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ARM Linux Booting Process

Questa serà una seria d’articuli chì spiegheranu cumu u kernel Linux si mette in l’architettura ARM. Questu hè a prima parte.

ARM Linux Boot Process:

Spiegheremu u prucessu di boot di AT91RM9200 system-on-chip, custruitu intornu à u processore ARM920T ARM Thumb. Kwickbyte crea una scheda integrata chjamata kb9202 basatu annantu à AT91RM9200. Piglieremu stu tavulinu cum’è un esempiu è vede cumu Linux boots up on this board.

Prima di principià à leghje questu avete bisognu di leghje a scheda di dati AT91RM9200 (specificazione).

Avete ancu bisognu di leghje ARM Architecture Reference Manual per capisce megliu u prucessu di boot.

Componenti in u prucessu di boot Linux:

U prucessu di boot di Linux implica i seguenti cumpunenti.

Bootloader

Image Kernel

Root Filesystem

Prima di vede cumu funziona i cumpunenti sopra, u seguitu hè u flussu di chjama di u prucessu di boot di Linux Kernel per l’architettura di u bracciu. Questu dà una grande stampa nantu à tuttu u prucessu di boot di Linux. Avemu aduprà u bootloader U-boot.

ARM Linux Boot Process: Big Picture

U-boot:

_start (cpu/arm920t/start.S)

start_code (cpu/arm920t/start.S)

start_armboot (lib_arm/board.c)

board_init (board/kb9202/kb9202.c)

timer_init (cpu/arm920t/at91/timer.c)

serial_init (drivers/serial/at91rm9200_usart.c)

main_loop (lib_arm/board.c)

Avà u-boot hè in funzione è hè in u prompt u-boot è prontu à accettà i cumandamenti. Assumimu chì l’immagine di u kernel hè caricata in RAM è emessu u cumandimu bootm.

do_bootm (common/cmd_bootm.c)

bootm_start (common/cmd_bootm.c)

bootm_load_os (common/cmd_bootm.c)

do_bootm_linux (lib_arm/bootm.c)

stext (linux/arch/arm/kernel/head.S)

U cuntrollu hè datu à Linux.

Kernel Linux:

stext (arcu / bracciu / kernel / testa.S:78)

__lookup_processor_type (arch/arm/kernel/head-common.S:160)

__lookup_machine_type (arch/arm/kernel/head-common.S:211)

__create_page_tables (arch/arm/kernel/head.S:219)

__arm920_setup (arch/arm/mm/proc-arm920.S:389)

__enable_mmu (arch/arm/kernel/head.S:160)

__turn_mmu_on (arch/arm/kernel/head.S:205)

__switch_data (arch/arm/kernel/head-common.S:20)

start_kernel (init/main.c:529)

start_kernel (init/main.c:529)

tick_init(kernel/time/tick-common.c:413)

setup_arch (arch/arm/kernel/setup.c:666)

setup_machine (arch/arm/kernel/setup.c:369)

lookup_machine_type ( )

setup_command_line (init/main.c:408)

build_all_zonelists (mm/page_alloc.c:3031)

parse_args (kernel/params.c:129)

mm_init (init/main.c:516)

mem_init (arch/arm/mm/init.c:528)

kmem_cache_init (mm/slab.c, mm/slob.c, mm/slub.c)

sched_init (kernel/sched.c)

init_IRQ (arch/arm/kernel/irq.c)

init_timers (kernel/timer.c:1713)

hrtimers_init (kernel/hrtimer.c:1741)

softirq_init (kernel/softirq.c:674)

console_init (drivers/char/tty_io.c:3084)

vfs_caches_init (fs/dcache.c:2352)

mnt_init (fs/namespace.c:2308)

init_rootfs ()

init_mount_tree (fs/namespace.c:2285)

do_kern_mount (fs/namespace.c:1053)

set_fs_pwd(fs/fs_struct.c:29)

set_fs_root(fs/fs_struct.c:12)

bdev_cache_init (fs/block_dev.c:465)

chrdev_init (fs/char_dev.c:566)

signals_init (kernel/signal.c:2737)

rest_init (init/main.c:425)

kernel_thread (431, arch/arm/kernel/process.c:388)

kernel_thread () crea un filu di kernel è u cuntrollu hè datu à kernel_init ().

