BootLoader與Linux內核的參數傳遞

在嵌入式系統中，BootLoader 是用來初始化硬件，加載內核，傳遞參數。因為嵌入式系統的硬件環境各不相同，所以嵌入式系統的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與內核之間參數傳遞這一基本功能。本文的硬件平臺是基于AT91RM9200 處理器系統，軟件平臺是Linux-2.6.19.2 內核。內核映像文件為zImage。

1. 系統硬件平臺簡介

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 的數據手冊。本系統SDRAM(64MB)地址為：0x20000000, NorFlash(8MB)的地址為：0x10000000[1]。

2. BootLoader 設計和實現

內核源代碼目錄樹下的documentatiON/arm/booting[2]文檔規定了基于ARM 體系結構BootLoader 的基本功能。本系統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 的相應地址處繼續執行。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。接著就是創建內核參數鏈表(Tagged list)，創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映像到SDRAM，根據內核對BootLoader 的基本要求關閉中斷，MMU 和數據Cache，并且配置r0=0, r1=0x0000 00fb 或者0x00000106(根據內核中linux/arch/arm/tools/mach-types[2]

規定的機器編號)，r2=0x20000100(BootLoader 傳遞給內核參數鏈表的物理地址)，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 的內核處執行。

3. 內核參數鏈表

BootLoader 可以通過兩種方法傳遞參數給內核， 一種是舊的參數結構方式(parameter_struct)，主要是2.6 之前的內核使用的方式。另外一種就是現在的2.6 內核在用的參數鏈表 (tagged list) 方式。這些參數主要包括，系統的根設備標志，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 根文件系統的起始地址和大小，內核命令參數等[3][4][5]。

內核參數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 是各個參數的標記，本身是一個32 位值，例如：ATAG_CORE=0x54410001。

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

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;

};

參數結構體包括兩個部分，一個是 tag_header 結構體,一個是u 聯合體。

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(用字的個數來表示，而不是字節的個數)，等于tag_header 的大小加上u 聯合體的大小，例如，參數結構體ATAG_CORE 的

size=(sizeof(tag->tag_header)+sizeof(tag->u.core))>>2，一般通過函數 tag_size(struct * tag_xxx)來獲得每個參數結構體的size。其中tag：表示整個tag 結構體的標記，如：ATAG_CORE等。

聯合體u 包括了所有可選擇的內核參數類型，包括：tag_core, tag_mem32，tag_ramdisk等。參數結構體之間的遍歷是通過函數tag_next(struct * tag)來實現的。本系統參數鏈表包括的結構體有： ATAG_CORE ， ATAG_MEM， ATAG_RAMDISK， ATAG_INITRD32 ，ATAG_CMDLINE，ATAG_END。在整個參數鏈表中除了參數結構體ATAG_CORE 和ATAG_END 的位置固定以外，其他參數結構體的順序是任意的。本BootLoader 所傳遞的參數鏈表如下：第一個內核參數結構體，標記為ATAG_CORE，參數類型為tag_core。每個參數類型的定義請參考源代碼文件。

tag_array 初始化為指向參數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);

最后將內核參數鏈表復制到內核默認的物理地址0x20000100 處。這樣參數鏈表就建好了。