文件系统(三)：嵌入式、计算机系统启动流程与步骤

liwen01 2024.04.14

前言

我们身边的各种电子设备，手机、手表、相机、个人电脑等等，从用户体验的角度看，好像只要给它们一上电，它们就开始启动可以工作了，这个过程一般是比较短暂的。

从一个嵌入式开发的角度来看，不管是嵌入式系统，还是其它的计算机系统，其启动过程都是一个相对复杂的过程。这个过程一旦出错，基本上设备就不能正常运行了。

(一)嵌入式系统启动

(1)存储架构示意图

我们先看一个嵌入式系统的存储架构示意图

嵌入式设备的存储介质一般有NOR Flash，NAND Flash、SD卡、EEPROM等，其中根据Flash接口的不同，又可以分期串行Flash(SPI Flash) 和并行Flash。在芯片内部有它们对应的控制器。

于此同时，一般在芯片的内部，都会有一个比较小的SRAM和ROM，我们一般称它为内部SRAM和内部ROM。

我们的程序，包括系统程序和应用程序，一般都是存放在这些外接的存储介质上。

(2)启动过程

1. 芯片上电执行的第一条程序，不是执行放置在外部Flash中的Boot程序，执行的是内部ROM上的程序
2. 内部ROM里面的程序，会根据BOOT_SEL引脚的电平状态，判断需要从哪个存储器中启动，然后初始化该存储器的接口
3. 存储器接口初始化完成后，将存储设备最开始的一小段程序程序(一般4~5K)加载到内部SRAM，通过这一小部分程序去初始化外部的DDR内存
4. 外部DDR初始化完之后，再将Flash中剩下的代码复制到外部DDR中，然后再跳转到外部DDR中去执行BOOT剩下的代码
5. DDR上的BOOT程序会去初始化硬件并引导kernel的启动，随后kernel去挂载根文件系统
6. 根文件系统去执行应用程序、并挂载在存储器上其它分区上的文件系统

这里需要对几个知识点需要注意：

• 并不是所有的系统都有BOOT_SEL引脚，在有些SOC上，还会通过BOOT_SEL引脚判断是否在烧录模式
• 如果去分析boot的编译连接脚本，你会发现，放置在boot程序最前面4K位置的代码，都是一些初始化、代码复制、重定位的代码，这部分一般是汇编实现。
• 因为内部SRAM的空间很小，所以内部ROM上的程序才会只复制前面的一小段程序。
• 启动过程的1~4步骤，有叫BOOT的自举，也有的叫BOOT 的重定位。

(3)启动阶段

其实不管是嵌入式系统，还是其它的计算机系统，其启动过程大概都可以分为三个阶段

• ROM 阶段
• RAM 阶段
• BOOT 阶段

ROM阶段：指的是处理器内部的ROM程序阶段，主要作用是加载存储头部的一小段程序到内部RAM上，这部分的程序一般是使用汇编来实现。

RAM阶段：是指外部DDR已经被初始化，并且存储器中的程序已经被重定位到外部DDR上，从这开始，程序的堆栈空间可以被建立起来，C语言可以开始执行。

BOOT阶段：是指开始其它外围硬件初始化和引导系统启动。

(二)计算机系统启动

计算机系统因为历史悠久，外设种类众多，它的启动流程会复杂一些，根据固件类型(BIOS或UEFI)和分区表类型(MBR或GPT)的不同，计算机的启动一般可以分为BIOS启动和UEFI启动两种。

查资料看文档发现BIOS、UEFI、LEGACY这几个概念有些混乱，没有统一的定义。对大部分来说，它们理解的引导计算机启动的程序就叫BIOS

因此在这之前，我们统一一下说法，计算通过BIOS引导系统启动，根据BIOS固件的不同和磁盘的分区类型不同，又可以分为两种方式：LEGACY(传统BIOS) 和 UEFI启动。

(1)计算机主板接口与组件介绍

要了解计算机的启动流程，我们先看下一台个人计算机的主板上都有些什么接口和组件

主要的组件有：电源、CPU、南桥北桥芯片组、BIOS芯片、磁盘接口、还有各种扩展接口和连接器(内存、显卡、网卡声卡等等)

