系统移植相关概念总结

（一）u-boot

“the Universal Boot Loader”，通用引导加载程序
在系统启动时，初始化处理器、内存、存储设备、网络接口等硬件资源
加载操作系统内核并传递给处理器
通过环境变量存储启动参数和配置信息
提供命令行界面，允许用户执行内存读写、设备检测、文件传输等操作
U-Boot还可以提供安全启动功能，确保只有经过验证的操作系统内核和应用程序才能被加载和执行

1. 启动流程

U-Boot的启动流程可以分为两个阶段。
① 第一阶段（汇编语言实现）

CPU自身初始化
初始化CPU的相关寄存器，设置CPU的工作模式（如SVC模式）。
关闭内存管理单元（MMU）和高速缓存（Cache）。
初始化时钟系统、看门狗定时器、中断控制器等。

重定位
将U-Boot自身的代码从Flash中复制到RAM中，以便后续执行。

设置堆栈
分配堆栈空间，并设置堆栈指针。

清零BSS段
对未初始化的全局变量（BSS段）进行清零操作。

跳转到第二阶段入口
执行跳转指令，跳转到第二阶段代码的入口函数（如start_armboot()）。

② 第二阶段（C语言实现）

为U-Boot内部私有数据分配存储空间
分配并清零U-Boot内部使用的数据结构。

依次调用初始化函数
通过一个函数指针数组（如init_sequence），依次调用各个初始化函数，对系统进行进一步的初始化。

Flash、LCD等设备的初始化
如果系统支持NOR Flash，调用相关函数进行初始化，并显示检测到的器件信息。
如果系统支持LCD或VFD，计算帧缓存（Framebuffer）大小，并在BSS数据段之后为其分配空间，初始化起始地址。

存储分配系统的初始化
初始化存储分配系统（类似于C语言中的堆），为后续的动态内存分配做准备。

环境变量的重定位
将环境变量从Flash中复制到RAM中，以便后续快速访问。

网络、IP地址等初始化
如果系统支持网络功能，进行网络接口的初始化。
从环境变量中读取IP地址和MAC地址，并进行相应的初始化。

控制台初始化
初始化控制台，以便输出调试信息和用户交互。

打开中断
配置中断控制器，打开中断功能。

进入主循环
最后，U-Boot进入一个主循环，等待用户的输入命令。用户可以通过命令行界面输入命令来加载内核、设置参数或执行其他操作。

在开机后，BIOS会进行硬件自检，并从硬盘的MBR中读取引导程序。然后，MBR会将控制权交给U-Boot，由U-Boot完成后续的硬件初始化和操作系统引导工作。

2. u-boot如何传参

1. 可以通过环境变量来传递参数给内核。U-Boot提供了一个环境变量表，用户可以在其中设置一些参数（如bootargs），并在启动内核时将这些参数传递给内核。
2. 参数链表方式中，U-Boot将每一个要传递给内核的参数封装成一个结构体（称为tag），并将这些结构体连续存储在内存的一片区域内。然后，U-Boot将这片区域的起始地址传递给内核。内核通过这个地址来解析U-Boot传递的参数。

3. 如果u-boot引导内核启动失败，分析原因

1、U-Boot配置问题
① 检查启动参数是否配置正确：
命令行参数中的console设置、bootargs、内存大小、根文件系统位置等关键参数。
② 环境变量设置：
bootcmd、bootfile等环境变量设置错误，导致U-Boot无法正确加载内核镜像。
③ 环境变量中的地址与实际内存布局不匹配。
④ U-Boot版本与内核版本不兼容
2、内核镜像问题
① 内核镜像格式不正确：
U-Boot可能不支持当前的内核镜像格式（如uImage、zImage等）。
② 内核镜像可能已损坏或未正确生成。
③ 内核镜像加载地址错误
④ 内核解压失败
3、硬件问题
内存问题：
内存初始化失败或内存存在故障。
内存大小与U-Boot或内核配置不匹配。
存储设备问题：
存储设备（如NAND、NOR Flash、SD卡等）存在故障或未正确连接。
存储设备上的内核镜像文件损坏或未正确写入。
处理器问题：
处理器配置不正确或存在故障。
处理器时钟频率与U-Boot或内核配置不匹配。

（二）内核移植

对Linux内核源码进行配置和编译，使linux内核源码支持自己的开发板并生成对应的镜像文件。

1. 内核移植的步骤

1. 硬件平台选择
   根据项目需求选择合适的处理器类型，如ARM、MIPS、x86等。
   考虑处理器的性能，确保满足系统的运行效率需求。
   根据项目需求选择合适的外设资源，如内存大小、存储空间、网络接口等。
   选择与处理器类型相匹配的开发工具，如编译器、调试器等。
2. 内核版本选择：
   选择一个稳定版本的内核，避免因为内核bug导致系统崩溃。
   确保所选内核版本支持当前硬件平台。
   根据项目需求选择具有相应功能的内核版本，如网络协议栈、文件系统等。
3. 内核配置：
   安装相应的开发工具和依赖库。
   解压内核源码包，并进入内核源码目录。
   执行配置命令（如make menuconfig），进入内核配置界面，根据项目需求选择相应的内核选项。
   保存配置文件。
4. 编译内核：
   执行编译命令（如make），开始编译内核。
   编译完成后，会生成内核镜像文件（如zImage）。
5. 内核部署：
   将编译好的内核镜像文件部署到目标平台上

