tiny4412 串口驱动分析七 --- log打印的几个阶段之内核启动阶段(earlyprintk)

作者：彭东林

邮箱：pengdonglin137@163.com

开发板：tiny4412ADK+S700 4GB Flash

主机：Wind7 64位

虚拟机：Vmware+Ubuntu12_04

u-boot：U-Boot 2010.12

Linux内核版本：linux-3.0.31

Android版本：android-4.1.2

下面要分析的是内核Log打印的几个阶段

1. 自解压阶段
2. 内核启动阶段
3. 内核启动完全以后
4. shell终端下

在这个阶段内核log打印可以调用printk和printascii，同时printk又分为两个阶段，从刚才的分析中知道，printk最终调用的是有register_console注册的console_drivers的write函数，在tiny4412平台上调用register_console的地方有两处，第一处是在arch/arm/kernel/early_printk.c中，另一处就是在串口驱动注册中，具体是在driver/tty/serial/samsung.c中，下面我们开始分析。

printascii的实现：

首先printascii需要配置内核才能使用：

make LOCALVERSION="" ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- menuconfig

Kernel hacking

--- Kernel low-level debugging functions

这样就可以使用printascii了：

在printk中会调用printascii，

#ifdef        CONFIG_DEBUG_LL

         printascii(printk_buf);

#endif

print_asciii使用汇编实现的，在文件arch/arm/kernel/debug.S中：

.macro     addruart_current, rx, tmp1, tmp2
addruart   \tmp1, \tmp2
mrc        p15, , \rx, c1, c0
tst        \rx, #
moveq      \rx, \tmp1
movne      \rx, \tmp2
.endm
 
ENTRY(printascii)
                   addruart_current r3, r1, r2
                   b       2f
:                 waituart r2, r3
                   senduart r1, r3
                   busyuart r2, r3
                   teq   r1, #'\n'
                   moveq      r1, #'\r'
                   beq  1b
 
:                 teq   r0, #
                   ldrneb       r1, [r0], #
                   teqne        r1, #
                   bne  1b
 
                   mov pc, lr
ENDPROC(printascii)

其中 addruart 是在文件arch/arm/mach-exynos/include/mach/debug-macro.S中实现的，waituart、senduart以及busyuart是在arch/arm/plat-samsung/include/plat/debug-macro.S中实现的，大家可以参考这两个文件理解具体实现过程。

early_printk中调用register_console

tiny4412使用的内核默认是没有开启early_printk的，即log_buf中内容只有等driver/tty/serial下的串口驱动注册完成后才能输出到串口终端，在此之前调用printk的内容都缓存到log_buf中了，如果想提前使用的话，需要使能early_printk，下面说明一下如何使能early_printk。

make LOCALVERSION="" ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- menuconfig

Kernel hacking

-- Kernel low-level debugging functions

--Early printk

要使能early_printk首先必须使能Kernel low-level debugging functions，因为early_printk最终也是使用printascii实现的，这样arch/arm/kernel/early_printk.c就会参加编译

在early_printk.c中：

static int __init setup_early_printk(char *buf)
{
    printk("%s enter\n", __func__);
    register_console(&early_console);
    return ;
}
early_param("earlyprintk", setup_early_printk);

虽然内核配置了，但是要让内核调用setup_early_printk还必须在u-boot给内核传参的时候给bootargs在加上一个参数”earlyprintk”，如下：

set bootargs ‘console=ttySAC0,115200n8 androidboot.console=ttySAC0 uhost0=n ctp= skipcali=y vmalloc=384m lcd=S70 earlyprintk’

那么内核是如何处理的呢？

在文件include/linux/init.h中：

#define __setup_param(str, unique_id, fn, early)            \
    static const char __setup_str_##unique_id[] __initconst    \
        __aligned() = str; \
    static struct obs_kernel_param __setup_##unique_id    \
        __used __section(.init.setup)            \
        __attribute__((aligned((sizeof(long)))))    \
        = { __setup_str_##unique_id, fn, early }
 
#define early_param(str, fn)                    \
    __setup_param(str, fn, fn, )

将early_param("earlyprintk", setup_early_printk);展开后：

static const char __setup_str_setup_early_printk[] __initconst __aligned() = "earlyprintk";
static struct obs_kernel_param __setup_setup_early_printk __used __section(.init.setup) \
__attribute__((aligned((sizeof(long))))) = \
{ __setup_str_setup_early_printk, setup_early_printk,  }

即上面的这个结构体被链接到了”.init.setup”段，在arch/arm/kernel/vmlinux.lds中：

  . = ALIGN(); __setup_start = .; *(.init.setup) __setup_end = .;