与启动比较相关的是电源、CPU、南北桥芯片组，BIOS芯片、磁盘、内存

(1)ATX电源ATX是一种主板的规范、符合ATX规范的电源就叫ATX电源，它的作用是是把交流220V的电源转换为计算机内部使用的5V、12V、24V等不同压值的直流电源。

另外，它还支持电源管理， ATX电源标准接口(如PS_ON、PWR_OK等)与主板通信，以实现电源的管理和控制，包括开机、关机、睡眠模式和节能功能等。

(2)嵌入式控制器(EC)

EC(Embedded Controller)是笔记本电脑上的一个16位小芯片，在不同的设备上，它的名字有些不一样，功能也有些差异：

• 台式机一般使用的是超级输入输出控制器(SIO)
• 手机上一般使用的是功率管理集成电路(PMIC)
• 笔记本上使用的是嵌入式控制器(EC)

EC的主要功能有:

1. 电源管理
2. 温度监测和风扇控制
3. 输入设备管理
4. 系统监控与故障检测
5. 启动时序管理
6. 电池管理(适用于笔记本电脑)

(3)BIOS芯片

我们常说的BIOS(Basic Input/Output System，基本输入/输出系统)，它其实是位于主板上的一块芯片，里面存储着BIOS程序。

它主要负责启动、初始化计算机硬件，引导操作系统启动。

最开始BIOS程序是存储在ROM中，后面存储在EEPROM，现在大多数都存储在Nor Flash中，因为是存储在Nor Flash 中，所以现在的BIOS 程序是可以被升级更新的。

(4)南桥与北桥

南桥和北桥是指计算机主板上的两个重要芯片组，它们协同工作以连接和管理主板上的各种硬件组件。

北桥(Northbridge)：

• 位于主板上靠近CPU的区域，负责处理与CPU及高速外设连接相关的任务。
• 包括内存控制器、图形接口(AGP或PCIe)、高速系统总线(例如FSB，Front Side Bus)，负责管理CPU与内存之间的数据传输和控制显卡。
• 在较新的主板设计中，随着技术的发展，一些功能逐渐集成到CPU中，北桥的功能逐渐减少。

南桥(Southbridge)：

• 位于主板上较远离CPU的区域，负责处理I/O设备和外围总线的控制。
• 包括硬盘控制器、USB控制器、PCI总线、声卡、网卡等外围设备接口，负责管理和控制这些设备。
• 处理I/O设备的低速操作，与北桥的高速总线相对应。

随着技术的发展和新型架构的出现，北桥和南桥的功能划分逐渐变得模糊。现代的芯片组设计趋向于集成更多的功能到单个芯片中，以提高效率并减少组件数量

(5)磁盘

磁盘在前面已经有过介绍

文件系统(一)：存储介质、原理与架构

文件系统(二)：分区、格式化数据结构

(6)扩展介绍

不同的主板规格，主板上的接口和器件会有差异。

对于台式计算机而言，关机和设备断电，它是处于不同的工作状态的，关机状态下，BIOS和主板上的一些其它器件还是在工作的，比如跟开机按键检测相关的一些器件。

台式机在断电的时候，它里面的时钟也是有在运行，它是通过主板上的纽扣电池来进行供电。纽扣电池最开始是为CMOS供电的，这里的CMOS其实就是一个小的RAM，保存的是用户设置的一些BIOS参数，以及主板器件的一些参数。

(2)LEGACY(BIOS) + MBR 方式启动

LEGACY 方式它只能加载MBR分区格式的引导盘，它的启动方式，大概可以分为6个阶段：

• CPU上电
• BIOS硬件检测
• BIOS更新参数
• BIOS交出控制权
• 执行MBR引导程序
• 活动分区加载操作系统

(a)CPU上电

• 按下开机键，电源开始给主板和其他器件供电，CPU开始初始化
• 电源稳定后(电源会发出PWR_OK信号)，CPU开始从FFFF0H处开始执行指令
• FFFF0H是BIOS器件在CPU的一个映射地址，这个地址程序的功能是跳转到BIOS的代码处

(b)BIOS硬件检测

• BIOS 检测系统中的关键器件是否正常，比如内存、显卡
• BIOS 找到显卡后，调用显卡上初始化代码，完成显卡的初始化
• BIOS 逐一的查找主板上的其它器件，看它们是否存在
• BIOS 显示自己的启动画面
• 检测CPU类型和CPU的频率，并显示在屏幕上
• 检测系统中的一些标准硬件设备，比如硬盘，串行接口，并行接口等