kernel_init (431, init/main.c:856)

do_basic_setup (888, init/main.c:787)

init_workqueues (789, kernel/workqueue.c:1204)

driver_init (793, drivers/base/init.c:20)

do_initcalls (796, init/main.c:769) /* Chjama tutti i sottosistemi init funzioni */

prepare_namespace (906, init/do_mounts.c:366)

initrd_load (399, init/do_mounts_initrd.c:107)

rd_load_image (117, init/do_mounts_rd.c:158) /* se initrd hè datu */

identificà_ramdisk_image (179, init/do_mounts_rd.c:53)

handle_initrd (119, init/do_mounts_initrd.c:37) /*se rd_load_image hè successu */

mount_block_root (45, init/do_mounts.c:233)

do_mount_root (247, init/do_mounts.:218)

mount_root (417, init/do_mounts.c:334) /* se initrd ùn hè micca datu */

mount_block_root (359, init/do_mounts.c:233)

do_mount_root (247, init/do_mounts.c:218)

init_post (915, init/main.c:816)

run_init_process (847, init/main.c:807)

kernel_execve (810, arch/arm/kernel/sys_arm.c:81)

Spaziu d’utilizatori

init() /*userspace /sbin/init */

Bootloader:

Un bootloader hè un picculu prugramma chì caricarà l’imaghjini di u kernel in RAM è avvia l’imaghjini di u kernel. Questu hè ancu chjamatu bootstrap, postu chì porta (tira) u sistema caricando un sistema operatore. Bootloader principia prima chì qualsiasi altru software principia è inizializza u processore è rende a CPU pronta per eseguisce un prugramma cum’è un sistema operatore. A maiò parte di i prucessori anu un indirizzu predeterminatu da quale i primi byte di codice sò ottinuti quandu u putere hè appiicatu o a scheda hè resettata. I diseggiani di hardware utilizanu sta informazione per almacenà u codice di bootloader à quellu indirizzu in ROM o flash. Siccomu duverebbe inizializà a CPU è duverebbe eseguisce un prugramma chì si trova in l’architettura, i bootloaders di l’indirizzu specifichi sò assai specifichi di processore è di bordu. Ogni bordu incrustatu vene cun un bootstrap per scaricà l’imaghjini di u kernel o l’applicazione standalone in u bordu è cumincià à eseguisce l’imaghjini di u kernel o l’applicazione. Bootloader serà eseguitu quandu u putere hè appiicatu à una scheda di processore. In fondu, avarà alcune funzioni minime per carricà l’imaghjini è avvià.

Hè ancu pussibule cuntrullà u sistema utilizendu una interfaccia di debug hardware cum’è JTAG. Questa interfaccia pò esse aduprata per scrive u prugramma di boot loader in una memoria non volatile bootable (per esempiu, flash) urdinendu à u core di u processatore per fà l’azzioni necessarii per programà a memoria non volatile. In generale hè fattu per a prima volta per scaricà u bootloader di basa è per qualchì prucessu di ricuperazione. JTAG hè una interfaccia standard è populari furnita da parechji venditori di bordu. Certi microcontrollers furniscenu interfacce hardware speciale chì ùn ponu micca esse aduprate per piglià un cuntrollu arbitrariu di un sistema o direttamente eseguite codice, ma invece permettenu l’inserimentu di u codice di boot in memoria non volatile bootable (cum’è memoria flash) via protokolli simplici. Allora in a fase di fabricazione, tali interfacce sò aduprate per inject code boot (è possibbilmente altru codice) in memoria non volatile. Dopu à u reset di u sistema, u microcontrollore cumencia à eseguisce codice programatu in a so memoria non volatile, cum’è i prucessori di solitu utilizanu ROM per l’avvio. In parechji casi, tali interfacce sò implementate da una logica cablata. In altri casi, tali interfacce puderanu esse create da u software chì funziona in una ROM di boot integrata in chip da i pin GPIO.

