Linux内核启动过程概述
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 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_tablesldr r13, __switch_data @ address to jump to after@ mmu has been enabledadr lr, __enable_mmu @ return (PIC) addressadd 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, 3bldmia r3, {r4, r5, r6}sub r3, r3, r4 @ get offset between virt&physadd r5, r5, r3 @ convert virt addresses toadd r6, r6, r3 @ physical address space 1: 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, lr3: .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 + 4ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7}cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed 1: cmpne r5, r6ldrne fp, [r4], #4strne fp, [r5], #4bne 1bmov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp) 1: cmp r6, r7strcc fp, [r6],#4bcc 1bldmia r3, {r4, r5, r6, sp}str r9, [r4] @ Save processor IDstr r1, [r5] @ Save machine typebic r4, r0, #CR_A @ Clear 'A' bitstmia r6, {r0, r4} @ Save control register valuesb 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_kernelsetup_arch(&command_line);setup_command_line(command_line);unknown_bootoptionobsolete_checksetup parse_early_paramdo_early_param rest_init;kernel_initprepare_namespacemount_rootinit_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^_^
转载于:https://www.cnblogs.com/xieqing/p/6519880.html
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