(c)BIOS更新参数

• BIOS完成硬件检测完之后，会去更新ESCD(Extended System Configuration Data，扩展系统配置数据)
• 实际是系统硬件配置发生变化才会去更新

(d)BIOS交出控制权

• BIOS执行完ESCD更新操作后，BIOS会依次去查找磁盘、光盘、U盘等设备上是否有操作系统(该顺序用户可以通过BIOS参数设置)。
• 传统的LEGACY启动方式，它只能识别MBR方式分区的存储设备
• 探测到存储设备存在后，将启动控制权交给MBR分区上的引导程序

(e)执行MBR引导程序

• 先将第0扇区的512字节复制到内存的一个安全区域去执行
• 判断第0扇区的最后两个字节是否为"55 AA",如果不是，提示出错
• 查找分区表中是否有活动分区
• 如果有活动分区，判断活动分区所在的扇区位置
• 将活动分区的引导扇区读入内存中，并判断数据是否合法
• 如果活动扇区数据合法，就将引导权交给活动扇区
• 活动扇区去引导操作系统启动，MBR引导程序退出
• 如果该MBR上没有活动分区，引导权交还给BIOS，由BIOS去查找下一个存储设备

(f)活动分区加载操作系统

• MBR的引导程序找到活动分区后，会跳转到活动分区所在为止，将引导权交给活动分区
• 活动分区是指包含引导加载程序(Boot Loader)的分区，它负责加载操作系统的核心部分
• 操作系统的引导是由操作系统的类型来决定的。

(3)UEFI+GPT  方式启动

Windows系统中大概的一个启动流程是：

1. 计算机上电
2. BIOS自检
3. UEFI固件启动
4. 根据RAM中保存的启动顺序加载启动设备
5. 判断启动设备中是否存在ESP分区，如果有则加载，没有则下一个存储器中查找
6. 读取ESP分区中的EFI应用信息，加载到BCD文件
7. 读取BCD文件下的记录以加载系统

在UEFI启动模式中，大部分的工作是在ESP分区中进行

ESP分区ESP(EFI System Partition)是用于存储 EFI(Extensible Firmware Interface)引导加载程序和相关引导文件的分区。它是启动过程中的重要组成部分，包含操作系统引导加载程序、配置文件和其他与引导相关的文件。

与启动比较相关的是下面三个文件：

• EFI/Boot/bootx64.efi(或bootia32.efi)
• EFI/Microsoft/Boot/bootmgfw.efi
• EFI/Microsoft/Boot/BCD 其中必须要有的是：BCD和bootmgfw.efi 两个文件文件

UEFI BIOS 程序执行阶段

一般分为7个过程：

步骤	阶段缩写	英文全称	中文名字
1	SEC	Security Phase	安全验证阶段
2	PEI	Pre-EFI Initialization	EFI前期初始化阶段
3	DXE	Driver Execution Environment	驱动执行环境阶段
4	BDS	Boot Device Selection	启动设备选择阶段
5	TSL	Transitional System Load	操作系统加载前期阶段
6	RT	Runtime	系统运行时阶段
7	AL	System Recovery or Shutdown	系统灾难恢复期或关机阶段

