Linux教程

正点原子-Linux资料学习笔记-系统移植篇-Linux内核启动流程

本文主要是介绍正点原子-Linux资料学习笔记-系统移植篇-Linux内核启动流程,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

目录

1.链接脚本vmlinux.lds

2.Linux内核启动流程分析

    1)Linux内核入口stext

    2)__mmap_switched函数

    3)start_kernel函数

    4)rest_init函数

    5)init进程


1.链接脚本vmlinux.lds

      要分析Linux启动流程,同样需要先编译一下Linux源码,因为有很多文件是需要编译才会生成

      的。首先分析Linux内核的连接脚本文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds,通过链接脚本可以找到

      Linux内核的第一行程序是从哪里执行的。vmlinux.lds中有如下代码:

492 OUTPUT_ARCH(arm)
493 ENTRY(stext)
494 jiffies = jiffies_64;
495 SECTIONS
496 {
497 /*
498 * XXX: The linker does not define how output sections are
499 * assigned to input sections when there are multiple statements
500 * matching the same input section name. There is no documented
501 * order of matching.
502 *
503 * unwind exit sections must be discarded before the rest of the
504 * unwind sections get included.
505 */
506 	/DISCARD/ : {
507 	*(.ARM.exidx.exit.text)
508 	*(.ARM.extab.exit.text)
509
......
645 }

    第493行的ENTRY指明了了Linux内核入口,入口为stext,stext定义在文件

arch/arm/kernel/head.S中,因此要分析Linux内核的启动流程,就得先从文件

arch/arm/kernel/head.S的stext处开始分析。

2.Linux内核启动流程分析

    1)Linux内核入口stext

               stext是Linux内核的入口地址,在文件arch/arm/kernel/head.S中有如下所示提示内容:

/*
* Kernel startup entry point.
* ---------------------------
*
* This is normally called from the decompressor code. The requirements
* are: MMU = off, D-cache = off, I-cache = dont care, r0 = 0,
* r1 = machine nr, r2 = atags or dtb pointer.
.....
*/

                根据以上代码的注释,Linux内核启动之前要求如下:

                 1、关闭MMU。

                 2、关闭D-cache。

                 3、I-Cache无所谓。

                 4、r0=0。

                 5、r1=machinenr(也就是机器ID)。

                 6、r2=atags或者设备树(dtb)首地址。

                 Linux内核的入口点stext其实相当于内核的入口函数,stext函数内容如下:

80 ENTRY(stext)
......
91 		@ ensure svc mode and all interrupts masked
92 		safe_svcmode_maskall r9
93
94 		mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id
95 		bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid
96 		movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)?
97 		THUMB( it eq ) @ force fixup-able long branch encoding
98 		beq __error_p @ yes, error 'p'
99
......
107
108 #ifndef CONFIG_XIP_KERNEL
......
113 #else
114 	ldr r8, =PLAT_PHYS_OFFSET @ always constant in this case
115 #endif
116
117 /*
118 * r1 = machine no, r2 = atags or dtb,
119 * r8 = phys_offset, r9 = cpuid, r10 = procinfo
120 */
121 	bl __vet_atags
......
128 	bl __create_page_tables
129
130 /*
131 * The following calls CPU specific code in a position independent
132 * manner. See arch/arm/mm/proc-*.S for details. r10 = base of
133 * xxx_proc_info structure selected by __lookup_processor_type
134 * above. On return, the CPU will be ready for the MMU to be
135 * turned on, and r0 will hold the CPU control register value.
136 */
137 	ldr r13, =__mmap_switched @ address to jump to after
138 		@ mmu has been enabled
139 	adr lr, BSYM(1f) @ return (PIC) address
140 	mov r8, r4 @ set TTBR1 to swapper_pg_dir
141 	ldr r12, [r10, #PROCINFO_INITFUNC]
142 	add r12, r12, r10
143 	ret r12
144 	1: b __enable_mmu
145 ENDPROC(stext)

               第92行,调用函数safe_svcmode_maskall确保CPU处于SVC模式,并且关闭了所有的中

               断。safe_svcmode_maskall定义在文件arch/arm/include/asm/assembler.h中。

               第94行,读处理器ID,ID值保存在r9寄存器中。

               第95行,调用函数__lookup_processor_type检查当前系统是否支持此CPU,如果支持的

               就获取procinfo信息。procinfo是proc_info_list类型的结构体,proc_info_list在文件

               arch/arm/include/asm/procinfo.h中的定义如下:

struct proc_info_list {
	unsigned int cpu_val;
	unsigned int cpu_mask;
	unsigned long __cpu_mm_mmu_flags; /* used by head.S */
	unsigned long __cpu_io_mmu_flags; /* used by head.S */
	unsigned long __cpu_flush; /* used by head.S */
	const char *arch_name;
	const char *elf_name;
	unsigned int elf_hwcap;
	const char *cpu_name;
	struct processor *proc;
	struct cpu_tlb_fns *tlb;
	struct cpu_user_fns *user;
	struct cpu_cache_fns *cache;
};

