内核启动流程分析(四)源码浅析
目录
kernel(四)源码浅析
- 建立工程
- 启动简析
- head.s
- 入口点
- 查询处理器
- 查询机器ID
- 启动MMU
- 其他操作
- start_kernel
- 处理命令行
- 分区
kernel(四)源码浅析
建立工程
移除所有Arch,添加Arch/arm 下除了 Mach_xxx 开头的，Mach_xxx 表示机器型号,添加2410，2440，剔除 Plat_xxx,加入plat-s3c24xx
Arch/arm/boot common configs kernel libmach-s3c2410 mach-s3c2440 plat-s3c24xxmm nwfpe oprofile tools vfp移除include目录，先排除所有Asm相关,只加入asm-arm顶层文件以及2440相关的如下
include/ 排除所有 asm-xxxinclude/asm-arm/下添加 所有顶层以及以下目录 arch-s3c2410 hardware mach plat-s3c24xx
启动简析
uboot通过theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params)启动内核;中的第二个参数是机器ID，内核通过比对机器ID判断是否支持启动.gd->bd->bi_arch_number = MACH_TYPE_S3C2440;linux会这么做:
- 处理uboot传入的参数
- 挂接根文件系统
- 最终目的：运行应用程序（在根文件系统上）
内核跳转之前，Uboot设置内核的启动参数.内核的参数是按照tag组织的.也就是在某个地址（0x30000100，在100ask24x0.c中定义），按照某种格式存储，这种格式具体为【size....tagid....tag值】
head.s
我们发现在arch\arm\boot\compressed也存在一个head.S的文件，有些内核编译出来比较大，他会以压缩的形式存在也就是包含了自解压的代码，这个文件就是讲压缩的文件解压，在这里不做分析。我们的入口为arch\arm\kernel\head.S
入口点
链接脚本有写,也就是说_stext段为最早的入口点,搜索下head.S中的入口点.text.head
.text.head : { #先放所有文件的 .text.head 段_stext = .;_sinittext = .;*(.text.head)}查询处理器
查看是否支持__lookup_processor_type
.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 disabledmrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor idbl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuidmovs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)?beq __error_p @ yes, error 'p'bl __lookup_machine_type @ r5=machinfomovs r8, r5 @ invalid machine (r5=0)?beq __error_a @ yes, error 'a'bl __create_page_tables
内核能够支持哪些处理器，是在编译内核时定义下来的。内核启动时去读寄存器：获取 ID。看内核是否可以支持这个处理器。若能支持则继续运行，不支持则跳到_error_p中去,这是个死循环
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'
查询机器ID
如果不支持这个机器ID则跳转到__error_a,这也是死循环
bl __lookup_machine_type @ r5=machinfo
movs r8, r5 @ invalid machine (r5=0)?
beq __error_a @ yes, error 'a'机器ID是存在R1的,因为theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params)
3: .long ..long __arch_info_begin.long __arch_info_end@ __arch_info_begin 和 __arch_info_end 是在链接脚本中定义的
@ __arch_info_begin = .;
@ *(.arch.info.init)
@ __arch_info_end = .;/** Lookup machine architecture in the linker-build list of architectures.* Note that we can't use the absolute addresses for the __arch_info* lists since we aren't running with the MMU on (and therefore, we are* not in the correct address space). We have to calculate the offset.** r1 = machine architecture number* Returns:* r3, r4, r6 corrupted* r5 = mach_info pointer in physical address space*/.type __lookup_machine_type, %function
__lookup_machine_type:adr r3, 3b @ r3= address of 3b,这个时候mmu还没有启动,是物理地址ldmia r3, {r4, r5, r6} @ r4=.,r5=__arch_info_begin,r6=__arch_info_end@ 这个.代表了3这个标号的虚拟地址sub r3, r3, r4 @ get offset between virt&phys 虚拟地址与物理地址的偏差 @将r5,r6转换为实际的物理地址add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to add r6, r6, r3 @ physical address space1: ldr r3, [r5, #MACHINFO_TYPE] @ get machine typeteq r3, r1 @ matches loader number?beq 2f @ foundadd r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC @ next machine_desccmp r5, r6blo 1bmov r5, #0 @ unknown machine
2: mov pc, lr
首先是将虚拟地址转换为物理地址,因为这个时候UBOOT 启动内核时,MMU 还没启动,r3 这是实际存在的地址
3: .long ..long __arch_info_begin.long __arch_info_endadr r3, 3b 接下来的r4, r5, r6都是虚拟地址了. .代表虚拟地址。是标号为3的指令的虚拟地址.可以通过r3与.(虚拟地址)来计算偏差.
