【IMX6ULL学习笔记】八、Linux启动流程

一、链接脚本 vmlinux.lds

Linux 内核的链接脚本文件 arch/arm/kernel/vmlinux.lds 中有如下代码：

ENTRY 指明了了 Linux 内核入口，入口为 stext，stext 定义在文件 arch/arm/kernel/head.S 中。

二、Linux 内核启动流程分析

1、Linux 内核入口 stext

stext 是 Linux 内核的入口地址，在文件 arch/arm/kernel/head.S 中有如下所示提示内容：

/*
* Kernel startup entry point.
* ---------------------------
*
* This is normally called from the decompressor code. The requirements
* are: MMU = off, D-cache = off, I-cache = dont care, r0 = 0,
* r1 = machine nr, r2 = atags or dtb pointer.
.....

Linux 内核启动之前要求如下：
①、关闭 MMU。
②、关闭 D-cache。
③、I-Cache 无所谓。
④、r0=0。
⑤、r1=machine nr(也就是机器 ID)。
⑥、r2=atags 或者设备树(dtb)首地址。

Linux 内核的入口点 stext 其实相当于内核的入口函数，stext 函数内容如下：

80 ENTRY(stext)
......
91     @ ensure svc mode and all interrupts masked
92     safe_svcmode_maskall r9
93
94     mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id
95     bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid
96     movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)?
97     THUMB( it eq ) @ force fixup-able long branch encoding
98         beq __error_p @ yes, error 'p'
99
......
107
108 #ifndef CONFIG_XIP_KERNEL
......
113 #else
114     ldr r8, =PLAT_PHYS_OFFSET @ always constant in this case
115 #endif
116
117     /*
118     * r1 = machine no, r2 = atags or dtb,
119     * r8 = phys_offset, r9 = cpuid, r10 = procinfo
120     */
121     bl __vet_atags
......
128     bl __create_page_tables
129
130     /*
131     * The following calls CPU specific code in a position independent
132     * manner. See arch/arm/mm/proc-*.S for details. r10 = base of
133     * xxx_proc_info structure selected by __lookup_processor_type
134     * above. On return, the CPU will be ready for the MMU to be
135     * turned on, and r0 will hold the CPU control register value.
136     */
137     ldr r13, =__mmap_switched   @ address to jump to after
138                                 @ mmu has been enabled
139     adr lr, BSYM(1f) @ return (PIC) address
140     mov r8, r4 @ set TTBR1 to swapper_pg_dir
141     ldr r12, [r10, #PROCINFO_INITFUNC]
142     add r12, r12, r10
143     ret r12
144 1:  b __enable_mmu
145 ENDPROC(stext)

第 92 行：调用函数 safe_svcmode_maskall 确保 CPU 处于 SVC 模式，并关闭所有中断，定义arch/arm/include/asm/assembler.h 中。

第 94 行：读处理器 ID，ID 值保存在 r9 寄存器中。

第 95 行：调用函数__lookup_processor_type 检查当前系统是否支持此 CPU，如果支持就获取 procinfo 信息。 procinfo 是 proc_info_list 类型的结构体，在 arch/arm/include/asm/procinfo.h 中的定义如下：

struct proc_info_list {
    unsigned int
    cpu_val;
    unsigned int cpu_mask;
    unsigned long __cpu_mm_mmu_flags; /* used by head.S */
    unsigned long __cpu_io_mmu_flags; /* used by head.S */
    unsigned long __cpu_flush; /* used by head.S */
    const char
    *arch_name;
    const char
    *elf_name;
    unsigned int elf_hwcap;
    const char
    *cpu_name;
    struct processor *proc;
    struct cpu_tlb_fns *tlb;
    struct cpu_user_fns *user;
    struct cpu_cache_fns *cache;
};

Linux 内核将每种处理器都抽象为一个 proc_info_list 结构体，每种处理器都对应一个procinfo。因此可以通过处理器 ID 来找到对应的 procinfo 结构，__lookup_processor_type 函数找到对应处理器的 procinfo 以后会将其保存到 r5 寄存器中。

