1 linux内核启动过程分析.docx
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1linux内核启动过程分析
linux内核启动过程分析
嵌入式linux系统从软件角度来看可分为四部分：
bootloader，linux内核，文件系统和应用程序。
在这里我选取的内核版本是linux2.6.28，硬件平台选择smdk6410。
Bootloader是系统启动或复位后首先被执行的代码，它的主要作用是初始化处理器，初始化ram，初始化相应的外设（uart，usb等等），下载内核映像（或文件系统）到ram相应的位置，然后跳转到内核下载地址c0008000，将控制权交给linux内核。
Linux内核下载到ram中的映像一般是zImage。
这是压缩版本的内核，首先要进行解压操作。
调用decompress_kernel（）（位于arch/arm/boot/compressed/misc.c）进行解压缩操作，然后再次跳到c0008000，进行真正的内核初始化操作。
我们重点放在讲解内核映像解压之后linux内核的启动过程。
内核初始化启动过程如下：
1）__lookup_processor_type（），查找处理器类型。
2）__lookup_machine_type（），查找机器类型。
3）__vet_atags（）。
4）__create_page_tables（），创建页表。
5）__enable_mmu（），使能MMU。
6）__mmap_switched（），拷贝数据，清BBS。
7）start_kernel（），进入真正的内核初始化函数。
8）smp_setup_processor_id（）;
9）unwind_init（）;
10）lockdep_init（）;
11）debug_objects_early_init（）;
12）cgroup_init_early（）;
13）local_irq_disable（）;
14）early_boot_irqs_off（）;
15）early_init_irq_lock_class（）;
16）lock_kernel（）;
17）tick_init（）;
18）boot_cpu_init（）;
19）page_address_init（）;
20）setup_arch（&command_line）;
21）mm_init_owner（&init_mm,&init_task）;
22）setup_command_line（command_line）;
23）unwind_setup（）;
24）setup_per_cpu_areas（）;
25）setup_nr_cpu_ids（）;
26）smp_prepare_boot_cpu（）;
27）sched_init（）;
28）preempt_disable（）;
29）build_all_zonelists（）;
30）page_alloc_init（）;
31）parse_early_param（）;
32）sort_main_extable（）;
33）trap_init（）;
34）rcu_init（）;
35）init_IRQ（）;
36）pidhash_init（）;
37）init_timers（）;
38）hrtimers_init（）;
39）softirq_init（）;
40）timekeeping_init（）;
41）time_init（）;
42）sched_clock_init（）;
43）profile_init（）;
44）early_boot_irqs_on（）;
45）local_irq_enable（）;
46）console_init（）;
47）lockdep_info（）;
48）locking_selftest（）;
49）vmalloc_init（）;
50）vfs_caches_init_early（）;
51）cpuset_init_early（）;
52）page_cgroup_init（）;
53）mem_init（）;
54）enable_debug_pagealloc（）;
55）cpu_hotplug_init（）;
56） kmem_cache_init（）;
57） debug_objects_mem_init（）;
58） idr_init_cache（）;
59） setup_per_cpu_pageset（）;
60） numa_policy_init（）;
61） if（late_time_init）
62） late_time_init（）;
63） calibrate_delay（）;
64） pidmap_init（）;
65） pgtable_cache_init（）;
66） prio_tree_init（）;
67） anon_vma_init（）;
68） thread_info_cache_init（）;
69） fork_init（num_physpages）;
70） proc_caches_init（）;
71） buffer_init（）;
72） key_init（）;
73） security_init（）;
74） vfs_caches_init（num_physpages）;