sub r3, r3, r4 @ r3=r3-r4,也就r3=物理地址-虚拟地址的偏差
实际物理地址=虚拟地址+r3即可add r5, r5, r3 @ convert virt addresses to
add r6, r6, r3 @ physical address space查看下__arch_info_begin和__arch_info_end具体是什么,这个是在链接脚本定义如下的,也就是代表了一个段
__arch_info_begin = .;*(.arch.info.init)
__arch_info_end = .;.arch.info.init在arch.h 中有定义 ,定义某个结构体(machine_desc)的段属性
#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 \
};有如下应用
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展开看看
static const struct machine_desc __mach_desc_S3C2440 __used __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = { .nr = MACH_TYPE_S3C2440, .name = SMDK2440,.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,};查看下machine_desc 这个结构体内容,可以发现支持多少单板，就有多少这个宏的使用
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);
};接下去就是从这个结构体读取第一个参数nr也就是ID来逐个比较了.这个在内核中定义与uboot定义是一致的
#define MACH_TYPE_S3C2440 362启动MMU
bl __create_page_tables @创建页表
ldr r13, __switch_data @ address to jump to after,这是使能mmu后的跳转地址@ mmu has been enabled
adr lr, __enable_mmu @ return (PIC) address 使能mmu
add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC@__enable_mmu 中会调用 __turn_mmu_on,最后 mov pc, r13
b __turn_mmu_on.align 5.type __turn_mmu_on, %function
__turn_mmu_on:mov r0, r0mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 @ write control regmrc p15, 0, r3, c0, c0, 0 @ read id regmov r3, r3mov r3, r3mov pc, r13 @这个是关键,pc最后=r13=__switch_data其他操作
复制数据段,清bss段等操作
start_kernel
启动mmu后会跳转到__switch_data,如何跳到 __switch_data，在__enable_mmu 中会调用 __turn_mmu_on这个函数最后 mov pc, r13,在调用__enable_mmu 前是先赋值的ldr r13, __switch_data
ldr r13, __switch_data @ address to jump to after
....b start_kernel注意 这是内核的第一个 C 函数,接下来要处理UBOOT 传输的第三个启动参数bd->bi_boot_params.这个文件在init/main.c,在以下函数处理参数
setup_arch(&command_line);
setup_command_line(command_line);一览流程如下
start_kernelsetup_arch //解析uboot传入的参数，只是先存起来字符串setup_command_line //解析uboot传入的参数，只是先存起来字符串parse_early_paramdo_early_param从__setup_start到__setup_end，调用early函数unknown_bootoptionobsolete_checksetup从__setup_start到__setup_end，调用非early函数rest_initkernel_initprepare_namespacemount_root //挂接根文件系统，init_post //执行应用程序注意：
__setup_start和__setup_end是在链接脚本定义，它们中间包含的是所有文件的（.init.setup）段，这种段是通过一个宏来设置的，有以下宏定义：#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 }将宏函数__setup("root=", root_dev_setup)进行宏展开得到:static char __setup_str_root_dev_setup[] __initdata = "root="; \static struct obs_kernel_param __setup_root_dev_setup \__attribute_used__ \__attribute__((__section__(".init.setup"))) \__attribute__((aligned((sizeof(long))))) \= { __setup_str_root_dev_setup, root_dev_setup, 0}
从上面可以看出宏函数__setup("root=", root_dev_setup)；定义一个结构体变量，这个结构体的段属性被强制设置为(".init.setup")段。
setup_arch(解析tag)
这里是先查找mdesc这个结构体,这个结构体在上面分析机器ID的时候已经发现他保存了一系列参数.boot_params就是uboot存放参数的地址.然后在parse_tags(tags)处理具体的tag
if (mdesc->boot_params)tags = phys_to_virt(mdesc->boot_params);//在上面定义机器id结构体的时候，.boot_params = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,=0x30000100
#define S3C2410_CS6 (0x30000000)
#define S3C2410_SDRAM_PA (S3C2410_CS6)
//我们在uboot的时候存储参数的地址也是这个
board_init -----gd->bd->bi_boot_params = 0x30000100;
然后开始处理tagsstatic const struct machine_desc __mach_desc_S3C2440 __used __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = { .nr = MACH_TYPE_S3C2440, .name = SMDK2440,.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,};
setup_command_line
所谓命令行,就是uboot设置的bootargs,linux通过getenv("bootargx")获取参数,如果没有设置这个参数,内部有一个默认参数. 这里只是将命令行复制到指定的数组，并没有处理
char *from = default_command_line; //这是默认的命令行参数static char default_command_line[COMMAND_LINE_SIZE] __initdata = CONFIG_CMDLINE;
#define CONFIG_CMDLINE "root=/dev/hda1 ro init=/bin/bash console=ttySAC0"memcpy(boot_command_line, from, COMMAND_LINE_SIZE);
boot_command_line[COMMAND_LINE_SIZE-1] = '\0';
parse_cmdline(cmdline_p, from); //
// cmdline_p 是 传递的参数,用作拷贝
// from 是默认参数挂载根文件系统
创建一个线程,可以理解为运行程序kernel_init
rest_initkernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);kernel_init>prepare_namespace>mount_root 挂在根文件系统>init_post(); 执行应用程序处理命令行
uboot设置命令tag,多了参数commandline,源自环境变量bootargs查看下环境变量bootargs，使用print查看,也可搜索下代码
"bootargs=" CONFIG_BOOTARGS "\0"
//include/configs/100ask24x0.h
#define CONFIG_BOOTARGS "noinitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console=ttySAC0"root=/dev/mtdblock3表示根文件系统从第四个FLASH分区开始（从0开始计数）可以往上看分区空间init=/linuxrc指示第一个应用程序console=ttySAC0，内核打印信息从串口0 打印
我们需要知道ROOT_DEV是什么，可以看到在函数prepare_namespace中有saved_root_name存储这个这个数组.