1.SEC(安全验证)：安全验证是UEFI启动过程的第一步。在这个阶段，执行UEFI固件的固定代码，主要负责初始化CPU、内存和一些基本的系统硬件。

2.PEI(EFI前期初始化)：在这个阶段，UEFI固件负责执行更多的硬件初始化，包括DRAM初始化，建立PEI系统服务，为后续的DXE阶段做准备。

3.DXE(驱动执行环境)：DXE阶段是加载和执行UEFI驱动程序的阶段。这些驱动程序可以是固件驱动程序、外部设备驱动程序等，以提供更多的硬件支持和功能。

4.BDS(启动设备选择)：在这个阶段，UEFI选择启动设备，例如硬盘、光盘、USB驱动器等。用户可以通过UEFI设置来配置启动顺序。

5.TSL(操作系统加载前期)：这个阶段涉及加载操作系统引导加载器，准备操作系统加载。UEFI启动管理器在这个阶段起到关键作用。

6.RT(系统运行时)：一旦操作系统加载完成，系统进入运行时阶段。UEFI仍然提供了一些运行时服务，使操作系统能够访问硬件资源。

7. AL(系统灾难恢复期或关机)：这是系统的最终阶段，涉及系统的灾难恢复、关机或重启。

(三)各种启动的区别

(1)嵌入式系统与个人计算机启动的区别

嵌入式设备与个人计算机系统，在启动方面，个人认为最大的区别是个人计算机将嵌入式设备系统SOC中大部分的功能放到BIOS上去实现了。主要的原因是嵌入式设备的SOC的外设接口和器件相对比较固定，没有个人PC机的主板这么复杂，所以放在SOC的ROM上去实现会更加的高效。

我们可以从硬件平台、引导程序、启动时间上做简单介绍

1. 硬件平台:

• 嵌入式系统通常设计用于特定用途，硬件资源相对较少，例如智能家居设备、工业控制系统或电子设备。因此，它们的启动过程通常是针对特定硬件的定制化。
• 个人计算机电脑是通用计算设备，硬件配置通常更为复杂和强大，例如桌面电脑、笔记本电脑或平板电脑。

2. 引导加载程序:

• 在个人计算机上，通常使用一个引导加载程序（bootloader）来启动操作系统。这个引导加载程序会加载并运行操作系统的内核，例如Windows的NT Loader或者GNU GRUB。
• 在嵌入式系统中，可能会使用不同的引导加载机制，例如简单的启动加载器（Simple Boot Loader）或直接由硬件启动，如芯片上的固件。

3. 启动时间:

• 由于个人计算机通常具有更复杂的启动过程，包括硬件自检（POST）、引导加载程序和操作系统加载等步骤，因此它们的启动时间可能会相对较长。
• 嵌入式系统通常更注重启动速度和即时响应性，因此它们的启动时间通常更短。

整体来说：嵌入式系统更加注重定制化和高效性，而个人计算机则更注重通用性和功能性。

(2)LEGACY(BIOS) 与 UEFI 启动的区别

它们主要的区别在于启动方式、启动速度、容量限制、图形界面、安全性上

1.启动方式:

• Legacy BIOS是传统的启动方式，它使用基本输入/输出系统来启动计算机。在这种方式下，计算机会首先执行BIOS固件中存储的启动程序，然后加载操作系统。
• UEFI是一种新一代的启动方式，它取代了传统的BIOS。UEFI提供了更加灵活和强大的启动环境，支持更多的硬件特性和功能。UEFI启动过程中，计算机会执行存储在UEFI固件中的启动程序，并且可以加载操作系统和引导加载程序。

2. 启动速度:

• UEFI启动通常比Legacy BIOS启动更快，因为UEFI固件在启动过程中能够更有效地初始化硬件和执行启动程序。
• Legacy BIOS启动可能会比较慢，因为它是基于较老的技术，并且在初始化硬件和执行启动程序时可能需要更多的时间。

3. 容量限制:

• Legacy BIOS有一些容量限制，例如对于硬盘分区的大小或启动介质的容量有限制。
• UEFI则更加灵活，支持更大容量的硬盘分区和启动介质，因此能够更好地适应现代计算机系统的需求。

4. 图形界面:

• UEFI通常支持图形界面，可以提供更友好的用户交互体验，例如在启动时显示启动菜单或设置界面。
• Legacy BIOS通常是基于文本界面的，用户交互相对简单，一般通过键盘输入来进行选择和设置。

5. 安全性:

• UEFI提供了更多的安全功能，例如Secure Boot，可以帮助防止恶意软件在系统启动时加载。
• Legacy BIOS相对较为简单，安全功能较少，容易受到恶意软件的攻击。

总的来说，UEFI相比Legacy BIOS具有更快的启动速度、更大的容量支持、更丰富的功能和更好的安全性，因此在现代计算机系统中越来越受到广泛应用。

结尾

以前在嵌入式软件开发岗位面试的时候，经常被问到系统启动流程，或者是uboot启动流程介绍。对于系统工程师而言，这些应该是需要熟练掌握，但是对于应用工程师而言，我个人认为只要了解基本流程和概念就可以了。

以上内容，如有错误，欢迎批评指正

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