75） radix_tree_init（）;
76） signals_init（）;
77） page_writeback_init（）;
78） proc_root_init（）;
79） cgroup_init（）;
80） cpuset_init（）;
81） taskstats_init_early（）;
82） delayacct_init（）;
83） check_bugs（）;
84） acpi_early_init（）;
85） ftrace_init（）;
86） rest_init（）;
1.1__lookup_processor_type（）
话说内核映像解压后，又跳到c0008000这个地址。
这个地址指向内核代码的什么地方，我们肯定很想知道。
在arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中，可以发现这样的代码：
SECTIONS
{
#ifdefCONFIG_XIP_KERNEL
.=XIP_VIRT_ADDR（CONFIG_XIP_PHYS_ADDR）;
#else
.=PAGE_OFFSET+TEXT_OFFSET;
#endif
.text.head:
{
_stext=.;
_sinittext=.;
*（.text.head）
}
…
}
一般内核都不配置成XIP方式的，所以这段脚本等同于：
SECTIONS
{
.=PAGE_OFFSET+TEXT_OFFSET;
.text.head:
{
_stext=.;
_sinittext=.;
*（.text.head）
}
…
}
这段脚本告诉我们SECTIONS的起始地址是.text.head的起始地址_stext，且
_stext=PAGE_OFFSET+TEXT_OFFSET;
PAGE_OFSET在.config文件中设置：
PAGE_OFFSET=0xC0000000;
TEXT_OFFSET在架构目录下的Makefile文件中设置：
textofs-y :
=0x00008000
TEXT_OFFSET:
=$（textofs-y）
结合arch/arm/kernel/head.S，会发现如下代码：
.section".text.head","ax"
ENTRY（stext）
msr cpsr_c,#PSR_F_BIT|PSR_I_BIT|SVC_MODE@ensuresvcmode
@andirqsdisabled
mrcp15,0,r9,c0,c0 @getprocessorid
bl __lookup_processor_type @r5=procinfor9=cupid
…
ENDPROC（stext）
第一句代码的意思是表示下面的内容都属于.text.head段的，”ax”表示这段内容是可分配且可执行的（allocableandexecutable）。
所以c0008000处放的代码就是stext的入口地址。
接下来的
msr cpsr_c,#PSR_F_BIT|PSR_I_BIT|SVC_MODE
就是把fiq_mask（快速中断屏蔽位）和irq_mask（快速中断屏蔽位）都置位，同时把处理器模式设置为svc模式。
这就是要告诉闲杂人等不要来打扰，这里要办重要的事。
cpsr_c代表当前状态寄存器；鉴于当前状态寄存器的重要性，arm特意开发了msr指令，专门用来设置当前状态寄存器。
mrcp15,0,r9,c0,c0
是将协处理器cp15c0的值赋值到r9中。
接下来的
bl __lookup_processor_type
是长跳转到__lookup_processor_type，查看processorID是否被内核支持。
__lookup_processor_type:
adr r3,3f
ldmda r3,{r5-r7}
sub r3,r3,r7 @getoffsetbetweenvirt&phys
add r5,r5,r3 @convertvirtaddressesto
add r6,r6,r3 @physicaladdressspace
1:
ldmia r5,{r3,r4} @value,mask
and r4,r4,r9 @maskwantedbits
teq r3,r4
beq 2f
add r5,r5,#PROC_INFO_SZ @sizeof（proc_info_list）
cmpr5,r6
blo 1b
movr5,#0 @unknownprocessor
2:
movpc,lr
ENDPROC（__lookup_processor_type）
adr是条伪指令，作用就是把标号为3位置的地址赋值给r3寄存器。
3后面加f是表示这是个长距离（far）的标号。
有同学可能就要问了，ldr也能起到这个作用，为什么不用ldr？
首先ldrr3,3f取的是标号3这个地址的内容，而不是地址本身；其次，可以用ldrr3,=3f来取地址本身，但这是一个绝对地址；而adr取得的是相对地址。
如果要保证程序在任何内存都能运行，就必须保证代码是地址无关的，也就是PIC（positionindependentcode）。
显然adr伪指令很对PIC的胃口，它的取相对地址方式符合PIC的设定。
.long __proc_info_begin
.long __proc_info_end
3:
.long .
