ブートローダーは、電源投入後、最初に動作するソフトウェアです。Armadillo-400シリーズではHermit-Atブートローダー(以降、単にHermit-Atと記述します)を使用します。

Hermit-Atは、二つの動作モードを持っています。一つは、オートブートモードです。オートブートモードでは、カーネルイメージをブートデバイス^[46]から読み出し、メモリに展開してからカーネルに制御を移します。この動作は、「ブートローダーが行う処理」で詳しく説明します。

もう一つの動作モードは保守モードで、コンソールにプロンプトを表示し、ユーザーが入力したコマンドに応じてフラッシュメモリの書き換えなどを行います。

Hermit-Atは、フラッシュメモリのブートローダーリージョンに書き込まれている必要があります。

Linuxカーネルは、プロセス管理(スケジューリング)、時間管理、メモリ管理、デバイスドライバ、プロトコルスタック、ファイルシステムなどのOSとしてのコア機能を提供します。Armadillo-400シリーズでは、標準のカーネルとしてLinux を使用します。

Linuxカーネルの初期化処理については、「カーネルの初期化処理」で詳しく説明します。

標準ではカーネルイメージはフラッシュメモリのカーネルリージョンに配置されます。カーネルイメージは、Hermit-Atのブートオプションを変更することで、ストレージ(microSD/SD)またはTFTPサーバー上にも配置することができます。

ユーザーランドとは、アプリケーションプログラムやライブラリ、設定ファイル、データファイル、デバイスファイルなどLinuxシステムが動作する上で必要なカーネル以外のものをいいます。

	カーネルとユーザーランドとのインターフェース
	Linuxカーネルは、ユーザーランドで動作するプログラムとの唯一のAPI(Application Program Interface)として、システムコールを提供します。ユーザーランドのプログラムは、必ずシステムコールを通してカーネルの機能を呼び出します。

Linuxシステムでは、ユーザーランドのファイルとディレクトリ^[47]同士の位置関係を階層的な木構造として表現します。ファイルとディレクトリの木構造をファイルシステムといいます。また、木構造の最上位に位置するディレクトリをルートディレクトリといいます。全てのファイルはルートディレクトリから辿ることができます。

ファイルシステムは、通常、ストレージデバイス^[48]に書き込まれて使用されます。ストレージデバイスをファイルシステムと関連付け、システムから使用できるようにすることを、「マウントする」といいます。Linuxシステムでは、任意のディレクトリにデバイスをマウントすることができます。特に、ルートディレクトリにマウントされたファイルシステムを、ルートファイルシステムといいます。

	Windowsのファイルシステムとの違い
	Windowsも階層的なファイル構造を持っていますが、Linuxシステムとは決定的な違いがあります。それは、Linuxシステムのファイルシステムにはドライブという考え方がないことです。 Windowsでは複数のストレージデバイスがある場合、デバイスごとにドライブという形で区別し、別々の階層構造を持ちます。一方で、Linuxシステムでは、複数のデバイスがある場合でも、ルートディレクトリから連なる一つの階層構造として表現します。つまり、USBメモリを/mnt/usbディレクトリにマウントし、SDカードを/mnt/usb/sdディレクトリにマウントするといったことができます。デバイスがどれだけ増えようとも、必ずルートディレクトリから辿ることができます。

Armadillo-400シリーズでは、ユーザーランドの標準ルートファイルシステムは、Atmark Distと呼ばれるソースコードベースの開発ディストリビューションを使用して作成します。Atmark Distには、アプリケーションプログラムやライブラリなどのソースコードが含まれています。Atmark Distは、それらのうち、ユーザーが指定したものをビルドしてルートファイルシステムを作成し、フラッシュメモリに書き込める形式のイメージファイルを生成します^[49] 。

Atmark Distで作成したルートファイルシステムイメージは、フラッシュメモリのユーザーランドリージョンに配置されます。ルートファイルシステムイメージは、起動時にHermit-Atによって読み出され、メモリ(RAM)に展開されます。Armadilloは、メモリの一部をストレージのようにして使う、RAMディスクという仕組みを用いてメモリ上に展開されたファイルシステムを、ルートファイルシステムとしてマウントします。