将所有的.init.setup都链接到了__setup_start和__setup_end之间

在内核启动的时候：

start_kernel
  --- setup_arch(&command_line);
  //这个函数的目的是获得u-boot传给内核的参数（bootargs）,并将参数存放在command_line中，然后解析command_line，并调用相关的函数处理--- parse_early_param()   （arch/arm/kernel/setup.c）
                    --- strlcpy(tmp_cmdline, boot_command_line, COMMAND_LINE_SIZE);
                    --- parse_early_options(tmp_cmdline);

parse_early_options用于解析tmp_cmdline

void __init parse_early_options(char *cmdline)
{
    parse_args("early options", cmdline, NULL, , do_early_param);
}

在文件kernel/params.c中：

int parse_args(const char *name,
           char *args,
           const struct kernel_param *params,
           unsigned num,
           int (*unknown)(char *param, char *val))
{
    char *param, *val;
 
    /* Chew leading spaces */
    args = skip_spaces(args); // 跳过args开头的空格
 
    while (*args) {
        int ret;
        int irq_was_disabled;
/*
    如：cmdline是“console=ttySAC0,115200n8 androidboot.console=ttySAC0”
    执行next_arg后：
    params=”console”, val=” ttySAC0,115200n8” args=” androidboot.console=ttySAC0”
*/
        args = next_arg(args, &param, &val); // 获得下一个参数的位置，
        irq_was_disabled = irqs_disabled();
/*
    parse_one所做的主要就是将params和val传递给unknown处理，这里unknown就是do_early_param，所以下面分析do_early_param
*/
        ret = parse_one(param, val, params, num, unknown);
        …
        }
    }
 
    /* All parsed OK. */
    return ;
}

static int __init do_early_param(char *param, char *val)
{
    const struct obs_kernel_param *p;
/*
   还记得early_param("earlyprintk", setup_early_printk)展开后的结果吗？
   其中early为1，str是 “earlyprintk”,setup_func就是setup_early_printk
*/
    for (p = __setup_start; p < __setup_end; p++) {
        if ((p->early && strcmp(param, p->str) == ) ||
            (strcmp(param, "console") ==  &&
             strcmp(p->str, "earlycon") == )
        ) {
            if (p->setup_func(val) != )
…
        }
    }
    return ;
}

下面我们就分析setup_early_printk:

static int __init setup_early_printk(char *buf)
{
    register_console(&early_console);
    return ;
}

结构体early_console 的定义如下：

static struct console early_console = {
    .name =        "earlycon",
    .write =    early_console_write,
    .flags =    CON_PRINTBUFFER | CON_BOOT,
    .index =    -,
};

看一下early_console_write干了什么：

static void early_console_write(struct console *con, const char *s, unsigned n)
{
    early_write(s, n);
}

static void early_write(const char *s, unsigned n)
{
    while (n-- > ) {
        if (*s == '\n')
            printch('\r');
        printch(*s);
        s++;
    }
}

可以看到，它调用的是printch，它在文件arch/arm/kernel/debug.S中实现：

ENTRY(printascii)
        addruart_current r3, r1, r2
        b    2f
:      waituart r2, r3
        senduart r1, r3
        busyuart r2, r3
        teq    r1, #'\n'
        moveq    r1, #'\r'
        beq    1b
:      teq    r0, #
        ldrneb    r1, [r0], #
        teqne    r1, #
        bne    1b
        mov    pc, lr
ENDPROC(printascii)
 
ENTRY(printch)
        addruart_current r3, r1, r2
        mov    r1, r0
        mov    r0, #
        b    1b
ENDPROC(printch)

这样当driver/tty/serial下的驱动尚未注册时，printk就已经可以使用了，它最终调用的是early_console_write输出到串口终端的

下面我们分析一个函数register_console

/*
   这段话最好看一下
 * The console driver calls this routine during kernel initialization
 * to register the console printing procedure with printk() and to
 * print any messages that were printed by the kernel before the
 * console driver was initialized.
 *
 * This can happen pretty early during the boot process (because of
 * early_printk) - sometimes before setup_arch() completes - be careful
 * of what kernel features are used - they may not be initialised yet.
 *
 * There are two types of consoles - bootconsoles (early_printk) and
 * "real" consoles (everything which is not a bootconsole) which are
 * handled differently.
 *  - Any number of bootconsoles can be registered at any time.
 *  - As soon as a "real" console is registered, all bootconsoles
 *    will be unregistered automatically.
 *  - Once a "real" console is registered, any attempt to register a
 *    bootconsoles will be rejected
 */
void register_console(struct console *newcon)
{
    int i;
    unsigned long flags;
    struct console *bcon = NULL;
 
