20169211《Linux内核原理与分析》第三周作业

假期中抽时间学习了一下linux内核的启动过程，在此做一下学习总结。

Linux启动过程描述：

1、启动BootLoader

2、Linux系统的初始化

3、Linux的应用程序的初始化

通用寄存器的作用

• r0 ：在函数开始时使用

• r1 ：存放堆栈指针，相当于ia32架构中的esp寄存器

• r2 ：存放当前进程的描述符的地址

• r3 ：存放第一个参数和返回地址

• r4-r10 ：存放函数的参数

• r11 ：用在指针的调用和当前一些语言的环境指针

• r12 ：用于存放异常处理

• r13 ：保留做为系统线程ID

• r14-r31 ：作为本地变量，具有非易失性

Linux启动过程描述:

第一步：使用BootLoader（一般是U-boot）加载Linux内核映像到内存，并负责目标系统的基本初始化过程，并搜集这个系统的基本信息，比如内存大小、处理器主频、外设的使用情况等一系列信息。然后把这些信息传递给linux内核。然后Boot loader把linux内核复制到从0x0000 0000 开始的物理内存处（虚拟地址一般为0xc000 0000处）开始执行。

从文件\arch\powerpc\boot\zImage.lds中可以看出，bootstraploader的入口为_zimage_start。在代码arch\powerpc\boot\crt0.S中

D:\virtual_machine\share_folder\linux-2.6.23\arch\powerpc\boot\zImage.lds中定义的入口地址为4MB，见下面:

SECTIONS{. = (410241024);_start = .;.text:

进入linux内核：从vmlinux.lds看到，内核入口为_stext，通过段.text.head 将代码定位到0xc0000000处。

在代码arch/powerpc/kernel/head_32.S中_stext之后紧接着是_start，他们之间没有代码，他们表示相同的地址。在vmlinux.lds中将.text.head规划为.text的第一个字段（保证了地址定位到0xc0000000）。

第二步：Linux系统的初始化。

1、 bootstraploader 过程

注意：需要知道从uboot跳到此处时，r3寄存器的内容，以及其他register的内容。如果运行地址和链接地址不同，则修正got表中各个函数的指针，清零BSS段调用platform_init()，保存bd到__res，初始化ppc_md（ppc module）中的各个函数。调用arch\powerpc\boot\main.c中的start()。

在start()中：

• 1.1将命令行拷贝到cmdline中
• 1.2调用open函数打开串口
• 1.3解压缩kernel代码
• 1.4解压缩ramdisk image
• 1.5最终初始化设备树
• 1.6跳到内核代码中执行

有两个调用语句，应该是运行了语句：kentry(ft_addr, 0, NULL); need confirm

2、 进入linux内核入口：arch/powerpc/kernel/head_32.S中的_start。

• 2.1 early_init() ，arch/powerpc/kernel/setup_32.c中

       计算运行地址和链接地址的差值。根据cpu型号调用do_feature_fixups函数来对__ftr_fixup段进行修复处理。例如若HIDO寄存器的HIGH_BAT_EN位置位，另外的4组寄存器 IBATs (4–7) 和 4组 DBATs (4-7) 将会被激活，ftr_fixup段中对这8组寄存器进行初始化的代码就会生效；否则__ftr_fixup中的这段代码就会被nop指令所替！early_init()函数调用identify_cpu()函数，通过cpu中的pvr寄存器存放的CPU核的版本号在全局数组cpu_specs中寻找到当前cpu的详细信息，identify_cpu()函数在找到之后，会调用setup_cpu_spec()函数把上述cpu的信息所在的链接地址赋值给cur_cpu_spec变量。

• 2.2 mmu_off() 关闭mmu
• 2.3 flush_tlbs() 从TLB中移除页表
• 2.4 call_setup_cpu()：call_setup_cpu()位于misc_32.S文件中
• 2.5 relocate_kernel()：把内核代码拷贝到链接地址指向的位置
• 2.6 turn_on_mmu()：映射了256MB内存，就可以避免调用reloc_offset()函数来显式得把虚拟地址映射到物理地址!
• 2.7跳到start_here()函数中运行，可以认为是真正内核开始运行。。。