第 121 行：调用函数__vet_atags 验证 atags 或设备树(dtb)的合法性。函数__vet_atags 定义在文件 arch/arm/kernel/head-common.S 中。

第 128 行：调用函数__create_page_tables 创建页表。

第 137 行：将函数__mmap_switched 的地址保存到 r13 寄存器中。定义在文件 arch/arm/kernel/head-common.S中，函数__mmap_switched 最终会调用 start_kernel 函数。

第 144 行：调用__enable_mmu函数使能 MMU ，__enable_mmu 定义在文件 arch/arm/kernel/head.S 中。__enable_mmu 会通过调用__turn_mmu_on来打开 MMU，__turn_mmu_on 最后会执行 r13 里面保存的__mmap_switched 函数。

2、__mmap_switched 函数

__mmap_switched 函数定义在文件 arch/arm/kernel/head-common.S 中，最终调用 start_kernel 来启动 Linux 内核。

3、start_kernel 函数

start_kernel 函数定义在文件 init/main.c 中。start_kernel 里面调用了大量的函数来启动 Linux 内核，最后调用了 rest_init。

4、rest_init 函数

rest_init 函数定义在文件 init/main.c 中，函数内容如下:

383 static noinline void __init_refok rest_init(void)
384 {
385     int pid;
386
387     rcu_scheduler_starting();
388     smpboot_thread_init();
389     /*
390     * We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however
391     * the init task will end up wanting to create kthreads, which,
392     * if we schedule it before we create kthreadd, will OOPS.
393     */
394     kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
395     numa_default_policy();
396     pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
397     rcu_read_lock();
398     kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
399     rcu_read_unlock();
400     complete(&kthreadd_done);
401
402     /*
403     * The boot idle thread must execute schedule()
404     * at least once to get things moving:
405     */
406     init_idle_bootup_task(current);
407     schedule_preempt_disabled();
408     /* Call into cpu_idle with preempt disabled */
409     cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
410 }

第 387 行：调用函数 rcu_scheduler_starting，启动 RCU 锁调度器

第 394 行：调用函数 kernel_thread 创建 kernel_init 进程，也就是 init 内核进程。init 进程的 PID 为 1。

第 396 行：调用函数 kernel_thread 创建 kthreadd 内核进程，此内核进程的 PID 为 2。kthreadd 进程负责所有内核进程的调度和管理。

第 409 行：最后调用函数 cpu_startup_entry 来进入 idle 进程。

在 Linux 终端中输入“ps -A”就可以打印出当前系统中的所有进程

5、init 进程

kernel_init 函数就是 init 进程具体做的工作，定义在文件 init/main.c 中，函数内容如下：

928 static int __ref kernel_init(void *unused)
929 {
930   int ret;
931
932   kernel_init_freeable();	/* init 进程的一些其他初始化工作 */
933   /* need to finish all async __init code before freeing the memory */
934   async_synchronize_full();	/* 等待所有的异步调用执行完成 */
935   free_initmem();	/* 释放 init 段内存 */
936   mark_rodata_ro();
937   system_state = SYSTEM_RUNNING; /* 标记系统正在运行 */
938   numa_default_policy();
939
940   flush_delayed_fput();
941
942   if (ramdisk_execute_command) {
943     ret = run_init_process(ramdisk_execute_command);
944     if (!ret)
945       return 0;
946     pr_err("Failed to execute %s (error %d)\n",
947     ramdisk_execute_command, ret);
948   }
949
950   /*
951   * We try each of these until one succeeds.
952   *
953   * The Bourne shell can be used instead of init if we are
954   * trying to recover a really broken machine.
955   */
956   if (execute_command) {
957     ret = run_init_process(execute_command);
958     if (!ret)
959     return 0;
960     panic("Requested init %s failed (error %d).",
961     execute_command, ret);
962   }
963   if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") ||
964       !try_to_run_init_process("/etc/init") ||
965       !try_to_run_init_process("/bin/init") ||
966       !try_to_run_init_process("/bin/sh"))
967     return 0;
968
969   panic("No working init found. Try passing init= option to kernel. "
970         "See Linux Documentation/init.txt for guidance.");
971 }

