linux内核zImage详解
参考文档：https://blog.csdn.net/haoge921026/article/details/46785995
以下内容基于s5pv210进行分析
zImage由head.o,piggy.gzip.o,misc等链接组成，piggy.gzip.o中包含压缩的内核镜像，zImage的作用实际上就是对内核进行解码。
zImage还是位置无关码，它的链接地址为0，可以在任何地址运行，因为在对其源文件进行编译时编译器参数设置了-fpic,通过反汇编看到编译生成了.got和.got.plt段。.dot.plt为空，查看反汇编得知编译器对c语言函数的调用是通过bl指令实现的，所以c的函数调用是位置无关码；而对于c中全局变量的处理是通过相对寻址找到全局变量一一对应的.got地址（这里的相对寻址是：在每个函数段中如果使用了全局变量都会存放.got首地址相对运行pc的偏移量以及全局变量在.got中的偏移），所以无论运行地址和链接地址匹不匹配，代码都能正确找到全局变量的.got地址。.got地址中存放了全局变量的链接地址，所以只要在zImage的初始化c语言运行环境部分增加对.got部分全局变量的重定位则代码将正确运行，因此zImage成为了位置无关码
现在开始分析arch/arm/boot/compressed/head.s进行代码分析：
start: .type start,#function //用于指定标号start为函数 .rept 8 //指定.endr以前的指令循环8次 mov r0, r0 .endr b 1f .word 0x016f2818 @魔数用于表示zImage的身份 .word start @ zImage的链接地址 .word _edata @ zImage的链接结束地址 1: mov r7, r1 @ save architecture ID mov r8, r2 @ save atags pointer
#ifndef __ARM_ARCH_2__
/*用于判断是不是angel启动，我们是u-boot启动进来时已经是svc模式了所以直接跳到
not_angel */
mrs r2, cpsr @ get current mode
tst r2, #3 @ not user?
bne not_angel
mov r0, #0x17 @ angel_SWIreason_EnterSVC
ARM( swi 0x123456 ) @ angel_SWI_ARM
THUMB( svc 0xab ) @ angel_SWI_THUMB
not_angel:
mrs r2, cpsr @ turn off interrupts to
orr r2, r2, #0xc0 @ prevent angel from running
msr cpsr_c, r2
#else
teqp pc, #0x0c000003 @ turn off interrupts
#endif
.text
adr r0, LC0 //将LC0的运行地址加载到r0，
ARM( ldmia r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, r11, ip, sp})
/*将r0指定的地址中的数据依次加载到括号里的寄存器中：
r1 ： LC0的链接地址
r2 ： BSS 起始链接地址
r3 ： BSS 结束链接地址
r4 ： 内核的链接地址
r5 ： zImage的链接地址
r6 ： 内核的大小
r11 ：.got的起始链接地址，
ip ：.got的结束链接地址
sp ：链接下的栈顶
r0 ： LC0的运行运行地址*/
THUMB( ldmia r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, r11, ip} ) //无效
THUMB( ldr sp, [r0, #32] ) //无效
subs r0, r0, r1 //r0成为运行地址与链接地址的偏移量
beq not_relocated //运行地址与连接地址相同跳转该语句
add r5, r5, r0 //r5 ： zImage的运行地址
add r11, r11, r0 //r11：.got的起始运行地址
add ip, ip, r0 //ip：.got的结束运行地址
#ifndef CONFIG_ZBOOT_ROM add r2, r2, r0 //r2 :bss的运行起始地址 add r3, r3, r0 //r3：bss的运行结束地址 add sp, sp, r0 //sp：运行的栈顶地址 /* * 将.got中全局变量的链接地址重定位为运行地址 */ 1: ldr r1, [r11, #0] @ relocate entries in the GOT add r1, r1, r0 @ table. This fixes up the str r1, [r11], #4 @ C references. cmp r11, ip blo 1b #else /* 未编译 */ 1: ldr r1, [r11, #0] @ relocate entries in the GOT cmp r1, r2 @ entry < bss_start || cmphs r3, r1 @ _end < entry addlo r1, r1, r0 @ table. This fixes up the str r1, [r11], #4 @ C references. cmp r11, ip blo 1b #endif
not_relocated: mov r0, #0 1: str r0, [r2], #4 @ clear bss str r0, [r2], #4 str r0, [r2], #4 str r0, [r2], #4 cmp r2, r3 blo 1b
bl cache_on mov r1, sp //r1 ： 运行的栈顶地址 add r2, sp, #0x10000 //r2： 堆结束地址64k
/*堆的结束地址大于内核的起始地址或者内核的结束地址大于zImage的运行起始地址将发生覆盖，我们这边会发生覆盖所以不跳转继续往下执行*/
cmp r4, r2
bhs wont_overwrite
add r0, r4, r6
cmp r0, r5