ルートファイルシステムイメージは、Hermit-Atのブートオプションを設定することで、TFTPサーバー上にも配置することができます。また、カーネルオプションを設定することで、RAMディスクではなく、microSD/SDやUSBメモリといった通常のストレージにあるファイルシステムをルートファイルシステムとして使うこともできます。

	標準以外のユーザーランド
	Atmark Distで作成した標準ユーザーランドの他に、オプションとしてDebian GNU/Linux 7 (コードネーム "wheezy")ベースのユーザーランドも提供しています。 Debian GNU/Linuxベースのシステムでは、ソフトウェアパッケージのインストールが一つのコマンドできたり、セルフコンパイル環境を整えることもできます。開発の初期段階や、サーバーとして使用する場合にはDebian GNU/Linuxをユーザーランドとして選択するのも良いでしょう。

Armadilloシリーズは、汎用CPUボードという性格上、ユーザーが書き換え可能なフラッシュメモリを搭載しています。ユーザーが操作を誤ってフラッシュメモリを消去してしまっても復旧が可能なように、Armadilloはジャンパによって、電源投入後の動作(ブートモード)を変更することができます。

Armadillo-400シリーズでは、JP1の設定によってUARTブートモードと、オンボードフラッシュメモリブートモードを選択することができます。JP1をショート^[50]にすると、UARTブートモードとなります。JP1をオープン^[51]にしておくと、オンボードフラッシュメモリブートとなります。オンボードフラッシュメモリブートモードでは、フラッシュメモリのブートローダーリージョンに配置されたブートローダー(Hermit-At)が起動されます。

Hermit-Atは起動されると、まず、DRAMの初期化、拡張インターフェースのIOポートを入力にするなどの必要最小限の設定をおこないます。その後の動作は、JP2の設定によって決定されます。JP2をショートにしておくと保守モード、オープンにしておくとオートブートモードとなります。

ジャンパの設定による、ブートモードの違いを表5.1「ジャンパ設定」にまとめます。

Hermit-At v3.8.0 (armadillo4x0) compiled at 12:09:14, Oct 12 2015
hermit>

5.2.1.3. オートブートモード

JP1とJP2を共にオープンにした状態で起動すると、オートブートモードとなります。これが通常運用での設定です。

Hermit-Atは、最低限のハードウェアの初期化を行った後、自分自身をメモリ(RAM)にコピーします^[52]。

図5.2 ブートローダーのコピー

次にブートデバイス^[53]からカーネルイメージとユーザーランドのルートファイルシステムイメージを読み出し、メモリ上にコピーします。

図5.3 カーネルとユーザーランドをコピー

その後、ブートローダーを抜け、カーネルの開始番地へ実行を移します。この一連の処理を、Linuxカーネルをブートすると表現します。

図5.4 カーネルの起動

Hermit-AtがLinuxカーネルをブートするときの、コンソールへの出力を図5.5「Hermit-Atオートブートモード時の表示」に示します。

Hermit-At v2.0.1 (armadillo4x0) compiled at 21:10:18, Apr 27 2010  
Uncompressing  kernel.............................................................................
....................................done.  
Uncompressing ramdisk.............................................................................
..................................................................................................
..................................................................................................
..................................................................................................
.......................................................done.  
Booting Linux on physical CPU 0x0 
Initializing cgroup subsys cpuset
Initializing cgroup subsys cpu
Initializing cgroup subsys cpuacct
Linux version 3.14.36-at4 (atmark@atde5) (gcc version 4.6.3 (Debian 4.6.3-14atmark1) ) #3 PREEMPT Mon Oct 12 11:00:18 JST 2015
:
:
:

図5.5 Hermit-Atオートブートモード時の表示

	Hermit-Atはシリアルの初期化が完了すると自身のバージョンを表示します。
	カーネルイメージが圧縮されている場合、展開しながらメモリ上にコピーします。
	同様に、ユーザーランドイメージを展開しながらメモリ上にコピーします。ユーザーランドイメージのコピーが完了すると、カーネルに実行を移します。
	この行以降は、カーネルが表示しています。