第 932 行：kernel_init_freeable 用于完成 init 进程的一些初始化工作。

第 940 行：ramdisk_execute_command 是一个全局的 char 指针变量，此变量值为“/init”，也就是根目录下的 init 程序。ramdisk_execute_command 也可以通过 uboot 传递，在 bootargs 中使用“rdinit=xxx”即可，xxx 为具体的 init 程序名字。

第 943 行：如果存在“/init”程序就通过函数 run_init_process 运行此程序。

第 956 行：如果 ramdisk_execute_command 为空就看 execute_command 是否为空，不管如何一定要在根文件系统中找到一个 init 程序。execute_command 的值是通过 uboot 传递，在 bootargs 中用“init=xxxx”就可以了，比如 “init=/linuxrc” 表示根文件系统中的 linuxrc 为要执行的用户空间init程序。

第 963~966 行：如果 ramdisk_execute_command 和 execute_command 都为空，那么就依次查找“/sbin/init”、“/etc/init”、“/bin/init”和“/bin/sh”，这四个相当于备用 init 程序，如果这四个也不存在，那么 Linux 启动失败！

第 969 行：如果以上步骤都没有找到用户空间的 init 程序，那么就提示错误发生！

kernel_init_freeable 定义在文件 init/main.c 中，缩减后内容如下：

973 static noinline void __init kernel_init_freeable(void)
974 {
975     /*
976     * Wait until kthreadd is all set-up.
977     */
978     wait_for_completion(&kthreadd_done);/* 等待 kthreadd 进程准备就绪 */
......
998
999     smp_init(); /* SMP 初始化 */
1000     sched_init_smp(); /* 多核(SMP)调度初始化 */
1001
1002     do_basic_setup(); /* 设备初始化都在此函数中完成 */
1003
1004     /* Open the /dev/console on the rootfs, this should never fail */
1005     if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)
1006         pr_err("Warning: unable to open an initial console.\n");
1007
1008     (void) sys_dup(0);
1009     (void) sys_dup(0);
1010     /*
1011     * check if there is an early userspace init. If yes, let it do
1012     * all the work
1013     */
1014
1015     if (!ramdisk_execute_command)
1016         ramdisk_execute_command = "/init";
1017
1018     if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {
1019         ramdisk_execute_command = NULL;
1020         prepare_namespace();
1021     }
1022
1023     /*
1024     * Ok, we have completed the initial bootup, and
1025     * we're essentially up and running. Get rid of the
1026     * initmem segments and start the user-mode stuff..
1027     *
1028     * rootfs is available now, try loading the public keys
1029     * and default modules
1030     */
1031
1032     integrity_load_keys();
1033     load_default_modules();
1034 }

第 1002 行：do_basic_setup 函数用于完成 Linux 下设备驱动初始化工作，非常重要！do_basic_setup 会调用 driver_init 函数完成 Linux 下驱动模型子系统的初始化。

第 1005 行：打开设备“/dev/console”，在 Linux 中一切皆为文件！因此 “/dev/console” 也是一个文件，此文件为控制台设备。每个文件都有一个文件描述符，此处打开的 “/dev/console” 文件描述符为 0，作为标准输入(0)。

第 1008 和 1009 行：sys_dup 函数将标准输入(0)的文件描述符复制了 2 次，一个作为标准输出(1)，一个作为标准错误(2)。这样标准输入、输出、错误都是 /dev/console 了。console 通过 uboot 的 bootargs 环境变量设置， “console=ttymxc0,115200” 表示将 /dev/ttymxc0 设置为 console，也就是 I.MX6U 的串口 1。当然，也可以设置其他的设备为 console，如虚拟控制台tty1，设置 tty1 为 console 就可以在 LCD 屏幕上看到系统的提示信息。

第 1020 行：调用函数 prepare_namespace 来挂载根文件系统。根文件系统也是由命令行参数指定的，即 bootargs 环境变量。比如“root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw”就表示根文件系统在/dev/mmcblk1p2 中，也就是 EMMC 的分区 2 中。