Linux内核启动

Linux内核启动过程概述

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 disabled
    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'
    bl    __lookup_machine_type        @ r5=machinfo
    movs    r8, r5                @ invalid machine (r5=0)?
    beq    __error_a            @ yes, error 'a'
    bl    __create_page_tables

    ldr    r13, __switch_data        @ address to jump to after
                        @ mmu has been enabled
    adr    lr, __enable_mmu        @ return (PIC) address
    add    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, 3b
    ldmia    r3, {r4, r5, r6}
    sub    r3, r3, r4            @ get offset between virt&phys
    add    r5, r5, r3            @ convert virt addresses to
    add    r6, r6, r3            @ physical address space
1:    ldr    r3, [r5, #MACHINFO_TYPE]    @ get machine type
    teq    r3, r1                @ matches loader number?
    beq    2f                @ found
    add    r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC    @ next machine_desc
    cmp    r5, r6
    blo    1b
    mov    r5, #0                @ unknown machine
2:    mov    pc, lr

3:    .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 + 4

    ldmia    r3!, {r4, r5, r6, r7}
    cmp    r4, r5                @ Copy data segment if needed
1:    cmpne    r5, r6
    ldrne    fp, [r4], #4
    strne    fp, [r5], #4
    bne    1b

    mov    fp, #0                @ Clear BSS (and zero fp)
1:    cmp    r6, r7
    strcc    fp, [r6],#4
    bcc    1b

    ldmia    r3, {r4, r5, r6, sp}
    str    r9, [r4]            @ Save processor ID
    str    r1, [r5]            @ Save machine type
    bic    r4, r0, #CR_A            @ Clear 'A' bit
    stmia    r6, {r0, r4}            @ Save control register values
    b    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_kernel
    setup_arch(&command_line);
    setup_command_line(command_line);
    unknown_bootoption
        obsolete_checksetup
    parse_early_param
        do_early_param
    rest_init;
        kernel_init
            prepare_namespace
                mount_root
            init_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^_^

题外话：最近博主在自学Linux kernel和Linux device driver，感觉有难度。但是还是很有意义的，因为能够看到前辈的代码，心里真的很高兴。我就希望自己也能够修改Linux源代码，写出适合自己硬件的Linux系统。不仅如此，我还希望能够将自己的代码开源，分享给更多的人。完善Linux内核，让它变得更快更方便是博主的最终目标。博主会继续学习，然后把知识更好的分享给大家！