Ci sò altri bootloaders di terze parti dispunibuli chì furnisce un riccu set di funzioni è una interfaccia d’utilizatore faciule. Pudete scaricà sti bootloaders di terzu partitu in bordu è ponu fà li bootloaders predeterminati per u vostru bordu. In generale, i bootloaders furniti da i venditori di bordu sò rimpiazzati cù questi bootloader di terzu. Ci hè un pocu di boolader di terzu dispunibule è alcuni sò open source (o bootloaders gratuiti) è alcuni sò cummirciali. Alcune di elli sò Das U-Boot, Red boot, GRUB (per desktop), LILO, Loadlin,, bootsect-loader, SYSLINUX, EtherBoot, ELILO.

Piglieremu u boot loader U-boot cum’è u nostru boot loader. U-boot hè u boot loader largamente utilizatu in i sistemi integrati. Spiegheremu u codice da a fonte u-boot-2010.03. Pudete scaricà U-boot da u situ seguente. http://www.denx.de/wiki/U-Boot

Cumu hè custruitu U-boot:

Basatu nantu à a cunfigurazione di U-boot, tutti i schedarii di l’assemblea (.S) è i schedarii C (.c) sò compilati cù un compilatore cross chì hè custruitu per una architettura particulari è i schedarii d’ughjettu (.o) seranu generati. Tutti issi schedarii di l’ughjettu sò ligati da u linker è un schedariu eseguibile serà creatu. Un schedariu d’ughjettu o un schedariu eseguibile hè una cullizzioni di rùbbriche cum’è.text,.data,.bss etc. I fugliali d’ughjettu è i fugliali eseguibili anu un furmatu di schedariu cum’è elf. Tutte e sezzioni di i schedarii di l’ughjettu seranu disposti in u schedariu eseguibile basatu annantu à un script chjamatu linker script. Stu script dice induve tutte e rùbbriche sò da esse caricate in a memoria quandu corre. Capisce stu script hè assai impurtante per sapè cumu u boot loader è u kernel sò cumposti è cumu e diverse sezioni di boot loader o kernel sò caricate in a memoria.

In generale, quandu un prugramma hè eseguitu (eseguitu) un caricatore leghje u schedariu eseguibile è carica diverse sezioni di u schedariu eseguibile in u locu di memoria specificata è cumencia à eseguisce a funzione di partenza (puntu di entrata) specificata in u script di linker. Ma, se vulete eseguisce (caricà) un caricatore di boot, ùn ci sarà micca un caricatore per carica (in fondu per capisce u furmatu di u schedariu) diverse sezioni di u schedariu eseguibile in memoria. Allora avete bisognu di utilizà un strumentu chjamatu objcopy chì pigliarà tutte e rùbbriche da u schedariu eseguibile è creà un schedariu binariu chì ùn hà micca formatu di schedariu. Stu schedariu binariu pò esse caricatu in a memoria è eseguitu o pò esse scrittu in a ROM à un indirizzu particulari (specificu à l’architettura) chì serà eseguitu da CPU quandu u putere hè appiicatu à u bordu.

Assumimu chì basatu nantu à a cunfigurazione U-boot tutti i schedari sò compilati è i schedari d’ughjettu sò creati. U-boot makefile usa u seguente script linker (specificu à l’architettura) per custruisce un schedariu eseguibile.

