BootLoader与Linux内核的参数传递
时间：2010-11-11 来源：jhluroom
在嵌入式系统中，BootLoader 是用来初始化硬件，加载内核，传递参数。因为嵌入式系统的硬件环境各不相同，所以嵌入式系统的BootLoader 也各不相同，其中比较通用的是U-Boot，它支持不同的体系结构，如ARM，PowerPC，X86，MIPS 等。本文着重介BootLoader与内核之间参数传递这一基本功能。本文的硬件平台是基于AT91RM9200 处理器系统，软件平台是Linux-2.6.19.2 内核。内核映像文件为zImage。
1. 系统硬件平台简介
AT91RM9200 处理器，它是由Atmel 公司基于ARM920T 内核的微处理器，带有内存管理单元，CPU 时钟最高可达240MHz,它具有丰富的标准接口，EBI 接口，内部集成了静态存储控制器（SMC），SDRAM 控制器，Burst Flash 控制器。有关处理器的说明请参考AT91RM9200 的数据手册。本系统SDRAM（64MB）地址为：0x20000000, NorFlash（8MB）的地址为：0x10000000[1]。
2. BootLoader 设计和实现
内核源代码目录树下的documentation/arm/booting[2]文档规定了基于ARM 体系结构BootLoader 的基本功能。本系统BootLoader 除了完成这些基本的功能外，还结合自身硬件的特点加入了代码搬运等功能。
BootLoader 的流程是：系统上电复位后，首先从NorFlash 开始运行（由处理器BMS 引脚连接决定），因为处理器此时的0 地址就是NorFlash 的首地址(0x10000000)，BootLoader就是被烧写在这个位置，AT91RM9200 处理器能够映射的地址范围只有0x0000
0000—0x001f ffff。 BootLoader 执行的第一步就是将自身代码从NorFlash 中搬运到处理器内部的RAM 中（0x00200000），然后将0 地址映射到内部RAM,并且跳转到内部RAM 的相应地址处继续执行。进入内部RAM 后才进入真正的硬件初始化阶段，这个阶段初始化的各种控制器都是内核所必须的，包括：PMC, EBI, SMC, SDRAM, USART 等。接着就是创建内核参数链表(Tagged list)，创建完链表就是搬运事先烧写在NorFlash 中的内核映像和根文件系统映像到SDRAM，根据内核对BootLoader 的基本要求关闭中断，MMU 和数据Cache，并且配置r0=0, r1=0x0000 00fb 或者0x00000106(根据内核中linux/arch/arm/tools/mach-types[2]
规定的机器编号)，r2=0x20000100（BootLoader 传递给内核参数链表的物理地址），在ARM体系结构中，这个地址在同一种处理器的机器描述符（machine_desc）中都是默认的，所以在这里可以不指定。最后BootLoader 直接跳转到SDRAM 的内核处执行。
3. 内核参数链表
BootLoader 可以通过两种方法传递参数给内核， 一种是旧的参数结构方式（parameter_struct)，主要是2.6 之前的内核使用的方式。另外一种就是现在的2.6 内核在用的参数链表 (tagged list) 方式。这些参数主要包括，系统的根设备标志，页面大小，内存的起始地址和大小，RAMDISK 的起始地址和大小，压缩的RAMDISK 根文件系统的起始地址和大小，内核命令参数等[3][4][5]。
内核参数链表的格式和说明可以从内核源代码目录树中的 include/asm-arm/setup.h[2]中找到，参数链表必须以ATAG_CORE 开始，以ATAG_NONE 结束。这里的ATAG_CORE，ATAG_NONE 是各个参数的标记，本身是一个32 位值，例如：ATAG_CORE=0x54410001。
其它的参数标记还包括： ATAG_MEM32 ， ATAG_INITRD ， ATAG_RAMDISK ，ATAG_COMDLINE 等。每个参数标记就代表一个参数结构体，由各个参数结构体构成了参数链表。参数结构体的定义如下：
struct tag
{
struct tag_header hdr;
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;
};
参数结构体包括两个部分，一个是 tag_header 结构体,一个是u 联合体。
tag_header 结构体的定义如下：
struct tag_header
{
u32 size;
u32 tag;
};
其中 size：表示整个tag 结构体的大小(用字的个数来表示，而不是字节的个数)，等于tag_header 的大小加上u 联合体的大小，例如，参数结构体ATAG_CORE 的
size=(sizeof(tag->tag_header)+sizeof(tag->u.core))>>2，一般通过函数tag_size(struct * tag_xxx)来获得每个参数结构体的size。其中tag：表示整个tag 结构体的标记，如：ATAG_CORE等。