    /*
     * before we register a new CON_BOOT console, make sure we don't
     * already have a valid console
       这个判断的目的是：看当前系统是否有”real”类型的console注册，如果有的话，直接返回，即”real”类型和”bootconsoles”类型的console不能共存，
       如果注册了”real”类型的console的话，则会对”bootconsoles”类型的console进行unregister
       如果已经有”real”类型的console，则注册”bootconsoles”类型的console时会失败，”bootconsoles”类型的console的flags设置CON_BOOT位。
       这里在内核刚启动，还没有任何console注册，console_drivers是NULL
     */
    if (console_drivers && newcon->flags & CON_BOOT) {
        /* find the last or real console */
        for_each_console(bcon) {
            if (!(bcon->flags & CON_BOOT)) {
                printk(KERN_INFO "Too late to register bootconsole %s%d\n",
                    newcon->name, newcon->index);
                return;
            }
        }
    }
 
    if (console_drivers && console_drivers->flags & CON_BOOT)
        bcon = console_drivers;
    // perferred_console和selected_console的初始值都是-1，但是如果在bootargs中设置了类似“console=ttySAC0,115200n8”时，在解析console参数时会设置selected_console，这个一会分析
    if (preferred_console <  || bcon || !console_drivers)
        preferred_console = selected_console;
 
    if (newcon->early_setup) // 如果有的话，则调用
        newcon->early_setup();
 
    /*
     *    See if we want to use this console driver. If we
     *    didn't select a console we take the first one
     *    that registers here.
     */
    if (preferred_console < ) {
        if (newcon->index < )
            newcon->index = ;
        if (newcon->setup == NULL ||
            newcon->setup(newcon, NULL) == ) {
            newcon->flags |= CON_ENABLED;
            if (newcon->device) {
                newcon->flags |= CON_CONSDEV;
                preferred_console = ;
            }
        }
    }
 
    /*
     *    See if this console matches one we selected on
     *    the command line.
        // console_cmdline会在解析bootargs的console参数时设置
     */
    for (i = ; i < MAX_CMDLINECONSOLES && console_cmdline[i].name[];
            i++) {
        if (strcmp(console_cmdline[i].name, newcon->name) != )
            continue;
        if (newcon->index >=  &&
            newcon->index != console_cmdline[i].index)
            continue;
        if (newcon->index < )
            newcon->index = console_cmdline[i].index;
        if (newcon->setup &&
            newcon->setup(newcon, console_cmdline[i].options) != )
            break;
        newcon->flags |= CON_ENABLED;
        newcon->index = console_cmdline[i].index;
        if (i == selected_console) {  // selected_console是从bootargs中解析出来的
            newcon->flags |= CON_CONSDEV;
            preferred_console = selected_console;
        }
        break;
    }
 
    if (!(newcon->flags & CON_ENABLED))
        return;
 
    /*
     * If we have a bootconsole, and are switching to a real console,
     * don't print everything out again, since when the boot console, and
     * the real console are the same physical device, it's annoying to
     * see the beginning boot messages twice
     */
    if (bcon && ((newcon->flags & (CON_CONSDEV | CON_BOOT)) == CON_CONSDEV))
        newcon->flags &= ~CON_PRINTBUFFER;
 
    /*
     *    Put this console in the list - keep the
     *    preferred driver at the head of the list.
     */
    console_lock();
    // 这里会把跟selected_console一样的ttySAC尽量往前放
    if ((newcon->flags & CON_CONSDEV) || console_drivers == NULL) {
        newcon->next = console_drivers;
        console_drivers = newcon;
        if (newcon->next)
            newcon->next->flags &= ~CON_CONSDEV;
    } else {
        newcon->next = console_drivers->next;
        console_drivers->next = newcon;
    }
 
    if (newcon->flags & CON_PRINTBUFFER) {
        spin_lock_irqsave(&logbuf_lock, flags);
        con_start = log_start;
        spin_unlock_irqrestore(&logbuf_lock, flags);
        exclusive_console = newcon;
    }
    console_unlock();
    console_sysfs_notify();
 
