kernel(二)源码浅析

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title: kernel(二)源码浅析

tags: linux

date: 2018-11-08 18:02:34

kernel(二)源码浅析

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• title: kernel(二)源码浅析tags: linuxdate: 2018-11-08 18:02:34

建立工程

1. 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
   lib
   
   mach-s3c2410
   mach-s3c2440
   plat-s3c24xx
   
   mm
   nwfpe
   oprofile
   tools
   vfp
   

2. 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-xxx
   
   include/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启动通过theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params);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:

1. 处理uboot传入的参数
2. 挂接根文件系统
3. 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 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

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 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

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_end

adr	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, r0
	mcr	p15, 0, r0, c1, c0, 0		@ write control reg
	mrc	p15, 0, r3, c0, c0, 0		@ read id reg
	mov	r3, r3
	mov	r3, r3
	mov	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_kernel
	setup_arch			//解析uboot传入的参数，只是先存起来字符串
	setup_command_line	//只是先存起来字符串
	parse_args
		do_early_param
			从__setup_start 中调用early函数
	unknown_bootoption
		obsolete_checksetup
			从__setup_start 中调用非early函数 段属性
	rest_init
		kernel_init
			prepare_namespace
				mount_root	//根文件系统，
               init_post	// 执行应用程序

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tags

  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,
 };

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_init
		kernel_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_checksetup
  do_early_param

static 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