联合体u 包括了所有可选择的内核参数类型，包括：tag_core, tag_mem32，tag_ramdisk等。参数结构体之间的遍历是通过函数tag_next(struct * tag)来实现的。本系统参数链表包括的结构体有： ATAG_CORE ， ATAG_MEM， ATAG_RAMDISK， ATAG_INITRD32 ，ATAG_CMDLINE，ATAG_END。在整个参数链表中除了参数结构体ATAG_CORE 和ATAG_END 的位置固定以外，其他参数结构体的顺序是任意的。本BootLoader 所传递的参数链表如下：第一个内核参数结构体，标记为ATAG_CORE，参数类型为tag_core。每个参数类型的定义请参考源代码文件。
tag_array 初始化为指向参数链表的第一个结构体的指针。
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);
最后将内核参数链表复制到内核默认的物理地址0x20000100 处。这样参数链表就建好了。
4. 内核接收参数
下面从基于ARM体系结构的zImage 映像启动来分析Linux 内核是怎样接收BootLoader传递过来的内核参数，zImage 启动过程如下图所示。
(图有时间再画)
在文件 arch/arm/boot/compressed/head.S[2]中 start 为zImage 的起始点，部分代码如下：
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
首先将BootLoader 传递过来的r1（机器编号）、r2（参数链表的物理地址）的值保存到r7、r8 中，再将r7 作为参数传递给解压函数decompress_kernel（）。在解压函数中，再将r7 传递给全局变量__machine_arch_type。在跳到内核（vmlinux）入口之前再将r7，r8 还原到r1，r2 中。
在文件 arch/arm/kernel/head.S[2]中，内核（vmlinux）入口的部分代码如下：
stext：
mrc p15, 0, r9, c0, c0
bl __lookup_processor_type
………
bl __lookup_machine_type
首先从处理器内部特殊寄存器（CP15）中获得ARM 内核的类型，从处理器内核描述符（proc_info_list）表（__proc_info_begin—__proc_info_end）中查询有无此ARM 内核的类型，如果无就出错退出。处理器内核描述符定义在 include/asm-arm/procinfo.h[2]中，具体的函数实现在 arch/arm/mm/proc-xxx.S[2]中，在编译连接过程中将各种处理器内核描述符组合成表。接着从机器描述符（machine_desc）表（__mach_info_begin—__mach_info_end）中查询有无r1 寄存器指定的机器编号，如果没有就出错退出。机器编号mach_type_xxx 在arch/arm/tools/mach-types[2]文件中说明，每个机器描述符中包括一个唯一的机器编号，机器描述符的定义在 include/asm-arm/mach/arch.h[2]中，具体实现在 arch/arm/mach-xxxx[2]文件夹中，在编译连接过程中将基于同一种处理器的不同机器描述符组合成表。例如，基于AT91RM9200 处理器的各种机器描述符可以参考 arch/arm/mach-at91rm9200/board-xxx.c[2]，机器编号为262 的机器描述符如下所示：
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
最后就是打开MMU，并跳转到 init/main.c[2]的start_kernel（初始化系统。在 init/main.c[2] 中，函数start_kernel（）的部分代码如下：
{
……
setup_arch（）；
……
}
在 arch/arm/kernel/setup.c[2]中，函数setup_arch（）的部分代码如下：
{
……
setup_processor();
mdesc=setup_machine(machine_arch_type);
……
parse_tags(tags);
……
}
setup_processor（）函数从处理器内核描述符表中找到匹配的描述符，并初始化一些处理器变量。setup_machine（）用机器编号（在解压函数decompress_kernel 中被赋值）作为参数返回机器描述符。从机器描述符中获得内核参数的物理地址，赋值给tags 变量。然后调用parse_tags（）函数分析内核参数链表，把各个参数值传递给全局变量。这样内核就收到了BootLoader 传递的参数。
5. 参数传递的验证和测试
参数传递的结果可以通过内核启动的打印信息来验证。
Machine: Atmel AT91RM9200-DK
……
Kernel command line: console=ttyS0,115200 root=/dev/ram rw init=/linuxrc
……
Memory: 64MB = 64MB total
……
checking if image is initramfs...it isn't (no cpio magic); looks like an initrd
Freeing initrd memory: 1024K
……
RAMDISK: Compressed image found at block 0
