嵌入式 Linux 启动流程深度剖析：从上电到 Shell

无论是瑞芯微 RK3588、全志 H616 还是 NXP i.MX8，所有基于 ARM 的嵌入式 Linux 系统都遵循一条相似的引导链路。理解这个流程，是嵌入式开发中最核心的基础知识。

1. 启动流程全景图

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│  上电复位  │
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│  BootROM  │  ← SoC 内部固化代码（不可修改）
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│  SPL/TPL  │  ← 初始化 DRAM（DDR Training）
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     ▼
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│  U-Boot   │  ← 加载内核和设备树
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     ▼
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│  Kernel   │  ← Linux 内核初始化
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│  Rootfs   │  ← 挂载根文件系统
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     ▼
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│ Init/Shell│  ← systemd 或 BusyBox init
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2. BootROM 阶段

芯片上电后，CPU 首先从内部 ROM 加载固化的引导代码。BootROM 的职责非常有限：

1. 初始化最基本的时钟和 SRAM
2. 按照预设优先级扫描存储介质（eMMC → SD → SPI NOR → USB）
3. 把 SPL（Secondary Program Loader）加载到内部 SRAM 并跳转

以 RK3588 为例，BootROM 会在以下偏移量寻找 TPL/SPL：

eMMC:     Sector 64 (0x8000)
SD Card:  Sector 64 (0x8000)
SPI NOR:  Offset 0x0

3. SPL / TPL 阶段

SPL 是整个启动链中最关键的一环——它负责初始化 DRAM（DDR Training）。

在 RK3588 的 U-Boot SPL 中，典型的初始化流程：

// arch/arm/mach-rockchip/spl.c
void board_init_f(ulong dummy)
{
    /* 初始化调试串口 */
    debug_uart_init();

    /* 初始化 DRAM (DDR4/LPDDR4x Training) */
    ret = sdram_init();

    /* 设置 U-Boot Proper 的加载地址 */
    spl_early_init();
}

DDR Training 是一个自动化过程，硬件会调整 DQ 信号的采样窗口（Read/Write Leveling）以确保在高频下信号能被正确采样。如果此过程失败（通常表现为串口无输出），多半是 PCB 走线质量问题。

4. U-Boot 阶段

U-Boot 接管后，拥有了完整的 DRAM 和外设访问能力。核心任务：

1. 加载 Linux 内核镜像（Image 或 zImage）到 DRAM
2. 加载设备树文件（.dtb）
3. 设置 bootargs 内核命令行参数
4. 跳转到内核入口

# U-Boot 控制台常用命令

# 查看环境变量
printenv

# 手动从 eMMC 加载并启动
load mmc 0:1 0x00280000 Image
load mmc 0:1 0x00200000 rk3588s-orangepi-5.dtb
setenv bootargs "root=/dev/mmcblk0p2 rootwait console=ttyS2,1500000"
booti 0x00280000 - 0x00200000

# 保存环境变量到 eMMC
saveenv

4.1 设备树 (Device Tree) 的作用

设备树是一种描述硬件拓扑的数据结构，取代了内核源码中硬编码的板级信息。它以 .dts（源文件）编译为 .dtb（二进制）供内核解析。

// 一个简化的 LED 描述
/ {
    leds {
        compatible = "gpio-leds";
        user-led {
            gpios = <&gpio3 RK_PB5 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
            label = "status";
            linux,default-trigger = "heartbeat";
        };
    };
};

5. Kernel 阶段

Linux 内核启动后的关键初始化步骤：

1. start_kernel() — 平台初始化入口
2. 内存管理子系统初始化 — 建立页表、启用 MMU
3. 设备驱动探测 — 根据设备树匹配并加载驱动
4. 挂载根文件系统 — 根据 bootargs 中的 root= 参数
5. 启动 Init 进程 — PID 1，通常是 systemd 或 /sbin/init

# 内核启动日志（节选）
[    0.000000] Booting Linux on physical CPU 0x0000000000 [0x412fd050]
[    0.000000] Linux version 5.10.160 (builder@lubancat) ...
[    1.234567] rk3588-pinctrl pinctrl: initialized OK
[    2.345678] EXT4-fs (mmcblk0p2): mounted filesystem
[    3.456789] Run /sbin/init as init process

6. 根文件系统与 Init

6.1 根文件系统类型

文件系统	特点	适用场景
ext4	通用、可读写	开发调试
squashfs	只读、高压缩率	量产固件
overlayfs	squashfs + 可写层	兼顾安全与可写
initramfs	内存文件系统	早期引导

6.2 systemd vs BusyBox init

• systemd：功能全面（服务管理、日志、定时器等），适合复杂桌面/服务器系统
• BusyBox init：极度精简（几十 KB），适合资源受限的嵌入式场景

7. 调试技巧

• 串口不出字：检查 TX/RX 是否反接、波特率是否正确（RK3588 一般为 1500000）
• 卡在 DDR Training：PCB 走线问题或 DDR 颗粒兼容性问题
• Kernel Panic：多半是根文件系统挂载失败，检查 bootargs 中的 root= 参数
• 驱动未加载：检查设备树中的 status = "okay" 和 compatible 字段匹配