File: cpu/arm920t/u-boot.lds

32 OUTPUT_FORMAT(“elf32-littlearm”, “elf32-littlearm”, “elf32-littlearm”)

33 OUTPUT_ARCH (bracciu)

34 ENTRATA(_iniziu)

35 SECTION

36

37. = 0x00000000;

38

39. = ALIGN (4);

40.text:

41

42 cpu/arm920t/start.o (.text)

43 *(.text)

44

4546. = ALIGN (4);

47.rodata: *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*)))

48

49. = ALIGN (4);

50.data: *(.data)

51

52. = ALIGN (4);

53.got: *(.got)

54

55. =.;

56 __u_boot_cmd_start =.;

57.u_boot_cmd: *(.u_boot_cmd)

58 __u_boot_cmd_end =.;

59

60. = ALIGN (4);

61 __bss_start =.;

62.bss (NLOAD): *(.bss). = ALIGN (4);

63 _fini =.;

64

OUTPUT_FORMAT in a linea #32 specifica u furmatu di u schedariu eseguibile. Quì u furmatu di u schedariu eseguibile hè elf32 è endianness hè little endian. OUTPUT_ARCH in a linea # 33 specifica l’architettura nantu à quale u codice corre. ENTRY in a linea #34 specifica a funzione di partenza (puntu di entrata) di u prugramma u-boot. Quì u puntu di entrata hè _start.

SECTIONS in a linea #35 definisce cumu e diverse sezioni sò mappate in u schedariu eseguibile. Loader usa l’indirizzi specificati in questa sezione per carricà diverse sezioni di u prugramma in a memoria.

‘.’ in a linea #37 specifica l’indirizzu di partenza induve e seguenti rùbbriche deve esse caricate. In questu casu, l’indirizzu iniziale hè 0x00000000. Dopu questu in a linea #39, a memoria hè allinata da 4 bytes è a sezione.text seguita in a linea #40.

40.text:

41

42 cpu/arm920t/start.o (.text)

43 *(.text)

44

À u ‘.’ pusizioni (0x00000000) u codice in u cpu/arm920t/start.o hè mappatu è seguita u codice chì ci hè in.text rùbbriche di tutti l ‘àutri uggettu (.o) i schedari. cpu/arm920t/start.o cuntene a funzione _start() (in lingua assemblea) chì hè u puntu di entrata di stu prugramma.

Avà u ‘.’ serà à 0x00000000 + sizeof (.text). Una volta a memoria hè allinata da 4 bytes è a sezione.rodata seguita in a linea #47.

. = ALIGN (4);

47.rodata: *(SORT_BY_ALIGNMENT(SORT_BY_NAME(.rodata*)))

.rodata rùbbriche da tutti i schedari uggetti sò mapping à stu indirizzu. Segui i sezzioni.data è.git.

49. = ALIGN (4);

50.data: *(.data)

51

52. = ALIGN (4);

53.got: *(.got)

Ogni cumandamentu U-boot hè un ughjettu di tipu ‘cmd_tbl_t’ chì cuntene u nome di u cumandamentu, a stringa di l’aiutu è l’indicatore di funzione per esse eseguitu quandu questu cumanda hè esecutatu. Tutti questi ughjetti di cumanda sò posti in a memoria sequentially. Ognunu di questu ughjettu di cumanda hè custruitu in una sezione definita U-boot chjamata.u_boot_cmd in u schedariu d’ughjettu. Questi all.u_boot_cmd rùbbriche sò posti in a memoria dopu à e rùbbriche sopra (.data è.git).

. =.;

56 __u_boot_cmd_start =.;

57.u_boot_cmd: *(.u_boot_cmd)

58 __u_boot_cmd_end =.;

__u_boot_cmd_start cuntene l’iniziu di l’uggetti di cumandamenti è __u_boot_cmd_end cuntene a fine di l’uggetti di cumandamenti.

E dopu seguita i rùbbriche.bss (variabili globali uninitialized).

60. = ALIGN (4);

61 __bss_start =.;

62.bss (NLOAD): *(.bss). = ALIGN (4);

63 _fini =.;

__bss_start indica l’indirizzu iniziale.bss è _end cuntene a fine di tutte e sezioni.

Utilizà stu linker script linker generà un schedariu eseguibile chjamatu u-boot. U strumentu Objcopy hè utilizatu per generà un schedariu binariu da u schedariu eseguibile u-boot.

u-boot.bin: u-boot

$(OBJCOPY) $OBJCFLAGS -O binariu $

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