Linux内核启动过程概述
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Hi!大家好，我是CrazyCatJack。今天给大家带来的是Linux内核启动过程概述。希望能够帮助大家更好的理解Linux内核的启动，并且创造出自己的内核^_^
Linux的启动代码真的挺大，从汇编到C，从Makefile到LDS文件，需要理解的东西很多。毕竟Linux内核是由很多人，花费了巨大的时间和精力写出来的。而且直到现在，这个世界上仍然有成千上万的程序员在不断完善Linux内核的代码。今天我们主要讲解的是Linux-2.6.22.6这个内核版本。说句实话，博主也不确定自己能够讲好今天这个题目，因为这个题目太大太难。但是博主有信心，将自己学会的内容清楚地告诉大家，希望大家也能够有所收获。
1.启动文件head.S和head-common.S
首先，我们必须明确“我们为什么要启动Linux内核”。没错，当然是因为我们想要使用Linux系统，要明确我们的最终目的是使用Linux上的应用程序。这些应用程序可以是纯软件的，也可以是硬件相关的。博主是做嵌入式开发的，那么我想要的当然就是用Linux内核来更好的控制我的硬件。无论是做机器人、无人机或者其他智能硬件这都是必然趋势。首先我们来看内核的启动文件head.S。
.section ".text.head", "ax" .type stext, %function ENTRY(stext) msr cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode @ and irqs disabled mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)? beq __error_p @ yes, error 'p' bl __lookup_machine_type @ r5=machinfo movs r8, r5 @ invalid machine (r5=0)? beq __error_a @ yes, error 'a' bl __create_page_tables ldr r13, __switch_data @ address to jump to after @ mmu has been enabled adr lr, __enable_mmu @ return (PIC) address add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC
首先看这段汇编代码，它主要是用来做一些内核启动前的检测：__lookup_processor_type 检测内核是否支持当前CPU、__lookup_machine_type检测是否支持当前单板，并且__create_page_tables创建页表，__enable_mmu使能MMU。如果在一系列的自检过程后发现不支持，则跳到__error_p或__error_a。这里我们首先打开__lookup_machine_type。
.type __lookup_machine_type, %function __lookup_machine_type: adr r3, 3b ldmia r3, {r4, r5, r6} sub r3, r3, r4 @ get offset between virt&phys add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to add r6, r6, r3 @ physical address space 1: ldr r3, [r5, #MACHINFO_TYPE] @ get machine type teq r3, r1 @ matches loader number? beq 2f @ found add r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC @ next machine_desc cmp r5, r6 blo 1b mov r5, #0 @ unknown machine 2: mov pc, lr 3: .long . .long __arch_info_begin .long __arch_info_end
我们在arch\arm\kernel找到__lookup_machine_type被定义在head-common.S文件中。开始分析代码：首先，读出3b的地址给r3,这里的3b就是下面的那个3：所对应的虚拟地址。然后用ldmia指令将r3存放的虚拟地址分别存入r4,r5,r6。所以现在
r4=. ； r5=__arch_info_begin ； r6=__arch_info_end
然后用r3-r4求出偏移地址，再利用这个偏移地址求出r5和r6的实际物理地址。其中__arch_info_begin和__arch_info_end定义在内核目录arch\arm\kernel下vmlinux.lds文件中，经过起始虚拟地址= (0xc0000000) + 0x00008000逐层叠加得到。
SECTIONS { . = (0xc0000000) + 0x00008000; .text.head : { _stext = .; _sinittext = .; *(.text.head) } .init : { /* Init code and data */ *(.init.text) _einittext = .; __proc_info_begin = .; *(.proc.info.init) __proc_info_end = .; __arch_info_begin = .; *(.arch.info.init) __arch_info_end = .;
这里的__arch_info_begin和__arch_info_end中间存放的是段属性为.arch.info.init的结构体。这里我们可以直接在linux下查询内核中包含.arch.info.init的文件。
Direction:include/asm-arm/arch.h
#define MACHINE_START(_type,_name) \ static const struct machine_desc __mach_desc_##_type \ __used \ __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = { \
.nr = MACH_TYPE_##_type, \ .name = _name, #define MACHINE_END \ };
Direction:arch/arm/mach-s3c2440
MACHINE_START(S3C2440, "SMDK2440") /* Maintainer: Ben Dooks <ben@fluff.org> */ .phys_io = S3C2410_PA_UART, .io_pg_offst = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc, .boot_params = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100, .init_irq = s3c24xx_init_irq, .map_io = smdk2440_map_io, .init_machine = smdk2440_machine_init, .timer = &s3c24xx_timer, MACHINE_END