    /*
     * By unregistering the bootconsoles after we enable the real console
     * we get the "console xxx enabled" message on all the consoles -
     * boot consoles, real consoles, etc - this is to ensure that end
     * users know there might be something in the kernel's log buffer that
     * went to the bootconsole (that they do not see on the real console)
     */
    if (bcon &&
        ((newcon->flags & (CON_CONSDEV | CON_BOOT)) == CON_CONSDEV) &&
        !keep_bootcon) {
        // 在命令行中可以设置参数，将keep_bootcon置1，就不会将bootconsole注销了
        /* we need to iterate through twice, to make sure we print
         * everything out, before we unregister the console(s)
          如果使能了early_printk的话，下面的这条log会打印两次，因为一次是从real console，另一次是从boot consoles。原因是 当real已经注册时（上面更新了console_drivers），
          但是此时boot consoles还尚未unregister。
         */
        printk(KERN_INFO "console [%s%d] enabled, bootconsole disabled\n",
            newcon->name, newcon->index);
        for_each_console(bcon)
            if (bcon->flags & CON_BOOT)
                unregister_console(bcon); // unregister boot consoles
    } else {
        printk(KERN_INFO "%sconsole [%s%d] enabled\n",
            (newcon->flags & CON_BOOT) ? "boot" : "" ,
            newcon->name, newcon->index);
    }
}

上面我们分析了early_printk，下面我们分析当内核启动之后的printk打印的实现。

当Linux内核启动之后，或者更确切的说是串口驱动注册后，使用的是real console，会把boot consoles都disable。

内核起来后，使用串口终端可以登录，在用户空间（对于android）是/system/bin/sh跟用户交互，它接收用户通过串口输入的命令，然后执行，它虽然在最底层都会操作串口硬件寄存器，但是跟内核的printk还不一样，前者走的是tty驱动架构，他们在底层是通过不同的机制来操作uart控制器的。下面一块分析。

在此之前，我们还要看一下u-boot给内核传参：

console=ttySAC0,115200n8 androidboot.console=ttySAC0 uhost0=n ctp= skipcali=y vmalloc=384m lcd=S70

由于tiny4412一共有4个串口，我们使用了com0和com3，在参数中的console参数console=ttySAC0,115200n8告诉Linux，将来sh要运行在ttySAC0上，它的波特率是115200，每帧8位。也就是我们要通过com0与Linux交互。

在此可以做一个实验，如果我们执行

“hello world”会通过串口ttySAC0打印到终端

但是执行

什么反应也没有，因为我们接在com0上而不是com3上。后面我们会尝试修改默认的串口，从com0改成com3.

那么系统是如何解析console=ttySAC0,115200n8的呢？

在kernel/printk.c中：

__setup("console=", console_setup);

在include/linux/init.h中:

#define __setup(str, fn)                    \
    __setup_param(str, fn, fn, )

而__setup_param我们在上面已经分析了，最终__setup("console=", console_setup);

的展开结果是：

static const char __setup_str_console_setup[] __initconst    \
        __aligned() = "console="; 
 
    static struct obs_kernel_param __setup_console_setup    \
        __used __section(.init.setup)            \
        __attribute__((aligned((sizeof(long)))))    \
        = { __setup_str_console_setup, console_setup,  }

可以看到它也链接到了”.init.setup”段。在内核启动的时候：

asmlinkage void __init start_kernel(void)
{
    char * command_line;
    extern const struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];
    ...
    parse_args("Booting kernel", static_command_line, __start___param,
           __stop___param - __start___param,
           &unknown_bootoption);
    ......
}

int parse_args(const char *name,
           char *args,
           const struct kernel_param *params,
           unsigned num,
           int (*unknown)(char *param, char *val))
{
    char *param, *val;
 
    DEBUGP("Parsing ARGS: %s\n", args);
 
    /* Chew leading spaces */
    args = skip_spaces(args);
 
    while (*args) {
        int ret;
        int irq_was_disabled;
 
        args = next_arg(args, &param, &val);
        …
        ret = parse_one(param, val, params, num, unknown);
        // 在parse_one中会调用unknown函数，并将param和val传给它
        …
}

static int __init unknown_bootoption(char *param, char *val)
{
    /* Change NUL term back to "=", to make "param" the whole string. */
    if (val) {
        /* param=val or param="val"? */
        if (val == param+strlen(param)+)
            val[-] = '=';
        else if (val == param+strlen(param)+) {
            val[-] = '=';
            memmove(val-, val, strlen(val)+);
            val--;
        } else
            BUG();
    }
 
    /* Handle obsolete-style parameters */
    if (obsolete_checksetup(param))
        return ;
 