if (saved_root_name[0]) {root_device_name = saved_root_name;if (!strncmp(root_device_name, "mtd", 3)) {mount_block_root(root_device_name, root_mountflags);goto out;}ROOT_DEV = name_to_dev_t(root_device_name);if (strncmp(root_device_name, "/dev/", 5) == 0)root_device_name += 5;
}搜索下saved_root_name，root_dev_setup对齐赋值，再继续查找函数的引用，只有一个宏使用了它
static int __init root_dev_setup(char *line)
{strlcpy(saved_root_name, line, sizeof(saved_root_name));return 1;
}解析下这个宏__setup("root=", root_dev_setup);
#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 }static char __setup_str_root_dev_setup[] __initdata = "root=";
static struct obs_kernel_param __setup_root_dev_setup __attribute_used____attribute__((__section__(".init.setup"))) __attribute__((aligned((sizeof(long))))) =｛__setup_str_root_dev_setup，root_dev_setup，root_dev_setup，0｝这个结构体的原型如下
struct obs_kernel_param
{const char *str;int (*setup_func)(char *);int early;
};最终大概分析一下也就是定义了一个char数组和一个有特殊段属性.init.setup的结构体.注意这里的early是0.这个段属性肯定是在lds中定义,搜索下这个段的起始和结束地址的调用情况.
__setup_start = .;*(.init.setup)__setup_end = .;obsolete_checksetupdo_early_paramstatic int __init do_early_param(char *param, char *val)
{struct obs_kernel_param *p;for (p = __setup_start; p < __setup_end; p++) {if (p->early && strcmp(param, p->str) == 0) {if (p->setup_func(val) != 0)printk(KERN_WARNING"Malformed early option '%s'\n", param);}}/* We accept everything at this stage. */return 0;
}static int __init obsolete_checksetup(char *line)
{struct obs_kernel_param *p;int had_early_param = 0;p = __setup_start;do {int n = strlen(p->str);if (!strncmp(line, p->str, n)) {if (p->early) {/* Already done in parse_early_param?* (Needs exact match on param part).* Keep iterating, as we can have early* params and __setups of same names 8( */if (line[n] == '\0' || line[n] == '=')had_early_param = 1;} else if (!p->setup_func) {printk(KERN_WARNING "Parameter %s is obsolete,"" ignored\n", p->str);return 1;} else if (p->setup_func(line + n))return 1;}p++;} while (p < __setup_end);return had_early_param;
}可以看出obsolete_checksetup先判断这个结构的early属性，为0则执行setup_func方法，这符合我们的这个宏__setup("root=", root_dev_setup);
结论:挂接根文件系统的参数是由命令行给出的，内核函数去分析这个命令行，去赋值ROOT_DEV
分区
分区表是没有的，是代码里面写死的，我们可以启动内核的时候发现有以下输出
Creating 4 MTD partitions on "NAND 256MiB 3,3V 8-bit":
0x00000000-0x00040000 : "bootloader"
0x00040000-0x00060000 : "params"
0x00060000-0x00260000 : "kernel"
0x00260000-0x10000000 : "root"
可以搜索这个"bootloader"发现在arm/plat-s3c24xx/common-smdk.c下面定义
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,}
};MTDPART_OFS_APPEND 这个 offset 意思是紧接着上面一个分区的意思
总结
转载：https://www.cnblogs.com/zongzi10010/p/10023696.html
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