩的。Bootloader开始执行时，第一部分汇编代码先负责初始化CPU、PLL、DDR、Cache等硬件，让CPU和内存能够稳定运行，然后解压第二部分的Image，并拷贝到到内存执行。第二部分C代码完成串口、flash、网口等驱动的加载，并构建一个shell环境来接受用户输入。注意，在整个Bootloader运行其间CPU的MMU是没有被初始化的，所有的地址访问都是采用物理地址直接访问的。



3、 Bootloader拷贝内核镜像，为内核的运行准备环境
在完成Bootloader初始化后，根据代码中设定的内核区物理地址，Bootloader会把内核区压缩后的Linux镜像拷贝到内存中并解压。同时准备好内核的启动参数，如：console=ttyS0,115200 root=31:2 mtdparts=ar7100-nor0:196608(boot),835236(kernel),-(rootfs)，这里主要是把Bootloader里设置的MTD分区信息传递给内核，还有需要加载的根文件系统。最后跳转到内核入口开始运行。



4、 Linux内核对于其各个子系统的和MMU的初始化
Linux内核代码开始执行，会先进行内核各个子系统初始化，并完成对MMU的初始化。MMU是CPU中的一个单元，它跟操作系统一起配合完成从虚拟地址到物理地址的转换。如果CPU带有MMU单元，则CPU执行单元发出的内存地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址，而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上，这个地址称为物理地址。在这个过程中Linux内核会维护页表结构，它保存着内核和进程的虚拟地址到物理地址的映射，而MMU则通过Linux内核页表去完成地址翻译和保护工作。



5、内核挂载根文件系统
接下来Linux内核会挂载根文件系统，要挂载的根文件系统是通过内核启动参数来获取的。这里有一个问题，根文件系统通常表示为一个Linux文件系统下的某个MTD设备，但在加载根文件系统前Linux还没有一个文件系统，那它怎样通过访问文件系统中的MTD设备来加载根文件系统呢？事实上，根文件系统的安装分为两个阶段，首先Linux内核会安装一个特殊的RootFS文件系统，该文件系统仅提供一个作为初始安装点的空目录，然后Linux内核再在空目录上安装一个真正的根目录。Linux内核对Flash的访问都是通过MTD子系统来进行的，它抽象了对于各种Flash设备的访问，提供统一的接口。



6、内核对于各种驱动程序的初始化
Linux内核继续初始化各种类型的驱动程序，完成之后会启动第一个应用程序，它的进程ID为1。这个应用程序可以由内核启动参数传入，如果没有则会默认执行/sbin/init。init进程会读取配置文件/etc/inittab，根据配置文件的内容它会完成两个工作，执行rcS和启动Shell。至此，Linux系统已经启动完成，给用户提供了一个Shell的交互环境，后续的行为就取决于用户的输入或者系统特定应用的加载。