如图所示，在include/asm-arm/arch.h中找到了定义的结构体类型machine_desc，并且在代码中它的段属性被强制定义成了.arch.info.init。这样做的目的是在刚刚我们看到的vmlinux.lds链接脚本文件中，可以将具有.arch.info.init段属性的结构体统一放在__arch_info_begin和__arch_info_end之间。非常便于处理。那么现在我们将这个结构体展开，看看它的内容。也就是将arch/arm/mach-s3c2440中的参数传入。展开后如下：
#define MACHINE_START(_type,_name) \ static const struct machine_desc __mach_desc_S3C2440 \ __used \ __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = { \ .nr = MACH_TYPE_S3C2440, \ .name = "SMDK2440", /* Maintainer: Ben Dooks <ben@fluff.org> */ .phys_io = S3C2410_PA_UART, .io_pg_offst = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc, .boot_params = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100, //0x30000100 .init_irq = s3c24xx_init_irq, .map_io = smdk2440_map_io, .init_machine = smdk2440_machine_init, .timer = &s3c24xx_timer, };
现在我们看到，定义的结构体类型machine_desc，内容为.nr到.timer。我们可以看出这个结构体大概是存储硬件信息。nr存放机器ID，name存放单板名称，phys_io存放输入输出口，io_pg_offst存放IO的偏移地址，boot_params存放uboot传给内核的启动参数（TAG）,init_irq存放的是中断初始化信息，map_io为IO的映射表，init_machine存放的是单板的初始化信息，timer存放的是单板的定时器信息。
struct machine_desc { /* * Note! The first four elements are used * by assembler code in head-armv.S */ unsigned int nr; /* architecture number */ unsigned int phys_io; /* start of physical io */ unsigned int io_pg_offst; /* byte offset for io * page tabe entry */ const char *name; /* architecture name */ unsigned long boot_params; /* tagged list */ unsigned int video_start; /* start of video RAM */ unsigned int video_end; /* end of video RAM */ unsigned int reserve_lp0 :1; /* never has lp0 */ unsigned int reserve_lp1 :1; /* never has lp1 */ unsigned int reserve_lp2 :1; /* never has lp2 */ unsigned int soft_reboot :1; /* soft reboot */ void (*fixup)(struct machine_desc *, struct tag *, char **, struct meminfo *); void (*map_io)(void);/* IO mapping function */ void (*init_irq)(void); struct sys_timer *timer; /* system tick timer */ void (*init_machine)(void); };
我们打开arch.h文件，看到对machine_desc结构体的定义确实和我们刚刚所说的一样。再回到head-common.S文件，这里对mmap_switch定义：
.type __mmap_switched, %function __mmap_switched: adr r3, __switch_data + 4 ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7} cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed 1: cmpne r5, r6 ldrne fp, [r4], #4 strne fp, [r5], #4 bne 1b mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp) 1: cmp r6, r7 strcc fp, [r6],#4 bcc 1b ldmia r3, {r4, r5, r6, sp} str r9, [r4] @ Save processor ID str r1, [r5] @ Save machine type bic r4, r0, #CR_A @ Clear 'A' bit stmia r6, {r0, r4} @ Save control register values b start_kernel
mmap_switch做了很多工作，这里我们看到有复制数据段，清BSS段，保存CPU的ID，保存机器ID，清‘A’位，保存控制寄存器的值，然后就到了C语言段——start_kernel函数。
2.C语言段——start_kernel
asmlinkage void __init start_kernel(void)
{ local_irq_disable(); early_boot_irqs_off(); early_init_irq_lock_class(); /* * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then * enable them */ lock_kernel(); tick_init(); boot_cpu_init(); page_address_init(); printk(KERN_NOTICE); printk(linux_banner); setup_arch(&command_line); setup_command_line(command_line); printk(KERN_NOTICE "Kernel command line: %s\n", boot_command_line); parse_early_param(); parse_args("Booting kernel", static_command_line, __start___param, __stop___param - __start___param, &unknown_bootoption); init_IRQ(); profile_init(); if (!irqs_disabled()) printk("start_kernel(): bug: interrupts were enabled early\n"); early_boot_irqs_on(); local_irq_enable(); console_init(); rest_init(); }
