嵌入式系统上电,程序的运行过程
一、嵌入式系统上电,程序在CPU、Flash、DDR中的运行过程
首先,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;
由此,形成一个闭环的程序运行过程。
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。
参考文章:
cpu、flash、DDR(内存)、冯诺伊曼、哈佛之间的关系
嵌入式硬件上电后,程序的运行过程剖析(CPU、FLASH、内存)
浅析嵌入式Linux系统的构成和启动过程
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