嵌入式 Linux 系統啟動全流程深度剖析：從 Bootloader 到核心解壓

嵌入式 Linux 雙階段啟動架構

嵌入式 Linux 啟動分為兩個截然不同的階段：系統引導與Linux 啟動。系統引導負責在核心載入記憶體前完成 CPU 初始化、IO 設備配置，並將 Linux 核心載入記憶體，這部分完全由 Bootloader 實現。當 Bootloader 將核心映像載入記憶體後，控制權移交給 Linux 核心，進入核心啟動階段。

階段一：Bootloader 深度解析（以 Hyper250 XScale 為例）

啟動代碼結構

Hyper250 Bootloader 核心代碼位於 start_xscale.S，包含兩個關鍵頭文件：

• config.h：硬體巨集定義與系統配置
• start_xscale.h：晶片級暫存器定義與初始化值

config.h 關鍵配置項

start_xscale.h 硬體抽象層

定義所有關鍵硬體模組的基址與暫存器偏移：

• 記憶體基址 (0xA0000000)
• 中斷控制器基址 (0x40D00000) 與保護堆疊偏移
• 時鐘管理基址 (0x41300000) 與暫存器初始值
• GPIO 介面基址 (0x40E00000) 完整暫存器映射
• 記憶體控制器基址 (0x48000000)
• 電源管理、FFUART 等外設完整定義

start_xscale.S 啟動流程

1. 設定中斷基址，初始化中斷保護堆疊
2. 初始化 GPIO 介面
3. 初始化 SDRAM 記憶體控制器
4. 將 Bootloader 從 Flash 複製到 SDRAM
5. 載入 Linux 核心映像：從 Flash (0x000C0000) 載入 SDRAM (0xA0008000)
6. 設定保護堆疊
7. 呼叫 main.c 的 c_main() 進入 C 語言環境

階段二：Linux 核心啟動與解壓流程

Makefile 編譯產物分析

arch/arm/boot/compressed/ 目錄編譯產出關鍵檔案：

• vmlinux：未壓縮核心
• head.o：核心頭部，負責初始設定
• misc.o：解壓核心主邏輯
• head-xscale.o：XScale 專用初始化，連結時與 head.o 合併
• piggy.o：壓縮後的核心映像（中間檔案）

解壓啟動流程

1. Bootloader 完成引導，呼叫 bootLinux() 跳轉到核心起始位置
2. 若核心已壓縮，執行 arch/arm/boot/compressed/head.S 入口點
3. 呼叫 decompress_kernel() (misc.c)
4. 依序執行 proc_decomp_setup()、arch_decomp_setup() 初始化
5. 列印 "Uncompressing Linux..." 訊息
6. 呼叫 gunzip() 解壓核心到指定位置
7. 解壓完成後，相關代碼佔用記憶體釋放

head.S 關鍵初始化邏輯

• ARM CPU 除錯輸出統一宏定義
• 設定核心起始/結束地址，保存架構 ID
• CPU 模式切換：用戶模式→超級用戶模式，關閉中斷
• LC0 結構 delta offset 分析，判斷核心重載需求

核心重載地址計算關鍵

關鍵在於三個 Makefile 與連結腳本的交互：

• arch/arm/boot/Makefile
• arch/arm/boot/compressed/Makefile
• arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds.in

關鍵地址定義：LOAD_ADDR = 0xA0008000，TEXT_START = 0。Bootloader 將壓縮核心 (zImage) 載入 RAM 0xA0008000，核心解壓前運行於 RAM 中，因此需將相對地址轉換為物理地址（核心重載）。