一个完备的BootLoader 是一个很复杂的工程，本文所介绍的只是嵌入式系统的BootLoaer 基本功能。任何一个BootLoader 都离不开这个基本功能，内核只有接收这些参数才能正确地启动,同时也为内核的移植和调试奠定了良好的基础。
1. 系统硬件平台简介
AT91RM9200 处理器，它是由Atmel 公司基于ARM920T 内核的微处理器，带有内存管理单元，CPU 时钟最高可达240MHz,它具有丰富的标准接口，EBI 接口，内部集成了静态存储控制器（SMC），SDRAM 控制器，Burst Flash 控制器。有关处理器的说明请参考AT91RM9200 的数据手册。本系统SDRAM（64MB）地址为：0x20000000, NorFlash（8MB）的地址为：0x10000000[1]。
2. BootLoader 设计和实现
内核源代码目录树下的documentation/arm/booting[2]文档规定了基于ARM 体系结构BootLoader 的基本功能。本系统BootLoader 除了完成这些基本的功能外，还结合自身硬件的特点加入了代码搬运等功能。
BootLoader 的流程是：系统上电复位后，首先从NorFlash 开始运行（由处理器BMS 引脚连接决定），因为处理器此时的0 地址就是NorFlash 的首地址(0x10000000)，BootLoader就是被烧写在这个位置，AT91RM9200 处理器能够映射的地址范围只有0x0000
0000—0x001f ffff。 BootLoader 执行的第一步就是将自身代码从NorFlash 中搬运到处理器内部的RAM 中（0x00200000），然后将0 地址映射到内部RAM,并且跳转到内部RAM 的相应地址处继续执行。进入内部RAM 后才进入真正的硬件初始化阶段，这个阶段初始化的各种控制器都是内核所必须的，包括：PMC, EBI, SMC, SDRAM, USART 等。接着就是创建内核参数链表(Tagged list)，创建完链表就是搬运事先烧写在NorFlash 中的内核映像和根文件系统映像到SDRAM，根据内核对BootLoader 的基本要求关闭中断，MMU 和数据Cache，并且配置r0=0, r1=0x0000 00fb 或者0x00000106(根据内核中linux/arch/arm/tools/mach-types[2]
规定的机器编号)，r2=0x20000100（BootLoader 传递给内核参数链表的物理地址），在ARM体系结构中，这个地址在同一种处理器的机器描述符（machine_desc）中都是默认的，所以在这里可以不指定。最后BootLoader 直接跳转到SDRAM 的内核处执行。
3. 内核参数链表
BootLoader 可以通过两种方法传递参数给内核， 一种是旧的参数结构方式（parameter_struct)，主要是2.6 之前的内核使用的方式。另外一种就是现在的2.6 内核在用的参数链表 (tagged list) 方式。这些参数主要包括，系统的根设备标志，页面大小，内存的起始地址和大小，RAMDISK 的起始地址和大小，压缩的RAMDISK 根文件系统的起始地址和大小，内核命令参数等[3][4][5]。
内核参数链表的格式和说明可以从内核源代码目录树中的 include/asm-arm/setup.h[2]中找到，参数链表必须以ATAG_CORE 开始，以ATAG_NONE 结束。这里的ATAG_CORE，ATAG_NONE 是各个参数的标记，本身是一个32 位值，例如：ATAG_CORE=0x54410001。
其它的参数标记还包括： ATAG_MEM32 ， ATAG_INITRD ， ATAG_RAMDISK ，ATAG_COMDLINE 等。每个参数标记就代表一个参数结构体，由各个参数结构体构成了参数链表。参数结构体的定义如下：
struct tag
{
struct tag_header hdr;
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;
};
参数结构体包括两个部分，一个是 tag_header 结构体,一个是u 联合体。
tag_header 结构体的定义如下：
struct tag_header
{
u32 size;
u32 tag;
};
其中 size：表示整个tag 结构体的大小(用字的个数来表示，而不是字节的个数)，等于tag_header 的大小加上u 联合体的大小，例如，参数结构体ATAG_CORE 的
size=(sizeof(tag->tag_header)+sizeof(tag->u.core))>>2，一般通过函数tag_size(struct * tag_xxx)来获得每个参数结构体的size。其中tag：表示整个tag 结构体的标记，如：ATAG_CORE等。
联合体u 包括了所有可选择的内核参数类型，包括：tag_core, tag_mem32，tag_ramdisk等。参数结构体之间的遍历是通过函数tag_next(struct * tag)来实现的。本系统参数链表包括的结构体有： ATAG_CORE ， ATAG_MEM， ATAG_RAMDISK， ATAG_INITRD32 ，ATAG_CMDLINE，ATAG_END。在整个参数链表中除了参数结构体ATAG_CORE 和ATAG_END 的位置固定以外，其他参数结构体的顺序是任意的。本BootLoader 所传递的参数链表如下：第一个内核参数结构体，标记为ATAG_CORE，参数类型为tag_core。每个参数类型的定义请参考源代码文件。
