Linux学习笔记——零基础详解：什么是Bootloader？U-Boot启动流程全解析！

一、什么是Bootloader？

Bootloader（引导加载程序），是一段特殊的“小程序”，它运行在 系统刚上电时，主要目的是：

• 初始化硬件环境（如：内存、时钟、中断、串口等）
• 然后将 Linux内核从 flash（NAND, NOR FLASH,SD,MMC等）拷贝到SDRAM中，最后启动Linux内核

通俗一点讲，Bootloader 就像电脑中的 BIOS —— 当你按下电源开关，它最先启动，完成最基础的硬件检测后，才将控制权交给操作系统（比如 Windows 或 Linux）。

📌 举个例子：

项目	PC系统	嵌入式Linux系统
初始程序	BIOS	Bootloader
操作系统	Windows	Linux
存储介质	硬盘	Flash / SD卡等

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二、U-Boot 是什么？

U-Boot（全称为 Universal Bootloader）是一种 开源、通用的Bootloader，支持多种架构（ARM、MIPS、x86等），被广泛应用于嵌入式Linux开发中。

它的主要任务：

• 初始化硬件资源（如内存、串口、存储器等）
• 加载Linux内核到内存中
• 传递启动参数给内核
• 启动Linux内核

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三、U-Boot启动过程：分为两个阶段

🔹 第一阶段（汇编阶段）

此阶段主要用 汇编代码编写，功能包括：

1. 初始化时钟系统
2. 关闭看门狗（防止系统误复位）
3. 关闭中断
4. 启动指令Cache（ICache）
5. 关闭数据Cache与TLB
6. 关闭MMU
7. 初始化SDRAM（用于加载后续程序）
8. 初始化NAND Flash
9. 代码重定位（将U-Boot代码搬运至SDRAM中运行）

💡 注意：这部分代码位置受限（通常在片内RAM或FLASH运行），所以通常要写得很精炼。

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🔹 第二阶段（C语言阶段）

这部分用 C语言编写，主要功能是：

1. 初始化串口（便于调试）
2. 打印启动信息
3. 检测内存映射情况
4. 从存储介质读取Linux内核镜像和根文件系统（initrd）将内核映象和根文件系统映象从 Flash上读到SDRAM空间中
5. 设置内核启动参数
6. 跳转到Linux内核执行入口

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四、U-Boot是怎么启动Linux内核的？

当U-Boot完成自身工作后，就会把控制权交给Linux内核。那么，怎么跳转呢？

👉 本质就是：修改PC寄存器的值为内核所在地址

这样CPU下一条执行指令就来自Linux内核，开始正式启动！

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五、U-Boot与Linux之间的参数传递机制

这部分是面试常考，请务必掌握！

在跳转到内核之前，U-Boot 会设置好三个寄存器：

寄存器	含义	示例说明
R0	保持为0	固定写0即可
R1	机器ID（开发板型号）	如友善之臂开发板是199，见mach-types.h
R2	参数的地址（tag结构体）	tag链表，里面保存了内存大小、命令行、根文件系统等

📌 这些参数是内核“启动时所需的环境信息”，如果不给内核传递参数，它无法知道设备的具体配置！

1. R0寄存器：设置为0，通常用于标识内核启动时的参数。
2. R1寄存器：传递给内核一个“机器ID”。这是一个唯一标识当前硬件平台的ID，每个开发板或CPU都会有一个唯一的ID。内核会根据该ID来判断是否支持当前硬件平台。
3. R2寄存器：存储一个指向参数列表的指针，该列表包含了内核启动时需要的所有环境信息（例如内存大小、内存地址、文件系统等）。

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💡 什么是 tag（启动参数）？

tag 是一组结构体，存放了启动参数，形式如下：

struct tag {struct tag_header {uint32_t size;   // tag大小（单位：4字节）uint32_t tag;    // tag类型（如ATAG_MEM、ATAG_CMDLINE等）} hdr;union {struct tag_mem32 mem;struct tag_cmdline cmdline;// 其他类型参数...} u;
};

📌 常见的tag有：

• ATAG_CORE：表示起始
• ATAG_MEM：内存起始地址与大小
• ATAG_CMDLINE：命令行参数（如根文件系统路径）
• ATAG_NONE：表示结束

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六、为什么U-Boot要关闭 Cache 和 MMU？

• 上电后RAM未初始化前，Cache 不能正常工作。
• 如果数据 Cache 开启了，会导致从未初始化的Cache中读取错误数据，程序可能崩溃！
• 所以：必须关闭MMU和Data Cache，指令Cache可以开也可以不开。

七.为什么要给内核传递参数？

在启动Linux内核之前，U-Boot完成了对硬件的基本初始化。此时，U-Boot已经“适应”了当前的开发板，但Linux内核并不一定能直接支持所有开发板。因为每个开发板的硬件配置都可能有所不同，例如不同的CPU型号、内存配置、外设接口等。而内核本身并不是为每个具体的开发板都做了硬件适配的，因此，内核在启动时需要了解当前开发板的硬件环境。为此，U-Boot需要将这些硬件信息传递给内核，以帮助内核做相应的配置和适配。

为什么要传递这些参数？

1. 硬件适配：Linux内核需要了解当前硬件平台的配置（例如内存大小、CPU架构、设备树等）才能正确配置和初始化硬件资源。如果没有这些信息，内核就无法正确识别或初始化硬件设备。
2. 启动过程的灵活性：开发板通常会有不同的硬件平台，U-Boot的作用就是提供一个通用的引导机制，而通过参数传递，U-Boot使得内核在加载后可以根据传递的参数调整自身的行为和配置。
3. 内核启动时的配置：内核需要根据不同的硬件环境来调整内存、CPU等硬件的使用模式。例如，在某些开发板上可能需要配置特定的硬件接口，或者根据内存的大小调整内核的行为。通过参数传递，内核能够灵活地进行这些调整。

八、系统启动完整流程回顾

下面是系统上电到进入Linux系统的完整流程图：

[ 上电/复位 ]↓
[ ROM代码执行 ]↓
[ 初始化外设 & SDRAM ]↓
[ 加载并执行U-Boot ]↓
[ U-Boot初始化硬件 ]↓
[ 加载Linux内核 + initrd ]↓
[ 设置启动参数（R0, R1, R2）]↓
[ 跳转到内核入口 ]↓
[ Linux内核初始化 ]↓
[ 挂载根文件系统 ]↓
[ 启动用户空间进程 ]

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九、总结一句话

Bootloader 就是操作系统的“搬运工 + 启动器”，而 U-Boot 就是最流行的 Bootloader，它让 Linux 成为可能！

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📌 小贴士：常见面试题汇总

面试问题	回答要点
什么是Bootloader？	启动时执行的第一段程序，初始化硬件，加载并启动内核
U-Boot做了哪些事？	两阶段：汇编（初始化）、C语言（加载内核+参数设置+跳转）
U-Boot如何跳转到Linux内核？	设置PC寄存器为内核地址
参数是如何传递给内核的？	用R0=0, R1=机器ID, R2=tag结构体地址传递
为什么要关闭Data Cache？	避免RAM未初始化时Cache取错误数据导致程序异常
什么是tag结构？如何组织？	struct tag，含header+联合体，ATAG_CORE起始、ATAG_NONE结束

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