接下来进入start_kernel启动内核的C函数。上面是start_kernel的部分代码。这部分代码的主要作用是处理uboot传递来的参数，设置与体系结构相关的环境，初始化控制台，最后执行应用程序，实现功能。这里我把start_kernel函数的几个主要功能的子函数逐层写出，帮助大家理解start_kernel的功能结构。
start_kernel setup_arch(&command_line); setup_command_line(command_line); unknown_bootoption obsolete_checksetup parse_early_param do_early_param rest_init; kernel_init prepare_namespace mount_root init_post
这里每一个退格（TAB）都代表此函数被上一个函数调用（例如obsolete_checksetup是unknown_bootoption调用的函数）。setup_arch(&command_line)和setup_command_line(command_line)就是用来处理uboot传递进来的启动参数的（处理TAG）。obsolete_checksetup从__setup_start到 __setup_end，调用用非early标识的函数；do_early_param从__setup_start到 __setup_end，调用用early标识的函数（但因为__setup_param(str, fn, fn, 0)中early赋值为0，所以不在这里调用）,所以我们主要用obsolete_checksetup。这在后面我们会提到。mount_root是挂载根文件系统，因为Linux上的应用程序最终要在根文件系统上运行。最后是init_post中运行应用程序。那么现在就有一个问题，Linux内核是如何接收uboot传来的根文件系统信息的呢？
bootcmd=nand read.jffs2 0x30007FC0 kernel; bootm 0x30007FC0 bootargs=noinitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console=ttySAC0
上面是uboot启动时打印的环境变量。其中我们能够看到根文件系统挂载到第4个分区：root=/dev/mtdblock3 (从0分区开始)。上面我们提到过，setup_arch(&command_line)和setup_command_line(command_line)就是用来处理uboot传递进来的启动参数的（处理TAG）。但这个处理只是简单的复制粘贴而已，这两个函数将TAG保存，但并未进行真正的处理。那么真正告诉内核在哪里挂载的函数是什么呢？我们通过查看prepare_namespace可以看到一个saved_root_name。查找saved_root_name，发现在Do_mounts.c文件中有对它的调用：
static int __init root_dev_setup(char *line) { strlcpy(saved_root_name, line, sizeof(saved_root_name)); return 1; } __setup("root=", root_dev_setup); //传入一个字符串，一个函数
根据我们之前的经验，我们可以猜测这个__setup宏，也是定义了一个结构体。通过查找__setup我们找到了它的宏定义：
Dir:init.h #define __setup(str, fn) \ __setup_param(str, fn, fn, 0) #define __setup_param(str, unique_id, fn, early) \ static char __setup_str_##unique_id[] __initdata = str; \ static struct obs_kernel_param __setup_##unique_id \ __attribute_used__ \ __attribute__((__section__(".init.setup"))) \ __attribute__((aligned((sizeof(long))))) \ = { __setup_str_##unique_id, fn, early }
在init.h文件里，定义__setup等于__setup_param。那么在__setup_param的宏定义里，我们可以知道：它先定义了一个字符串，然后定义了一个结构体类型obs_kernel_param __setup。这个结构体的段属性为.init.setup，内容为一个字符串，一个函数，还有early。具备这个属性的结构体被链接脚本文件放到一起，从__setup_start到 __setup_end搜索调用。在vmlinux.lds中
__setup_start = .;
*(.init.setup)
__setup_end = .;
但是在Flash里没有分区，只能和uboot一样，将分区在代码里写死。一般在启动Linux的时候，Linux会自动打印出分区的信息。这里我的分区是这样的：
Creating 4 MTD partitions on "NAND 256MiB 3,3V 8-bit": 0x00000000-0x00040000 : "bootloader" 0x00040000-0x00060000 : "params" 0x00060000-0x00260000 : "kernel" 0x00260000-0x10000000 : "root"
我们搜索这个分区名 grep "\"bootloader\"" * -nR。在arch/arm/plat-s3c24xx中找到分区代码：
static struct mtd_partition smdk_default_nand_part[] = { [0] = { .name = "bootloader", .size = 0x00040000, .offset = 0, }, [1] = { .name = "params", .offset = MTDPART_OFS_APPEND, .size = 0x00020000, }, [2] = { .name = "kernel", .offset = MTDPART_OFS_APPEND, .size = 0x00200000, }, [3] = { .name = "root", .offset = MTDPART_OFS_APPEND, .size = MTDPART_SIZ_FULL, } };
就是这样，在处理完uboot传递的参数，进行CPU和单板的校验，挂载根文件系统等一系列操作后，最终内核执行init_post()中的应用程序。内核启动流程讲解完毕^_^
题外话：最近博主在自学Linux kernel和Linux device driver，感觉有难度。但是还是很有意义的，因为能够看到前辈的代码，心里真的很高兴。我就希望自己也能够修改Linux源代码，写出适合自己硬件的Linux系统。不仅如此，我还希望能够将自己的代码开源，分享给更多的人。完善Linux内核，让它变得更快更方便是博主的最终目标。博主会继续学习，然后把知识更好的分享给大家！
CCJ
2016-12-06 09:41:51
