嵌入式Linux（二） - Arm架构嵌入式Linux启动流程

Arm架构凭借低功耗、高性能的优势，成为嵌入式设备的主流选择。对于嵌入式开发者来说，理解Linux系统从“上电”到“运行用户应用”的完整启动流程，是定位启动故障、优化系统性能的基础。本文将分4个章节，用通俗的语言+直观图表，详细拆解Arm架构下嵌入式Linux的启动全过程。

一、概述：嵌入式Linux启动全流程总览

很多新手会误以为“上电后直接启动Linux内核”，但实际情况更复杂——嵌入式Linux启动是一个“分层接力”的过程，从硬件复位到最终运行用户应用，需要经过4个核心阶段，每个阶段都有明确的核心任务，上一阶段完成后再“交接”给下一阶段。

核心结论先明确：上电复位 → 引导程序（如U-boot）初始化 → 内核初始化 → 用户空间初始化 → 运行用户应用。下面用流程图直观展示各阶段的衔接关系、核心任务及输出结果：

graph TD A[上电复位] -->|硬件自动执行| B[引导程序阶段（如U-boot）] B -->|核心任务：初始化关键硬件（DDR、串口）、加载内核| C[内核初始化阶段] C -->|核心任务：初始化系统资源、创建Init线程| D[用户空间初始化阶段] D -->|核心任务：挂载根文件系统、启动init进程| E[运行用户应用] %% 补充各阶段细节说明 B --> B1[输出：内核镜像+设备树加载到内存] C --> C1[输出：可用的系统内核环境] D --> D1[输出：完整的用户空间环境] E --> E1[最终：执行用户编写的应用程序]

简单解释各阶段的“接力逻辑”：

• 上电复位：硬件层面的初始动作，CPU会自动从固定地址（通常是ROM）读取引导程序代码，相当于“启动的发令枪”；

• 引导程序：相当于“启动助手”，负责完成最基础的硬件初始化（比如让内存可用），然后把Linux内核“找出来”并加载到内存；

• 内核初始化：内核接管系统后，会初始化更复杂的系统资源（比如进程管理、文件系统、网络），并创建第一个用户空间进程；

• 用户空间初始化：搭建好用户程序运行的环境，最终启动用户应用，完成整个启动流程。

二、引导程序：U-boot与设备树的“启动铺垫”

引导程序是嵌入式Linux启动的“第一步”，位于内核之前，核心作用是“为内核启动做铺垫”。目前Arm架构嵌入式设备中，最主流的引导程序是U-boot（Universal Bootloader），而设备树对象（DTO）则是引导程序和内核之间“传递硬件信息”的关键载体。

2.1 U-boot：嵌入式领域的“万能引导程序”

在U-boot运行期间，CPU的MMU（内存管理单元）通常是没有被初始化的，所有地址访问都直接使用物理地址。U-boot是一个开源的引导程序，支持几乎所有主流的Arm芯片，其核心目标是“初始化关键硬件，加载并启动内核”。U-boot的启动过程可以分为两个阶段：

2.1.1 第一阶段（汇编阶段）：最基础的硬件初始化

U-boot的第一阶段代码用汇编语言编写，运行在芯片的内部RAM（IRAM）中（此时外部DDR内存还未初始化，无法使用），核心任务：

• 初始化芯片核心硬件（如CPU寄存器、时钟控制器、电源管理模块）；

• 初始化外部DDR内存（让内核能后续加载到DDR中）；

• 把U-boot的第二阶段代码（C语言编写）从Flash加载到DDR内存中，然后跳转到第二阶段代码执行。

2.1.2 第二阶段（C语言阶段）：功能扩展与内核加载

第二阶段代码用C语言编写，功能更丰富，核心任务：

1. 初始化更多硬件设备（如串口、SD卡、Flash、网卡）；

2. 提供命令行接口（通过串口或网络），用户可以手动输入命令（如查看内存、烧写镜像、启动内核）；

3. 读取内核镜像和设备树镜像（从Flash、SD卡或网络），加载到DDR内存的指定地址；

4. 向内核传递启动参数（如bootargs，包含根文件系统位置、串口配置等信息），然后跳转到内核入口地址，把控制权交给内核。

举个实际的U-boot启动内核命令：bootm 0x80008000 - 0x80800000，其中0x80008000是内核镜像在DDR中的地址，0x80800000是设备树镜像的地址。

2.2 设备树对象（DTO）：内核与硬件的“沟通桥梁”