3、start_kernel

本阶段也是有0号线程init_task中调用的，将完成Linux内核核心数据结构的初始化，最终创建1号线程kernel_init，最后由1号内核线程启动1号用户进程。需要后续确认。

4、 rest_init()函数。

• 4.1 调用kernel_thread()创建1号内核线程。

• 4.2 调用kernel_thread()创建kthreadd内核线程。尚不明作用。

• 4.3 init_idle_bootup_task()：当前0号进程init_task最终会退化成idle进程，所以这里调用init_idle_bootup_task()函数，让init_task进程隶属到idle调度类中。即选择idle的调度相关函数。

• 4.4 调用schedule()函数切换当前进程，在调用该函数之前，Linux系统中只有两个进程，即0号进程init_task和1号进程kernel_init，其中kernel_init进程也是刚刚被创建的。调用该函数后，1号进程kernel_init将会运行！

• 4.5 调用cpu_idle()，0号线程进入idle函数的循环，在该循环中会周期性地检查。

5、kernel_init 1号线程初始化

主要包括三方面：

第一：引导SMP系统中的其它CPU(即AP(Aplication Processor))

第二：调用do_basic_setup()函数，完成Linux系统其它模块的初始化；

第三：更换核心进程kernel_init为普通进程之后，完成对Linux系统的二次引导，即对Linux系统应用程序的引导！

• 5.1设置当前1号线程所允许的BSP(即core 0)在cpu_all_mask中的对应bit位

• 5.2 init_pid_ns.child_reaper = current; 设置1号线程回收orphan 线程。1号进程在Linux系统中相当于一个收容所，专门用于处理那些孤儿进程。

• 5.3 smp_prepare_cpus(setup_max_cpus)该函数的作用是首先探测我们的目标系统中有多少个CPU，该函数为每个CPU创建一个idle进程。

• 5.4 smp_init()是我们的linux-smp映像中启动另外一个核的最重要的代码，该函数主要是引导SMP系统中的AP，该函数会依次调用:smp_init()-> cpu_up()-> _cpu_up()-> __cpu_up()-> smp_ops-> kick_cpu(kick_cpu是一个函数指针，指向smp_86xx_kick_cpu，故会执行smp_86xx_kick_cpu()函数)smp_86xx_kick_cpu()-> smp_86xx_release_core()-> __secondary_start_mpc86xx()-> __secondary_start()来启动core 1，并调用set_cpu_online()函数将次CPU加入到cpu_online_map变量中,用以向主CPU通知该次CPU已经被激活。

• 5.5 sched_init_smp()该函数的作用，有待遇进一步的分析！

• 5.6 do_basic_setup()：到目前为止，内核已经初始化了，memory管理和process scheduler 已经开始运行。但尚未注册设备。在本函数中将初始化workqueue，初始化device drivers，初始化中断处理，最后调用do_initcalls()进行静态安装所有模块，其中包括驱动人员最关心的用device_initcall声明的设备模块的安装。

• 5.7 调用init_post()创建用户模式1号进程。

第三步：Linux的应用程序的初始化。

       1号kernel_init进程完成linux的各项配置(包括启动AP)后，就会在/sbin,/etc,/bin寻找init程序来运行。该init程序会替换kernel_init进程（注意：并不是创建一个新的进程来运行init程序，而是一次变身，使用sys_execve函数改变核心进程的正文段，将核心进程kernel_init转换成用户进程init），此时处于内核态的1号kernel_init进程将会转换为用户空间内的1号进程init。户进程init将根据/etc/inittab中提供的信息完成应用程序的初始化调用。然后init进程会执行/bin/sh产生shell界面提供给用户来与Linux系统进行交互。

调用init_post()创建用户模式1号进程。

在init_post()中最终调用下面的任何一个入口（按顺序，第一个执行成功后将不返回）

   if (execute_command) {
          run_init_process(execute_command);
          printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s.  Attempting "
                               "defaults...\n", execute_command);
   }
   run_init_process("/sbin/init");
   run_init_process("/etc/init");
   run_init_process("/bin/init");
   run_init_process("/bin/sh");