tag_array 初始化为指向参数链表的第一个结构体的指针。
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);
最后将内核参数链表复制到内核默认的物理地址0x20000100 处。这样参数链表就建好了。
4. 内核接收参数
下面从基于ARM体系结构的zImage 映像启动来分析Linux 内核是怎样接收BootLoader传递过来的内核参数，zImage 启动过程如下图所示。
(图有时间再画)
在文件 arch/arm/boot/compressed/head.S[2]中 start 为zImage 的起始点，部分代码如下：
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
首先将BootLoader 传递过来的r1（机器编号）、r2（参数链表的物理地址）的值保存到r7、r8 中，再将r7 作为参数传递给解压函数decompress_kernel（）。在解压函数中，再将r7 传递给全局变量__machine_arch_type。在跳到内核（vmlinux）入口之前再将r7，r8 还原到r1，r2 中。
在文件 arch/arm/kernel/head.S[2]中，内核（vmlinux）入口的部分代码如下：
stext：
mrc p15, 0, r9, c0, c0
bl __lookup_processor_type
………
bl __lookup_machine_type
首先从处理器内部特殊寄存器（CP15）中获得ARM 内核的类型，从处理器内核描述符（proc_info_list）表（__proc_info_begin—__proc_info_end）中查询有无此ARM 内核的类型，如果无就出错退出。处理器内核描述符定义在 include/asm-arm/procinfo.h[2]中，具体的函数实现在 arch/arm/mm/proc-xxx.S[2]中，在编译连接过程中将各种处理器内核描述符组合成表。接着从机器描述符（machine_desc）表（__mach_info_begin—__mach_info_end）中查询有无r1 寄存器指定的机器编号，如果没有就出错退出。机器编号mach_type_xxx 在arch/arm/tools/mach-types[2]文件中说明，每个机器描述符中包括一个唯一的机器编号，机器描述符的定义在 include/asm-arm/mach/arch.h[2]中，具体实现在 arch/arm/mach-xxxx[2]文件夹中，在编译连接过程中将基于同一种处理器的不同机器描述符组合成表。例如，基于AT91RM9200 处理器的各种机器描述符可以参考 arch/arm/mach-at91rm9200/board-xxx.c[2]，机器编号为262 的机器描述符如下所示：
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
最后就是打开MMU，并跳转到 init/main.c[2]的start_kernel（初始化系统。在 init/main.c[2] 中，函数start_kernel（）的部分代码如下：
{
……
setup_arch（）；
……
}
在 arch/arm/kernel/setup.c[2]中，函数setup_arch（）的部分代码如下：
{
……
setup_processor();
mdesc=setup_machine(machine_arch_type);
……
parse_tags(tags);
……
}
setup_processor（）函数从处理器内核描述符表中找到匹配的描述符，并初始化一些处理器变量。setup_machine（）用机器编号（在解压函数decompress_kernel 中被赋值）作为参数返回机器描述符。从机器描述符中获得内核参数的物理地址，赋值给tags 变量。然后调用parse_tags（）函数分析内核参数链表，把各个参数值传递给全局变量。这样内核就收到了BootLoader 传递的参数。
5. 参数传递的验证和测试
参数传递的结果可以通过内核启动的打印信息来验证。
Machine: Atmel AT91RM9200-DK
……
Kernel command line: console=ttyS0,115200 root=/dev/ram rw init=/linuxrc
……
Memory: 64MB = 64MB total
……
checking if image is initramfs...it isn't (no cpio magic); looks like an initrd
Freeing initrd memory: 1024K
……
RAMDISK: Compressed image found at block 0
一个完备的BootLoader 是一个很复杂的工程，本文所介绍的只是嵌入式系统的BootLoaer 基本功能。任何一个BootLoader 都离不开这个基本功能，内核只有接收这些参数才能正确地启动,同时也为内核的移植和调试奠定了良好的基础。
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