在早期的Linux内核中，硬件信息（如GPIO引脚、串口地址、中断号）是硬编码在内核中的——如果更换硬件，就需要修改内核代码并重新编译，非常不方便。而设备树的出现，解决了这个问题。

设备树对象（DTO）是一个二进制文件，由设备树源文件（DTS）编译生成。它的核心作用是“描述硬件信息”，把硬件信息从内核中分离出来，由引导程序传递给内核。

2.2.1 设备树的核心结构

设备树的结构类似“树形目录”，每个节点代表一个硬件设备（如CPU、串口、GPIO），节点下的属性代表设备的具体参数（如地址、中断号、引脚配置）。简化的设备树示例（DTS代码片段）：

/{
    #address-cells = <1>;  // 地址长度为1个32位整数
    #size-cells = <1>;     // 大小长度为1个32位整数
    
    cpu: cpu@0 {          // CPU节点，地址为0
        compatible = "arm,cortex-a53";  // 兼容的CPU型号
        reg = <0x0 0x1000>;            // 寄存器地址和大小
    };
    
    uart0: uart@10000000 {  // 串口0节点，地址为0x10000000
        compatible = "arm,pl011";       // 兼容的串口驱动
        reg = <0x10000000 0x1000>;     // 串口寄存器地址和大小
        interrupts = <0 10 4>;         // 中断号和触发方式
    };
};

2.2.2 设备树的工作流程与存储位置

设备树的工作流程：

1. 开发者根据硬件设计，编写设备树源文件（DTS）；

2. 用设备树编译器（DTC）把DTS编译成二进制的设备树镜像（DTB）；

3. U-boot把DTB和内核镜像一起加载到DDR内存中；

4. U-boot启动内核时，把DTB的地址传递给内核；

5. 内核启动后，解析DTB中的硬件信息，自动匹配对应的设备驱动，完成硬件初始化。

关于设备树的存储与查看位置：1. 存储位置：编译生成的DTB文件通常存储在嵌入式设备的Flash或SD卡的特定分区（如boot分区）中，与U-boot镜像、内核镜像放在一起；2. 启动时位置：U-boot启动过程中会将DTB从存储介质加载到DDR内存的指定地址；3. 系统运行时查看：系统启动后，内核会将设备树信息导出到sysfs文件系统中，可通过ls /sys/firmware/devicetree/base命令查看，该目录下以树形结构展示了所有硬件设备的节点和属性信息。

核心优势：设备树实现了“内核与硬件解耦”——更换硬件时，只需修改DTS文件重新编译DTB，无需修改内核代码，大大提高了内核的可移植性。

三、内核初始化：从“镜像解压”到“Init线程创建”

当引导程序（如U-boot）把Linux内核镜像加载到内存后，就会把系统控制权交给内核。内核初始化阶段的核心目标是：把“裸机硬件”变成“能运行用户程序的系统环境”，这个过程可以拆解为4个关键步骤：piggy镜像解压、控制流流转、子系统初始化、Init线程创建。

3.1 piggy：内核镜像的“压缩包载体”

我们编译出来的Linux内核镜像（如zImage），其实是一个“压缩包”——为了减少镜像体积、节省存储和加载时间，内核会被压缩后存储，而piggy就是这个压缩包的“载体”。

具体流程：引导程序加载的zImage中，包含了两部分内容：① 解压程序（头部代码）；② 压缩的内核镜像（存储在piggy中）。当内核获得控制权后，首先执行的就是头部的解压程序，把piggy中的压缩内核解压到内存的指定位置，然后跳转到解压后的内核代码继续执行。

小知识：为什么需要piggy？如果内核不压缩，镜像体积会大很多，对于嵌入式设备有限的存储（如Flash）和内存来说，会增加成本和启动时间。piggy的作用就是安全存储压缩内核，配合解压程序完成内核的“解包启动”。

3.2 控制流：内核初始化的“执行路线”

内核解压完成后，会进入启动入口函数（Arm架构下通常是start_kernel()），这是内核初始化的“总入口”，后续的所有初始化工作都从这里开始。控制流的流转过程可以简单理解为：

1. start_kernel()：初始化内核最基础的资源，比如中断控制器、页表、系统时钟等，相当于“搭建内核运行的基础框架”；

2. rest_init()：start_kernel()执行完成后，会调用rest_init()，这个函数的核心作用是“拆分内核线程”——把内核初始化的后续工作交给内核线程执行，同时准备创建用户空间的Init线程；

