系统启动理解--兴趣篇

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2022-08-14 00:47 123阅读 0赞

电脑是如何启动的？为什么电脑断电后系统时间任然在走，短时间内启动电脑后系统时间不会发生偏差？远程开机是如何实现的？为什么电脑操作系统比手机占用更多的内存？为什么电脑没有采用运算速度更快的哈佛结构，一如既往的采用冯诺依曼机构？……最近接触到一些嵌入式linix系统中的裸机程序，对它的执行过程引发了许多思考。

对于[BIOS][]大家都不陌生，最常用的功能是在装系统时配置启动项，是从U盘启动还是硬盘启动还是其他。其实BIOS功能远不止这些，它包含着系统的基本信息设定，上电自检，系统启动项等内容，一个有意思的设定是它可以改变电脑开机的方式，如按键盘[任意键开机，鼠标点击开机，定时自启][Link 1]等，如果主板与网卡支持，还可以设计[远程开机][Link 2]。

难以想象，未来的家用电器如果配置了远程网络功能，可以实现开关机的话，下班乘公交车的时候用手机打开家里的电饭锅，回到家就可以直接享受刚出锅的晚餐了。

了解了BIOS就能够对电脑从按下电源键开始到桌面化系统启动这段时间都发生了什么，下面从嵌入式系统的boot loader 工作过程简单理解一个处理器是如何启动的（它与BIOS的工作原理惊人的相似）。

## 简介 ##

了解这些首先要理解一些相关概念。一个系统的组成包括软件系统和硬件系统。

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为什么嵌入式采用的Linix操作系统要比PC机采用的Windows操作系统在内存上小出那么多？其实，无论是哪一个系统都是由内核与接口程序，驱动程序（驱动硬件操作），它是操作系统的基础。像现在的手机操作系统都是通过改编开放的Linix系统内核加上必要的接口程序驱动程序得到的。嵌入式所要求的操作系统功能并不是非常全面，它往往是针对某一个具体的功能而设计的，则系统并不需要加入所有的驱动程序，以够用为原则。而Windows操作系统为适应不同的CPU，主板等不同硬件的需要，而且要实现多功能操作，势必引入的接口，驱动程序要多出很多了。

Boot loader与BIOS的功能相似，是一段占用4k的启动代码，它最初存在于Norflash中（就像电脑硬盘）。

Norflash与Nandflash都是一种存储介质，Norflash比Nandflash存储容量小，访问速度快。

哈佛结构与冯诺依曼结构对比，冯诺依曼结构只有在上一条指令执行完成后才能执行下一条，依次顺序执行，哈佛结构在执行第一条指令的译码工作时，第二条指令就可以同步执行取指令操作了。电脑采用但由于电脑的晶振比手机大的多，所以并没有感觉电脑比手机慢。

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## 工作 ##

在2410中存在一块SRAM（相当于CPU中存在一块4k内存，存放执行数据），boot loader从Nandflash中读出boot loader到SDRAM中，然后送回到2410处理器中处理数据（因为内存中的SRAM只有4k相当小，如果是小程序直接烧写到这里可直接执行）。

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Bootloader中含有一组启动的代码init.s(用汇编编写为.s文件，但往往启动代码是由汇编与c语言混合编写的)它的具体流程如下：

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1.      关闭看门狗。程序一旦开始执行，看门狗定时器就开始计时，如果一个程序一段时间后不给定时器一个信号的话，看门狗数据溢出，自动复位。

2.      中断是硬件执行的基本操作。程序执行过程中收到外来打扰就会响应中断执行外部程序。

3.      时钟为所有的工作提供一个统一的信号，就像运动员在喊口令一样，保持协调一致，只有这样才不会造成各个程序之间的混乱

4.      RAM存储器在断电后都会清空

5.      波特率是串口的传输速率，电脑主机接显示屏的线就是一个串口线。校验位负责检验是否系统启动是否出错，寄存器负责记录当前工作状态的地址，暂存待处理数据等功能。

6.      设置堆栈指针，指针主要应对c程序。比方说程序在开始启动时执行汇编指令，突然接到中断后转到其他地址去执行指令，此时的地址要保存到堆栈中保护起来，等到中断执行完毕，又返回来执行现有程序，必须要从堆栈中获取当前地址。

## 总结 ##

对比软件编程与驱动硬件的编程，其语法结构都是一样的，无外乎顺序，选择，循环结构。但基于硬件的编程必须要考虑到硬件寄存器端口地址，每个处理器中的寄存器地址都代表着不同的地址，造成程序编写过程中必须要查表才能对实现具体的操作。而软件中的每一个控件都是由自己命名的，大大简化了操作过程。

对机器执行程序的理解：最初的计算机语言都是机器语言，用到的都是0和1，难以记忆。后逐渐发展的汇编，高级语言被大众所接受，经过专门的编译器编译生成二进制文件。在执行过程中调入内存中，每一个内存单元都有一个特定的地址。CPU通过寻址的方式发现这些被编译的0和1被电脑所识别，执行。

就好比驱动程序，如果不是专门的驱动程序师编译出来的驱动往往都是不稳定的。只有清晰的理解了内部架构才能编写出出色的硬件程序，这应该就是硬件编程困难的原因吧。

（如有错误，还望大神前来扶正）

[BIOS]: http://baike.baidu.com/view/361.htm?fr=aladdin
[Link 1]: http://zheyicao.blog.163.com/blog/static/15963818200779101358610/
[Link 2]: http://baike.baidu.com/view/1965454.htm?fr=aladdin
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