kernel 启动流程
一、概述
之前学习了uboot的启动流程,现在接着学习uboot的启动流程,关于 kernel 的启动流程分析的大佬也是很多的,这里还是通过流程的图的方式进行记录,为了像我一样的新手,直观的了解 kernel 的启动流程。
在 kernel 启动之前已将完成了 uboot 的启动,看到此笔记的小伙伴应该都知道,还不了解的可以看我之前的笔记:UBOOT 启动流程
二、kernel 文件目录介绍
在了解 kernel 启动之前,先了解一下源码的目录,通过下表可以初步了解源码目录的作用,想要了解更细一点的,可以看着两位博友的笔记:
- kernel目录介绍:https://www.jianshu.com/p/c9053d396fcb
- kernel 目录 解析:https://www.cnblogs.com/yuanfang/p/1920895.html
名称 | 描述 |
---|---|
arch | 架构相关目录 |
block | 块设备相关目录 |
crypto | 加密相关目录 |
Documentation | 文档相关目录 |
drivers | 驱动相关目录 |
fs | 文件系统相关目录 |
include | 头文件相关目录 |
init | 初始化相关目录 |
ipc | 进程间通信相关目录 |
kernel | 内核相关目录 |
lib | 库相关目录 |
LICENSES | 许可相关目录 |
mm | 内存管理相关目录 |
net | 网络相关目录 |
samples | 例程相关目录 |
scripts | 脚本相关目录 |
security | 安全相关目录 |
sound | 音频处理相关目录 |
tools | 工具相关目录 |
usr | 与 initramfs 相关的目录,用于生成 initramfs |
virt | 提供虚拟机技术(KVM) |
.config | Linux 最终使用的配置文件 |
.gitignore | git 工具相关文件 |
.mailmap | 邮件列表 |
.version | 与版本有关 |
.vmlinux.cmd | cmd 文件,用于生成 vmlinux |
COPYING | 版权声明 |
CREDITS | Linux 贡献者 |
Kbuild | Makefile 会读取此文件 |
Kconfig | 图形化配置界面的配置文件 |
MAINTAINERS | 维护者名单 |
Makefile | Linux 顶层 Makefile |
Module.xx、modules.xx | 一系列文件,和模块有关 |
README | Linux 描述文件 |
System.map | 符号表 |
vmlinux | 编译出来的、未压缩的 ELF 格式 Linux 文件 |
vmlinux.o | 编译出来的 vmlinux.o 文件 |
三、镜像文件
编译完成后,会生成 vmlinux、Image,zImage、uImage 文件,这里通过对不它们的区别,便可了解每个文件的作用
-
vmlinux
vmlinux 是编译出来的最原始的内核文件,没有经过压缩,所以文件比较大。 -
Image
Image 是 Linux 内核镜像文件,仅包含可执行的二进制数据。是使用 objcopy 取消掉 vmlinux 中的一些其他信息,比如符号表等,虽然也没有压缩,但是文件比vmlinux小了很多。 -
zImage
zImage 是经过 gzip 压缩后的 Image,一般烧写的都是 zImage 镜像文件 -
uImage
uImage 是老版本 uboot 专用的镜像文件,uImag 是在 zImage 前面加了一个长度为 64字节的“头”,这个头信息描述了该镜像文件的类型、加载位置、生成时间、大小等信息。
四、kernel 汇编启动阶段
-
vmlinux.lds
vmlinux.lds 是链接脚本,通过分析 kernel 顶层 Makefile 文件可知,镜像文件的打包是从 vmlinux.lds 链接脚本开始的,vmlinux.lds 文件位置在 arch/arm/kernel 目录下,在文件中使用了ENTRY(stext) 指定了入口 为 stext。 -
stext
stext 在文件 arch/arm/kernel/head.S 中,主要完成了 kernel 的汇编启动阶段。 -
safe_svcmode_maskall
safe_svcmode_maskall 在文件arch/arm/include/asm/assembler.h 中,主要作用,确保cpu处于SVC模式,并且关闭所有终端 -
__lookup_processor_type
__lookup_processor_type 在文件 arch/arm/kernel/head-common.S 文件中,主要作用是检查当前系统是否支持此 CPU,如果支持的就获取procinfo信息。procinfo 是proc_info_list 类型的结构体 , proc_info_list 在文件arch/arm/include/asm/procinfo.h 中
-
__lookup_machine_type
__lookup_machine_type检测是否支持当前单板。 -
__vet_atags
__vet_atags 在文件 arch/arm/kernel/head-common.S 中,主要作用是验证 atags 或设备树(dtb)的合法性。 -
__fixup_smp
__fixup_smp 在当前文件中,主要作用是处理多核,通过宏CONFIG_SMP_ON_UP 开启。 -
__create_page_tables
__create_page_tables 在文件文件 arch/arm/kernel/head.S中,主要作用是创建页表。 -
__mmap_switched
__mmap_switched 在文件 arch/arm/kernel/head-common.S 中,主要作用是将函数__mmap_switched的地址保存到 r13 寄存器中,最终会调用start_kernel 函数 -
__enable_mmu
__enable_mmu 在文件 arch/arm/kernel/head.S 中,主要作用是通过调用 _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。
五、kernel 初始化阶段
start_kernel 函数通过调用众多的子函数来完成 Linux 启动之前的一些初始化工作,由于start_kernel 函数里面调用的子函数太多,而这些子函数又很复杂,因此我们简单的来看一下一些重要的子函数。start_kernel 函数如下所示:
asmlinkage __visible void __init start_kernel(void) { char *command_line; char *after_dashes; /* 设置任务栈结束魔术数,用于栈溢出检测 */ set_task_stack_end_magic(&init_task); /* 跟 SMP 有关(多核处理器),设置处理器 ID。 * 有很多资料说 ARM 架构下此函数为空函数, * 是因为那时候 ARM 还没有多核处理器。 */ smp_setup_processor_id(); /* 做一些和 debug 有关的初始化 */ debug_objects_early_init(); /* Set up the the initial canary ASAP: */ boot_init_stack_canary(); /* cgroup 初始化,cgroup 用于控制 Linux 系统资源*/ cgroup_init_early(); /* 关闭当前 CPU 中断 */ local_irq_disable(); early_boot_irqs_disabled = true; /****** 中断关闭期间做一些重要的操作,然后打开中断 ******/ /* 跟 CPU 有关的初始化 */ boot_cpu_init(); /* 页地址相关的初始化 */ page_address_init(); /* 打印 Linux 版本号、编译时间等信息 */ pr_notice("%s", linux_banner); /* 架构相关的初始化,此函数会解析传递进来的 * ATAGS 或者设备树(DTB)文件。会根据设备树里面 * 的 model 和 compatible 这两个属性值来查找 * Linux 是否支持这个单板。此函数也会获取设备树 * 中 chosen 节点下的 bootargs 属性值来得到命令 * 行参数,也就是 uboot 中的 bootargs 环境变量的 * 值,获取到的命令行参数会保存到 command_line 中。 */ setup_arch(&command_line); #ifdef CONFIG_SS_PROFILING_TIME // recode_timestamp_ext(0, "start_kernel+", t1); recode_timestamp_init(); recode_timestamp(__LINE__, "setup_arch-"); #endif /* 应该是和内存有关的初始化 */ mm_init_cpumask(&init_mm); /* 好像是存储命令行参数 */ setup_command_line(command_line); /* 如果只是 SMP(多核 CPU)的话,此函数用于获取 * CPU 核心数量,CPU 数量保存在变量 nr_cpu_ids 中。 */ setup_nr_cpu_ids(); /* 在 SMP 系统中有用,设置每个 CPU 的 per-cpu 数据 */ setup_per_cpu_areas(); boot_cpu_state_init(); smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot-cpu hooks */ /* 建立系统内存页区(zone)链表 */ build_all_zonelists(NULL, NULL); /* 处理用于热插拔 CPU 的页 */ page_alloc_init(); /* 打印命令行信息 */ pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line); /* 解析命令行中的 console 参数 */ parse_early_param(); after_dashes = parse_args("Booting kernel", static_command_line, __start___param, __stop___param - __start___param, -1, -1, NULL, &unknown_bootoption); if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes)) parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1, NULL, set_init_arg); jump_label_init(); /* * These use large bootmem allocations and must precede * kmem_cache_init() */ /* 设置 log 使用的缓冲区*/ setup_log_buf(0); /* 构建 PID 哈希表,Linux 中每个进程都有一个 ID, * 这个 ID 叫做 PID。通过构建哈希表可以快速搜索进程 * 信息结构体。 */ pidhash_init(); /* 预先初始化 vfs(虚拟文件系统)的目录项和索引节点缓存*/ vfs_caches_init_early(); /* 定义内核异常列表 */ sort_main_extable(); /* 完成对系统保留中断向量的初始化 */ trap_init(); /* 内存管理初始化 */ mm_init(); /* 初始化调度器,主要是初始化一些结构体 */ sched_init(); /* 关闭优先级抢占 */ preempt_disable(); /* 检查中断是否关闭,如果没有的话就关闭中断 */ if (WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n")) local_irq_disable(); /*允许及早创建工作队列和工作项排队/取消。工作项的 * 执行取决于 kthread,并在 workqueue_init()之后开始。 */ idr_init_cache(); /* 初始化 RCU,RCU 全称为 Read Copy Update(读-拷贝修改) */ rcu_init(); /* 跟踪调试相关初始化 */ trace_init(); context_tracking_init(); /* 基数树相关数据结构初始化 */ radix_tree_init(); /* 初始中断相关初始化,主要是注册 irq_desc 结构体变 * 量,因为 Linux 内核使用 irq_desc 来描述一个中断。 */ early_irq_init(); /* 中断初始化 */ init_IRQ(); /* tick 初始化 */ tick_init(); rcu_init_nohz(); /* 初始化定时器 */ init_timers(); /* 初始化高精度定时器 */ hrtimers_init(); /* 软中断初始化 */ softirq_init(); timekeeping_init(); /* 初始化系统时间 */ time_init(); sched_clock_postinit(); printk_nmi_init(); perf_event_init(); profile_init(); call_function_init(); WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled early\n"); early_boot_irqs_disabled = false; /* 使能中断 */ local_irq_enable(); /* slab 初始化,slab 是 Linux 内存分配器 */ kmem_cache_init_late(); /* 初始化控制台,之前 printk 打印的信息都存放 * 缓冲区中,并没有打印出来。