3. kernel_init()：rest_init()创建的内核线程，负责完成剩余的内核初始化工作（如子系统初始化），最终启动Init线程。

用简化的调用链表示：解压程序 → start_kernel() → rest_init() → kernel_init() → 启动Init线程

3.3 子系统初始化：搭建系统的“核心功能模块”

kernel_init()执行的核心工作就是“子系统初始化”——Linux内核是一个模块化的系统，包含多个核心子系统，这些子系统需要依次初始化才能正常工作。核心子系统包括：

• 内存管理子系统：初始化内存分配器（如slab、buddy系统），让内核和用户程序能正常申请、释放内存；

• 进程管理子系统：初始化进程调度器，制定进程的调度规则（如CFS调度器），为后续进程创建和运行做准备；

• 文件系统子系统：初始化虚拟文件系统（VFS），VFS是Linux的“文件系统抽象层”，能让不同类型的文件系统（如ext4、ramfs）统一对外提供接口；

• 设备驱动子系统：根据设备树信息，初始化硬件设备的驱动程序（如串口、GPIO、网卡），让内核能操控硬件。

子系统初始化的顺序很关键，比如必须先初始化内存管理子系统，才能后续分配内存给其他子系统。

3.4 Init线程：用户空间的“第一个进程”

内核子系统初始化完成后，kernel_init()会创建一个特殊的线程——Init线程，这个线程是用户空间的“第一个进程”（进程号为1），也是所有用户进程的“祖先”。

Init线程的核心作用：把系统控制权从内核空间转移到用户空间，后续的用户空间初始化工作（如挂载根文件系统、启动应用程序）都由Init线程主导。这里要注意区分“内核线程”和“用户进程”：内核线程运行在内核空间，只能操作内核资源；而用户进程运行在用户空间，通过系统调用访问内核资源，Init线程是第一个进入用户空间的进程。

当引导程序（如U-boot）把Linux内核镜像加载到内存后，就会把系统控制权交给内核。内核初始化阶段的核心目标是：把“裸机硬件”变成“能运行用户程序的系统环境”，这个过程可以拆解为4个关键步骤：piggy镜像解压、控制流流转、子系统初始化、Init线程创建。

四、用户空间初始化：从“根文件系统”到“应用启动”

内核初始化完成后，系统已经具备了基本的运行能力，但用户程序还无法运行——因为缺少用户空间的“运行环境”。用户空间初始化的核心目标是：搭建完整的用户空间环境，最终启动用户应用，这个过程的关键步骤包括：挂载根文件系统、启动init进程、初始化RAM磁盘、处理关机流程。

4.1 根文件系统：用户空间的“基础载体”

很多新手会把“内核”和“根文件系统”混淆，其实两者是独立的：内核负责管理硬件和系统资源，而根文件系统是用户空间的“文件和程序载体”，包含了用户程序、库文件、配置文件等。简单说，根文件系统就是用户空间的“硬盘”，没有它，用户程序就没有存储和运行的地方。

Init线程的第一个核心任务就是“挂载根文件系统”，具体流程：

1. 内核通过引导程序传递的参数（如U-boot传递的bootargs），知道根文件系统的位置（如存储在Flash的某个分区、SD卡，或网络中）；

2. Init线程根据参数，调用文件系统子系统的接口，挂载根文件系统（比如挂载ext4格式的Flash分区作为根文件系统）；

3. 根文件系统挂载成功后，Init线程会切换到根目录（/），后续的操作都基于根文件系统展开。

常见的根文件系统类型：ext4（适用于Flash）、ramfs（内存文件系统，速度快但断电丢失）、nfs（网络文件系统，适用于开发调试）。

如何查看Linux系统的文件系统类型？有三种常用方法：1. df -T：查看已挂载分区的文件系统类型，输出中“Type”列即为文件系统类型；2. mount：直接查看所有已挂载设备的详细信息，包含文件系统类型；3. blkid：查看块设备的文件系统类型及UUID信息，适用于未挂载或已挂载的分区。

4.2 init进程：用户空间的“总管家”