2. 内核启动流程

硬件设备初始化：
U-Boot在启动过程中会进行硬件设备的初始化，包括CPU、内存、外设等。

加载内核到内存：
U-Boot会将内核镜像文件从存储设备（如Flash）加载到内存中。

校验内核格式：
U-Boot会校验内核镜像文件的格式和CRC等校验码，确保内核文件的完整性和正确性。

准备启动参数：
U-Boot会根据配置的环境变量和启动参数，为内核准备启动所需的参数。

跳转执行内核：
U-Boot会将控制权交给内核，内核开始执行。
在执行过程中，内核会进行一系列的初始化操作，包括内存管理、设备驱动初始化、文件系统挂载等。

进入用户态：
当内核完成初始化并挂载了根文件系统后，会加载init进程（通常是/sbin/init或/bin/sh），进入用户态，此时用户可以开始使用系统。

3. 内核启动运行的第一个进程是什么，都做了什么

内核启动后运行的第一个进程通常是init进程，它是内核直接创建的第一个用户空间进程，其进程编号（PID）始终为1。

1、 进程管理
init进程负责启动、停止和管理系统中的其他进程。它会根据系统的配置和运行状态，启动必要的服务或进程，并在系统关闭时停止这些服务或进程。
2、系统初始化
init进程在启动时会读取系统的配置文件（如/etc/inittab或systemd的配置文件），以确定系统的运行级别和初始化脚本的执行。这些初始化脚本会负责设置系统的环境变量、挂载文件系统、启动必要的服务等。
3、运行级别管理
init进程还负责管理系统的运行级别，不同的运行级别会启动不同的服务和进程，以满足系统的不同需求。

读取配置文件：init进程首先会读取系统的配置文件，这些文件通常位于/etc目录下，如/etc/inittab（对于传统的SysV init系统）或systemd的配置文件（对于现代的systemd系统）。
确定运行级别：根据配置文件的设置，init进程会确定系统的运行级别。运行级别是一个数字，用于表示系统的运行状态。不同的运行级别会启动不同的服务和进程。
执行初始化脚本：init进程会根据运行级别的设置，执行相应的初始化脚本。这些脚本通常位于/etc/rc.d/或/etc/init.d/目录下，它们会负责设置系统的环境变量、挂载文件系统、启动网络服务、启动系统日志服务等。
启动必要的服务：除了初始化脚本外，init进程还会根据配置文件的设置，启动一些必要的服务或进程，如守护进程、登录进程等。
等待用户登录：最后，init进程会启动一个登录进程（通常是getty或mingetty），等待用户输入用户名和密码进行登录。

4. 如果内核启动失败，分析下原因

1、检查内存、存储设备、处理器和主板等硬件是否连接正确、无故障。
2、检查启动参数和配置文件，确保启动参数（如bootargs）和配置文件（如/etc/fstab）设置正确。
3、检查文件系统，使用文件系统检查工具（如fsck）检查并修复文件系统错误。
4、尝试不同的内核版本，检查是否是内核本身的问题。
5、确保boot loader版本与硬件和操作系统兼容
6、检查内核启动过程中的错误和异常。

（三）宏内核和微内核

宏内核，将操作系统的所有核心功能集中到一个内核空间。
将系统的所有基本服务（包括设备驱动程序、文件系统、内存管理、进程调度、系统调用等）都作为内核的一部分。
特点是操作系统的大部分功能都在内核态中运行，这样可以减少上下文切换的开销，但也使内核的复杂性增加。
宏内核的优点：
高性能，不需要频繁的用户态和内核态之间的上下文切换
硬件控制较高效，设备驱动和其他核心模块在内核中直接控制硬件，减少了延迟。
宏内核的缺点：不易维护和扩展、稳定性和安全性较低

微内核，将操作系统的核心功能进行分解，只保留一些最基本的服务，例如进程管理和内存管理等。而其他的服务则以独立的进程形式运行，这些进程可以在需要时动态加载和卸载。这种设计使得操作系统内核更加灵活，易于维护和扩展。
但是，由于在进程间通信时需要进行系统调用，因此微内核的性能通常较差。

（四）Linux系统启动级别

Linux系统通常有七个启动级别（0-6）：

0级（系统停机状态）：
系统默认运行级别不能设为0，否则无法正常启动。
一开机就自动关机，机器处于完全关闭状态。

1级（单用户模式）：
类似于Windows的安全模式，具有root权限。
用于系统维护，禁止远程登录，没有网络功能。

2级（多用户模式，无NFS）：
支持多用户登录，但没有NFS（网络文件系统）和网络支持。

3级（完整的多用户文本模式）：
具有NFS和网络支持，登录后进入控制台命令行模式。
是标准的Linux运行级别之一，适用于服务器和需要命令行界面的场景。

4级（系统未使用，保留）：
通常不使用此级别，但在一些特殊情况下可能会用到。
例如，在笔记本电脑电池即将用尽时，可以切换到这个模式来做一些设置。

5级（图形化模式）：
登录后进入图形GUI模式，如GNOME、KDE等图形化界面。
适用于桌面环境和需要图形界面的场景。

6级（系统重启模式）：
系统默认运行级别不能设为6，否则将无限重启，无法正常启动。
运行此级别时，系统会正常关闭并重启。

（五）设备树

1、什么是设备树

用于描述硬件设备的配置信息，使得操作系统（如Linux）能够正确地识别、配置和管理这些硬件设备

2、如何解析设备树

定义结构体：驱动要解析设备树，必须定义struct platform_driver类型结构体变量，并通过函数platform_driver_register()注册。同时，设备树节点会封装在struct device_node结构体变量中，各个属性信息会封装在struct property结构体变量中。
匹配设备树节点：内核在解析设备树的过程中，会根据设备节点的“compatible”属性来匹配相应的驱动程序。一旦找到匹配的驱动程序，内核就会将其加载并用于设备的初始化和管理。
解析设备树属性：在驱动程序的probe函数中，可以使用设备树提供的API（如of_property_read_u32、of_property_read_string等）来解析设备树节点的属性，并根据这些属性信息来配置和初始化硬件设备。