.long __arch_info_begin
.long __arch_info_end
我们接着往下看。
ldmda r3,{r5-r7}
sub r3,r3,r7 @getoffsetbetweenvirt&phys
add r5,r5,r3 @convertvirtaddressesto
add r6,r6,r3 @physicaladdressspace
1:
ldmia r5,{r3,r4} @value,mask
and r4,r4,r9 @maskwantedbits
teq r3,r4
beq 2f
add r5,r5,#PROC_INFO_SZ @sizeof（proc_info_list）
cmpr5,r6
blo 1b
movr5,#0 @unknownprocessor
2:
movpc,lr
ldmadar3,（r5-r7）是把标签3所指的地址的内容（也就是标签3的虚拟地址）赋值给r7,把比标签3所指的地址小4的地址的内容（也就是__proc_info_end）赋值给r6，把比标签3所指的地址小8的地址的内容（__proc_info_begin）赋值给r5。
这里的虚拟地址是线性逻辑地址，它和物理地址之间有着一一映射关系。
因为__proc_info_begin和__proc_info_end都是虚拟地址，此时我们MMU还没有打开，就必须要使用物理地址。
这就需要我们先把它们转换为物理地址。
接下来的三句代码就是完成这样的工作。
__proc_info_begin和__proc_info_end是在vlinux.lds.S中定义的。
__proc_info_begin=.;
*（.proc.info.init）
__proc_info_end=.;
这说明在__proc_info_begin和__proc_info_end之间的是所有的.proc.info.init段。
我们可以在arch/arm/mm/proc_*.S中找到相应的.proc.info.init段。
Smdk6410属于armv6，我们可以在proc_v6.S找到armv6处理器的id和id掩码。
之后的代码就是把处理器的id和id掩码赋值到r3,r4中；把r9与处理器掩码做与操作，然后与处理器id（r3）比较，看是否相等；如不相等，就取下一个处理器id进行比较；如果到最后都没有处理器id相符，就将r5赋值为0：
1:
ldmia r5,{r3,r4} @value,mask
and r4,r4,r9 @maskwantedbits
teq r3,r4
beq 2f
add r5,r5,#PROC_INFO_SZ @sizeof（proc_info_list）
cmpr5,r6
blo 1b
movr5,#0 @unknownprocessor
2:
movpc,lr
最后一句是跳出__lookup_processor_type函数。
跳出之后会对处理器id是否有效做一个判断；如果不是有效的处理器，就进行相应的错误处理；如果是有效的处理器，就进行机器类型查找：
movs r10,r5 @invalidprocessor（r5=0）?
beq __error_p @yes,error'p'
bl __lookup_machine_type @r5=machinfo
1.2__lookup_machine_type（）
机器类型的查找代码如下：
__lookup_machine_type:
adr r3,3b
ldmia r3,{r4,r5,r6}
sub r3,r3,r4 @getoffsetbetweenvirt&phys
add r5,r5,r3 @convertvirtaddressesto
add r6,r6,r3 @physicaladdressspace
1:
ldr r3,[r5,#MACHINFO_TYPE] @getmachinetype
teq r3,r1 @matchesloadernumber?
beq 2f @found
add r5,r5,#SIZEOF_MACHINE_DESC @nextmachine_desc
cmpr5,r6
blo 1b
movr5,#0 @unknownmachine
2:
movpc,lr
ENDPROC（__lookup_machine_type）
我们可以看到，这和处理器类型查找函数很类似，在这里只进行简单的解说。
.long __proc_info_begin
.long __proc_info_end
3:
.long .
.long __arch_info_begin
.long __arch_info_end
__arch_info_begin和__arch_info_end在arch/arm/kernel/vlinux.lds.S中定义：
__arch_info_begin=.;
*（.arch.info.init）
__arch_info_end=.;
.arch.info.init段我们可以找到在arch/arm/include/asm/mach/arch.h中有引用：
#defineMACHINE_START（_type,_name） \
staticconststructmachine_desc__mach_desc_##_type \
__used \
__attribute__（（__section__（".arch.info.init"）））={ \
.nr =MACH_TYPE_##_type, \
.name =_name,
#defineMACHINE_END \
};
我们可以在arch/arm/mach-*.c文件中找到一系列关于MACHINE_START所定义的结构。
1.3__vet_atags（）
函数代码如下：
__vet_atags:
tst r2,#0x3 @aligned?
bne 1f
ldr r5,[r2,#0] @isfirsttagATAG_CORE?
subsr5,r5,#ATAG_CORE_SIZE
bne 1f
ldr r5,[r2,#4]
ldr r6,=ATAG_CORE
cmpr5,r6
bne 1f
movpc,lr @atagpointerisok
1:
movr2,#0
movpc,lr
ENDPROC（__vet_atags）
atag是bootloader传递给linux内核的参数列表。
这个参数列表是以tag的列表形式来表示的。
这个列表起始位置的tag是ATAG_CORE，用来表示这是一个有效的tag列表。
如果起始tag不是ATAG_CORE，就认为bootloader没有传递tag参数给内核。
以下是tag值的定义和描述，以及tag结构的定义。
Tagname
Value
Size
Description
ATAG_NONE
0x00000000
2
Emptytagusedtoendlist
ATAG_CORE
0x54410001
5（2ifempty）
Firsttagusedtostartlist
ATAG_MEM
0x54410002
4
Describesaphysicalareaofmemory
ATAG_VIDEOTEXT
0x54410003
5
DescribesaVGAtextd
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