根文件系统挂载完成后，Init线程会查找并启动根文件系统中的init进程（注意：这里的init进程是用户空间的程序，和前面的Init线程是“衔接关系”）。init进程是用户空间的“总管家”，负责启动和管理其他用户进程，常见的init实现有sysvinit、upstart、systemd（目前主流）。

init进程的核心工作：

• 读取配置文件（不同init实现的配置文件不同）；

• 根据配置启动必要的服务进程（如串口登录服务、网络服务、日志服务）；

• 启动用户交互终端（如串口终端、SSH终端），让用户能登录系统；

• 监控子进程状态，若子进程异常退出，根据配置决定是否重启。

不同init实现的具体配置文件：

1. sysvinit：核心配置文件为/etc/inittab，用于定义默认运行级别、系统启动脚本路径等；启动脚本存储在/etc/init.d/目录下;
2. upstart：配置文件为/etc/init/*.conf（.conf后缀的文件），采用事件驱动机制，配置更灵活；
3. systemd：核心配置文件为/etc/systemd/system/（系统级服务）和~/.config/systemd/user/（用户级服务）下的.service文件，每个服务对应一个独立的.service文件，可通过systemctl命令管理。

小细节：进程号为1的进程就是init进程，它是所有用户进程的父进程或祖先进程。如果init进程异常退出，整个用户空间会崩溃，系统会重启或挂起。

4.3 初始化RAM：临时文件系统的“舞台”

在根文件系统挂载完成前，内核需要一个临时的文件系统来存储临时文件和运行部分程序，这个临时文件系统就是“初始化RAM磁盘”（initramfs）。initramfs是基于内存的文件系统，速度快，断电后数据丢失，其核心作用是：

1. 在根文件系统挂载前，提供临时的文件系统环境，让init进程能先运行起来；

2. 如果根文件系统存储在特殊设备（如加密分区、网络存储），initramfs中会包含对应的驱动和工具，协助内核挂载根文件系统；

3. 根文件系统挂载完成后，initramfs会被卸载，释放占用的内存。

initramfs在Linux系统中的具体体现与查询方法：1. 体现形式：initramfs本质是一个内存中的临时文件系统，启动初期会作为根文件系统挂载（此时真实根文件系统未挂载），真实根挂载后会被卸载；2. 查询方法：① lsinitramfs /boot/initrd.img-$(uname -r)：查看当前内核对应的initramfs镜像中的文件列表（initramfs通常打包为initrd.img文件存储在/boot目录）；② cat /proc/cmdline：查看内核启动参数，若包含“initrd=/boot/initrd.img-xxx”则表示启用了initramfs；③ 启动初期（未卸载initramfs时）可通过mount | grep ramfs查看其挂载状态。

4.4 关机流程：用户空间的“收尾工作”

启动流程的反向就是关机流程，init进程同样主导关机过程：当用户触发关机（如执行shutdown命令），init进程会先向所有用户进程发送终止信号，让进程有时间保存数据和清理资源；所有用户进程终止后，init进程会通知内核卸载所有文件系统，最后内核关闭系统时钟、电源管理等硬件资源，完成关机。

总结：嵌入式Linux启动的“核心逻辑”

回顾整个Arm架构嵌入式Linux的启动流程，核心逻辑就是“分层接力、逐步搭建环境”：从硬件复位开始，引导程序（U-boot）完成基础硬件初始化，把内核和设备树加载到内存；内核初始化系统资源，创建Init线程进入用户空间；用户空间通过init进程挂载根文件系统、启动服务，最终运行用户应用。调整章节顺序后，更贴合“引导程序→内核→用户空间”的实际启动时序，便于理解各阶段的衔接关系。

每个阶段都有明确的“任务边界”，上一阶段为下一阶段铺垫必要的环境，任何一个阶段出现问题，都会导致启动失败。理解这个流程，不仅能帮助我们快速定位启动故障（比如U-boot阶段失败可能是硬件初始化问题，用户空间启动失败可能是根文件系统问题），也能为后续的系统优化（如缩短启动时间、定制启动流程）打下基础。同时，掌握文件系统类型查看、init配置文件定位、initramfs查询、设备树位置查找等实操方法，能更深入地掌控嵌入式Linux系统。

回顾整个Arm架构嵌入式Linux的启动流程，核心逻辑就是“分层接力、逐步搭建环境”：从硬件复位开始，引导程序（U-boot）完成基础硬件初始化，把内核和设备树加载到内存；内核初始化系统资源，创建Init线程进入用户空间；用户空间通过init进程挂载根文件系统、启动服务，最终运行用户应用。

每个阶段都有明确的“任务边界”，上一阶段为下一阶段铺垫必要的环境，任何一个阶段出现问题，都会导致启动失败。理解这个流程，不仅能帮助我们快速定位启动故障（比如U-boot阶段失败可能是硬件初始化问题，用户空间启动失败可能是根文件系统问题），也能为后续的系统优化（如缩短启动时间、定制启动流程）打下基础。