ブートローダーから実行を移されると、ようやくLinuxカーネルが動作を開始します。

Armadilloのカーネル起動ログの例として、Armadillo-420の起動ログを図5.6「Armadillo-420カーネルブートログ」に示します。

Linux version 3.14.36-at (atmark@atde5) (gcc version 4.6.3 (Debian 4.6.3-14atmark1) ) #3 PREEMPT Mon Oct 12 11:00:18 JST 2015
CPU: ARM926EJ-S [41069264] revision 4 (ARMv5TEJ), cr=00053177
CPU: VIVT data cache, VIVT instruction cache
Machine: Armadillo-420
Memory policy: Data cache writeback
Built 1 zonelists in Zone order, mobility grouping on.  Total pages: 16256 
Kernel command line: console=ttymxc1,115200 root=/dev/ram0 
PID hash table entries: 256 (order: -2, 1024 bytes)
Dentry cache hash table entries: 8192 (order: 3, 32768 bytes)
Inode-cache hash table entries: 4096 (order: 2, 16384 bytes)
allocated 131072 bytes of page_cgroup
please try 'cgroup_disable=memory' option if you don't want memory cgroups
Memory: 33792K/65536K available (4498K kernel code, 222K rwdata, 1368K rodata, 164K init, 143K bss, 31744K reserved)
Virtual kernel memory layout:
    vector  : 0xffff0000 - 0xffff1000   (   4 kB)
    fixmap  : 0xfff00000 - 0xfffe0000   ( 896 kB)
    vmalloc : 0xc4800000 - 0xff000000   ( 936 MB)
    lowmem  : 0xc0000000 - 0xc4000000   (  64 MB)
    modules : 0xbf000000 - 0xc0000000   (  16 MB)
      .text : 0xc0008000 - 0xc05c2ebc   (5868 kB)
      .init : 0xc05c3000 - 0xc05ec324   ( 165 kB)
      .data : 0xc05ee000 - 0xc0625880   ( 223 kB)
       .bss : 0xc062588c - 0xc0649528   ( 144 kB)
Preemptible hierarchical RCU implementation.
        Dump stacks of tasks blocking RCU-preempt GP.
NR_IRQS:16 nr_irqs:16 16
MXC IRQ initialized 
:
各デバイスやカーネル内部の初期化処理
:
RAMDISK: ext2 filesystem found at block 0 
RAMDISK: Loading 24576KiB [1 disk] into ram disk... done.
VFS: Mounted root (ext2 filesystem) on device 1:0. 
devtmpfs: mounted 

カーネルの初期化が完了すると、最初のプロセスとしてinitというアプリケーションプログラムが実行されます。initは、まず、コンソールの初期化をおこない、次に/etc/inittabというファイルに書かれた設定に従って、コマンドを実行します。

この時、処理状況を表示するシステムコンソールには、カーネルパラメータのconsoleオプションで指定されたデバイスを使用します。もし、console オプションが指定されていない場合は、/dev/consoleを使おうとします。図5.6「Armadillo-420カーネルブートログ」で示したように、標準でconsoleオプションにttymxc1が指定されます。ttymxc1は、Armadillo-400シリーズのシリアルインターフェース1に対応する、シリアルデバイスです^[54]。そのため、initは、シリアルインターフェース1をシステムコンソールとして設定します。

次に、initは、/etc/inittabファイルの中身を読み込み、その内容に従って処理を行います。inittabには、一行ごとにinitが実行すべきコマンドが記述してあります。inittabの書式は、以下のようになっています。

id:runlevel:action:process

idには起動されるプロセスが使用するコンソールを指定します。省略した場合は、システムコンソールが使用されます。

runlevelは、Atmark Distで生成されるユーザーランドに含まれるinitでは、無効です。

actionはどのような状態のときにprocessに指定したコマンドを実行すべきかをあらわします。actionに指定可能な値を表5.2「initのactionに指定可能な値」に示します。

例として、Armadillo-420のinittabは以下のようになっています。

::sysinit:/etc/init.d/rc

::respawn:/sbin/getty -L 115200 ttymxc1 vt102

::shutdown:/etc/init.d/reboot
::ctrlaltdel:/sbin/reboot

図5.8「Armadillo-420のinittab」からわかるように、システム初期化時には/etc/init.d/rcが実行されます。

Armadilloでは、/etc/init.d/rcはシェルスクリプトになっています。シェルスクリプトは、シェルで実行できるコマンドを記述したスクリプトです。詳細は、第2部の「シェルスクリプトプログラミング」で説明します。