    /* Unused module parameter. */
    if (strchr(param, '.') && (!val || strchr(param, '.') < val))
        return ;
 
    if (panic_later)
        return ;
 
    if (val) {
        /* Environment option */
        unsigned int i;
        for (i = ; envp_init[i]; i++) {
            if (i == MAX_INIT_ENVS) {
                panic_later = "Too many boot env vars at `%s'";
                panic_param = param;
            }
            if (!strncmp(param, envp_init[i], val - param))
                break;
        }
        envp_init[i] = param;
    } else {
        /* Command line option */
        unsigned int i;
        for (i = ; argv_init[i]; i++) {
            if (i == MAX_INIT_ARGS) {
                panic_later = "Too many boot init vars at `%s'";
                panic_param = param;
            }
        }
        argv_init[i] = param;
    }
    return ;
}

对于“console=ttySAC0,115200n8”符合这个条件

static int __init obsolete_checksetup(char *line)
{
    const struct obs_kernel_param *p;
    int had_early_param = ;
 
    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 = ;
            } else if (!p->setup_func) {
                printk(KERN_WARNING "Parameter %s is obsolete,"
                       " ignored\n", p->str);
                return ;
            } else if (p->setup_func(line + n))
                return ;
        }
        p++;
    } while (p < __setup_end);
 
    return had_early_param;
}

这样就会调用console_setup，并把参数：ttySAC0,115200n8 传给str变量

static int __init console_setup(char *str)
{
    char buf[sizeof(console_cmdline[].name) + ]; /* 4 for index */
    char *s, *options, *brl_options = NULL;
    int idx;
 
    /*
     * Decode str into name, index, options.
     */
    if (str[] >= '' && str[] <= '') {
        strcpy(buf, "ttyS");
        strncpy(buf + , str, sizeof(buf) - );
    } else {
        strncpy(buf, str, sizeof(buf) - );
    }
 
   //这里将ttySAC0,115200n8分成了两个字符串” ttySAC0”和”115200n8”
    buf[sizeof(buf) - ] = ;
    if ((options = strchr(str, ',')) != NULL)
        *(options++) = ;  // 此时options指向字符串”115200n8”
 
    //这里会从ttySAC0中将0解析出来，这个循环执行完成后,*s就是’0’
    for (s = buf; *s; s++)
        if ((*s >= '' && *s <= '') || *s == ',')
            break;
    idx = simple_strtoul(s, NULL, );  // 将字符’0’转化成10进制类型的0，然后赋值给idx
    *s = ;  // 将’0’所在的位置为0，那么就将”ttySAC0”变成了”ttySAC”

    __add_preferred_console(buf, idx, options, brl_options);
    console_set_on_cmdline = ;
    return ;
}

 

name=”ttySAC”, idx=0, options=”115200n8”, brl_options=NULL

static int __add_preferred_console(char *name, int idx, char *options,
                   char *brl_options)
{
    struct console_cmdline *c;
    int i;
 
// 此时console_cmdline还没有赋值，所以name[0]是空，循环不成立
// 如果在bootargs中传了两个console参数，那么在解析第二个console参数的时候name[0]就不是空的了
    for (i = ; i < MAX_CMDLINECONSOLES && console_cmdline[i].name[]; i++)
        if (strcmp(console_cmdline[i].name, name) ==  &&
              console_cmdline[i].index == idx) {
                if (!brl_options)
                    selected_console = i;
                return ;
        }
    if (i == MAX_CMDLINECONSOLES)
        return -E2BIG;
// 从这里可以看出，如果bootargs中传递了两个console参数，如console=ttySAC0,console=ttySAC3，那么最终selected_console就是3
    if (!brl_options)
        selected_console = i;
    c = &console_cmdline[i];
    strlcpy(c->name, name, sizeof(c->name));   // “ttySAC”
    c->options = options;                   // “115200n8”
    c->index = idx;                         //
    return ;
}

这里可以想一想，如果在bootargs中传递了两个console，如”console=ttySAC0,115200n8 console=ttySAC3,115200n8”，那么:

console_cmdline[0].name = “ttySAC”

console_cmdline[0].index = 0

console_cmdline[0].options = "115200n8"

console_cmdline[1].name = “ttySAC”

console_cmdline[1].index = 3

console_cmdline[1].options = "115200n8"

selected_console = 1

对于tiny4412，有四个串口，所以会调用四次register_console，但是只有一次能成功，那一次呢？如果bootargs中console参数是ttySAC0，那么只有名为ttySAC0的串口才能成功调用register_console。具体过程，我们下面分析。是在register_console中调用newcon->setup时，因为port的mapbase没有设置而返回错误。因为这四个串口在注册时，会调用probe四次，probe的时候才会为这个port的mapbase赋值，然后才调用register_console的。