只有调用此函数 * 初始化控制台以后才能在控制台上打印信息。 */ console_init(); if (panic_later) panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later, panic_param); /* 如果定义了宏 CONFIG_LOCKDEP,那么此函数打印一些信息。*/ lockdep_info(); /* 锁自测 */ locking_selftest(); #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD if (initrd_start && !initrd_below_start_ok && page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) { pr_crit("initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - disabling it.\n", page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)), min_low_pfn); initrd_start = 0; } #endif page_ext_init(); debug_objects_mem_init(); /* kmemleak 初始化,kmemleak 用于检查内存泄漏 */ kmemleak_init(); setup_per_cpu_pageset(); numa_policy_init(); if (late_time_init) late_time_init(); sched_clock_init(); /* 测定 BogoMIPS 值,可以通过 BogoMIPS 来判断 CPU 的性能 * BogoMIPS 设置越大,说明 CPU 性能越好。 */ calibrate_delay(); /* PID 位图初始化 */ pidmap_init(); /* 生成 anon_vma slab 缓存 */ anon_vma_init(); acpi_early_init(); #ifdef CONFIG_X86 if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) efi_enter_virtual_mode(); #endif #ifdef CONFIG_X86_ESPFIX64 /* Should be run before the first non-init thread is created */ init_espfix_bsp(); #endif thread_stack_cache_init(); /* 为对象的每个用于赋予资格(凭证) */ cred_init(); /* 初始化一些结构体以使用 fork 函数 */ fork_init(); /* 给各种资源管理结构分配缓存 */ proc_caches_init(); /* 初始化缓冲缓存 */ buffer_init(); /* 初始化密钥 */ key_init(); /* 安全相关初始化 */ security_init(); dbg_late_init(); /* 为 VFS 创建缓存 */ vfs_caches_init(); /* 初始化信号 */ signals_init(); /* 注册并挂载 proc 文件系统 */ page_writeback_init(); proc_root_init(); nsfs_init(); /* 初始化 cpuset,cpuset 是将 CPU 和内存资源以逻辑性 * 和层次性集成的一种机制,是 cgroup 使用的子系统之一 */ cpuset_init(); /* 初始化 cgroup */ cgroup_init(); /* 进程状态初始化 */ taskstats_init_early(); delayacct_init(); /* 检查写缓冲一致性 */ check_bugs(); acpi_subsystem_init(); sfi_init_late(); if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) { efi_late_init(); efi_free_boot_services(); } ftrace_init(); /* rest_init 函数 */ rest_init(); }
-
rcu_scheduler_starting
rcu_scheduler_starting 主要作用是启动 RCU 锁调度器 -
kernel_thread
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。init 进程一开始是内核进程(也就是运行在内核态),后面 init 进程会在根文件系统中查找名为“init”这个程序,这个“init”程序处于用户态,通过运行这个“init”程序,init 进程就会实现从内核态到用户态的转变 -
kernel_thread
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。 -
cpu_startup_entry
cpu_startup_entry 进入 idle 进程,cpu_startup_entry 会调用 cpu_idle_loop,cpu_idle_loop 是个 while 循环,也就是 idle 进程代码。idle 进程的 PID 为 0,idle 进程叫做空闲进程。 -
kernel_init_freeable
kernel_init_freeable 函数用于完成 init 进程的一些其他初始化工作。 -
do_basic_setup
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。 -
prepare_namespace
prepare_namespace 是挂载根文件系统。根文件系统也是由命令行参数指定的,也就是 uboot 的 bootargs 环境变量。比如“root=/dev/mmcblk1p3 rootwait rw”就表示根文件系统在/dev/mmcblk1p3 中,也就是 EMMC 的分区 3 中。
参考链接
kernel目录介绍:https://www.jianshu.com/p/c9053d396fcb
kernel 目录 解析:https://www.cnblogs.com/yuanfang/p/1920895.html
本文来自博客园,作者:浇筑菜鸟,转载请注明原文链接:https://www.cnblogs.com/jzcn/p/16975962.html
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