bls wont_overwrite
/*
r0:堆结束的地址
r1:堆起始的地址
r2:堆结束的地址
r3:机器ID
*/
mov r5, r2 @ decompress after malloc space
mov r0, r5
mov r3, r7
bl decompress_kernel
这里看看 decompress_kernel中的传入参数
unsigned long decompress_kernel(
unsigned long output_start, //r0 解压内核输出地址
unsigned long free_mem_ptr_p,//r1 堆起始地址
unsigned long free_mem_ptr_end_p,//r2 堆结束地址
int arch_id//r3 机器ID
)
解压后返回到head中继续执行
add r0, r0, #127 + 128 @ alignment + stack bic r0, r0, #127 @ align the kernel length 分析如下: r0为decompress_kernel()函数的返回值，它的返回值最终为Linux内核解压后的长度, 这里的第一条指令完成的功能是在解压后的Linux内核后面预留128字节的栈空间, 第二条指令使最终r0的值为128字节对齐
此时我们的内存空间分布如下：
| |
| |
| |
|----------------|----
| 128byte | |
| | |
| + | |
| | r0
| 解压后的内核 | |
| | |
| | |
|----------------|<-------r5
| 堆64k |
|----------------|
| 栈4k |
|----------------|
| |
| 压缩的内核 |
| 当前运行的代码|
| |
|----------------|0x30008000 zImage的加载地址
| |
---------------------
/*
* r0 = decompressed kernel length
* r1-r3 = unused
* r4 = kernel execution address
* r5 = decompressed kernel start
* r7 = architecture ID
* r8 = atags pointer
* r9-r12,r14 = corrupted
*/
add r1, r5, r0 @ end of decompressed kernel
adr r2, reloc_start
ldr r3, LC1
add r3, r2, r3
1: ldmia r2!, {r9 - r12, r14} @ copy relocation code
stmia r1!, {r9 - r12, r14}
ldmia r2!, {r9 - r12, r14}
stmia r1!, {r9 - r12, r14}
cmp r2, r3
blo 1b
mov sp, r1
add sp, sp, #128 @ relocate the stack
bl cache_clean_flush
ARM( add pc, r5, r0 ) @ call relocation code
THUMB( add r12, r5, r0 )
THUMB( mov pc, r12 ) @ call relocation code
解析如下:
r1 = r5 + r0 = 解压后内核存放的地址 + 内核大小
r2 = 当前reloc_start标签所在的地址
r3 = *LC1
LC1: .word reloc_end - reloc_start
所以r3 为重定位代码段的大小
r3 = r2 + r3 =重定位代码段的结束地址
接下来的指令就是将重定位的代码段搬移到解压的Linux内核后面 并且重定义了栈最后跳转重定义代码
| |
|----------------|<---sp
| 128byte |
|----------------|<---r1
| |
| 重定位代码段 |
| |
|----------------|<---pc
| 128byte | |
| | |
| + | |
| | r0
| 解压后的内核 | |
| | |
| | |
|----------------|------->r5
| 堆64k |
|----------------|
| 栈4k |
|----------------|
| |
| 压缩的内核 |
| 当前运行的代码|
| |
|----------------|0x30008000 zImage的加载地址
| |
---------------------
/ * r0 = decompressed kernel length
* r1-r3 = unused
* r4 = kernel execution address
* r5 = decompressed kernel start
* r7 = architecture ID
* r8 = atags pointer
* r9-r12,r14 = corrupted
*/
.align 5
reloc_start: add r9, r5, r0 //内核的结束地址
sub r9, r9, #128 //减掉栈部分
debug_reloc_start
mov r1, r4
1:
.rept 4
ldmia r5!, {r0, r2, r3, r10 - r12, r14} //一次copy28个字
stmia r1!, {r0, r2, r3, r10 - r12, r14}
.endr
cmp r5, r9
blo 1b
mov sp, r1
add sp, sp, #128 @ relocate the stack
debug_reloc_end
call_kernel: bl cache_clean_flush
bl cache_off
mov r0, #0 @ must be zero
mov r1, r7 @ restore architecture number
mov r2, r8 @ restore atags pointer
mov pc, r4 @ call kernel
以上就是zImage的启动过程，接下来将跳转内核。