Armadillo-420の/etc/init.d/rcは以下の処理を実行します。

/etc/rc.dディレクトリ内には、Sからファイル名が始まる、初期化スクリプトがあります。これらの初期化スクリプトで、コンフィグ領域のリストアや、ファイヤーウォールの設定、ネットワークインターフェースの有効化、各サーバーの起動などをおこないます。初期化スクリプトはファイル名の順番に実行されます。そのため、Sに続く2桁の数字が小さいファイル名のスクリプトから順に実行されます。

また、処理の一番最後に/etc/config/rc.localというファイル名で実行可能なファイルがあるか確認し、ファイルがあればそれを実行します。/etc/config/ディレクトリは、flatfsdでコンフィグ領域に保存可能なディレクトリですので、開発時などに自動起動プログラムを試したいという場合に使用することができます。

sysinitアクションに指定された以上の処理が完了すると、initは次に、respawnアクションに指定されたコマンドを実行します。Armadillo-400シリーズの場合は、gettyというプログラムを起動します。

gettyは、/etc/issueの内容を読み取り、コンソールに表示します。そして、ログインユーザー名の入力待ちになります。ログインユーザー名が入力されると、それを引数として、loginというプログラムを起動します。

loginは、ログイン名を指定されて起動されると、パスワードの入力待ちになります。パスワードが入力されると、/etc/passwd及び/etc/shadowの内容とログインユーザー名、パスワードを照合して、認証をおこないます。ユーザー名とパスワードが一致すると、/etc/passwdで指定されたユーザー用のシェルを起動します。

シェルは、起動されるとプロンプトを表示して、コマンドの入力待ちになります。

アプリケーションの実行ファイルは、/bin、/usr/bin、/sbin、/usr/sbinディレクトリに置かれます。

これらのディレクトリ内にあるファイルが、シェルでコマンドを入力したときに検索されます。そしてコマンドと同じファイル名のファイルがこれらのディレクトリに合った場合、そのファイルが実行されます。

ユーザーごとのホームディレクトリは/homeディレクトリに用意されています。

Armadillo-400シリーズでは、ftp、guest、www-dataディレクトリがあります。但し、ftpとwww-dataユーザーでは、ログインすることはできません。また、rootユーザーでログインした場合のホームディレクトリは、/rootディレクトリになります。

/home/ftpはftpユーザーのホームディレクトリです。ftpユーザーはArmadilloにFTPでログインし、anonymousもしくはftpユーザーとしてログインした場合に使用されます。/home/ftp/pubディレクトリは、ftpで書き込み可能なディレクトリです。ramfs^[57]でマウントされているので、RAMが許す限りの大きなファイルを書き込むことができます。

/home/www-dataは、Webサーバーのドキュメントルートになっています。ドキュメントルート以下にディレクトリ、ファイルを配置することで、Webサーバーでファイルを公開することができます。

ライブラリファイルは/libまたは/usr/libディレクトリに置かれます。共有ライブラリを使用するプログラムを実行する場合は、これらのディレクトリ内に共有ライブラリを置いておく必要があります^[58]。

/devディレクトリには、デバイスファイルが置かれます。

デバイスファイルは、デバイスを仮想的にファイルとして表したものです。デバイスファイルに対して操作を実行することにより、デバイスを制御することができます。

例として、/dev/ttymxc1はシリアルインターフェース1のシリアルデバイスをファイルとして表したものです。/dev/ttymxc1に対してデータの読み書きをすることで、シリアルデバイスからデータを受信/送信することができます。

/proc、/sysディレクトリ内のファイルを操作することで、プロセス、システムの状態を参照、変更することができます。

/procにはprocfs、/sysにはsysfsがマウントされています。procfs、sysfsはカーネル内部のデータ構造にアクセスすることができる機能を提供する仮想的なファイルシステムです。

カーネルメッセージやアプリケーションの動作ログなどは/var/logディレクトリに保存します。

設定ファイルは、/etcに置かれます。

/etc/configディレクトリ以下のファイルは、flatfsdコマンドを使って、フラッシュメモリのコンフィグ領域に保存することができます。コンフィグ領域の内容は、初期化スクリプトで/etc/configディレクトリにリストアします。

このディレクトリにrc.localという名前で実行可能なファイルを置くと、起動時に初期化スクリプトによって実行されます。