                Linux内核将每种处理器都抽象为一个proc_info_list结构体,每种处理器都对应一个

                procinfo。因此可以通过处理器ID来找到对应的procinfo结构,__lookup_processor_type

                函数找到对应处理器的procinfo以后会将其保存到r5寄存器中。

                 继续回到以上代码中,第121行,调用函数__vet_atags验证atags或设备树(dtb)的合法

                 性。函数__vet_atags定义在文件arch/arm/kernel/head-common.S中。

                 第128行,调用函数__create_page_tables创建页表。

                 第137行,将函数__mmap_switched的地址保存到r13寄存器中。__mmap_switched定

                 义在文件arch/arm/kernel/head-common.S,__mmap_switched最终会调用start_kernel

                 函数。

                 第144行,调用__enable_mmu函数使能MMU,__enable_mmu定义在文件

                 arch/arm/kernel/head.S中。__enable_mmu最终会通过调用__turn_mmu_on来打开

                 MMU,__turn_mmu_on最后会执行r13里面保存的__mmap_switched函数。

    2)__mmap_switched函数

               __mmap_switched函数定义在文件arch/arm/kernel/head-common.S中,函数代码如下:

81 __mmap_switched:
82 		adr r3, __mmap_switched_data
83
84 		ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7}
85 		cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed
86 		1: cmpne r5, r6
87 		ldrne fp, [r4], #4
88 		strne fp, [r5], #4
89 		bne 1b
90
91 		mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp)
92 		1: cmp r6, r7
93 		strcc fp, [r6],#4
94 		bcc 1b
95
96 		ARM( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, sp})
97 		THUMB( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7} )
98 		THUMB( ldr sp, [r3, #16] )
99 		str r9, [r4] @ Save processor ID
100 	str r1, [r5] @ Save machine type
101 	str r2, [r6] @ Save atags pointer
102 	cmp r7, #0
103 	strne r0, [r7] @ Save control register values
104 	b start_kernel
105 	ENDPROC(__mmap_switched)

               第104行最终调用start_kernel来启动Linux内核,start_kernel函数定义在文件init/main.c

               中。

    3)start_kernel函数

               start_kernel通过调用众多的子函数来完成Linux启动之前的一些初始化工作,由于

               start_kernel函数里面调用的子函数太多,而这些子函数又很复杂,因此我们简单的来看

               一下一些重要的子函数。

               start_kernel里面调用了大量的函数,每一个函数都是一个庞大的知识点,如果想要学习

               Linux内核,那么这些函数就需要去详细的研究。本教程注重于嵌入式Linux入门,因此不

               会去讲太多关于Linux内核的知识。start_kernel函数最后调用了rest_init,接下来简单看

                一下rest_init函数。

    4)rest_init函数

               rest_init函数定义在文件init/main.c中,函数内容如下:

383 static noinline void __init_refok rest_init(void)
384 {
385 	int pid;
386
387 	rcu_scheduler_starting();
388 	smpboot_thread_init();
389 /*
390 * We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however
391 * the init task will end up wanting to create kthreads, which,
392 * if we schedule it before we create kthreadd, will OOPS.
393 */
394 	kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
395 	numa_default_policy();
396 	pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
397 	rcu_read_lock();
398 	kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
399 	rcu_read_unlock();
400 	complete(&kthreadd_done);
401
402 /*
403 * The boot idle thread must execute schedule()
404 * at least once to get things moving:
405 */
406 	init_idle_bootup_task(current);
407 	schedule_preempt_disabled();
408 /* Call into cpu_idle with preempt disabled */
409 	cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
410 }

                第387行,调用函数rcu_scheduler_starting,启动RCU锁调度器。

                第394行,调用函数kernel_thread创建kernel_init进程,也就是大名鼎鼎的init内核进

                程。init进程的PID为1。init进程一开始是内核进程(也就是运行在内核态),后面init进程

                会在根文件系统中查找名为“init”这个程序,这个“init”程序处于用户态,通过运行这个

                “init”程序,init进程就会实现从内核态到用户态的转变。

                第396行,调用函数kernel_thread创建kthreadd内核进程,此内核进程的PID为2。

                 kthreadd进程负责所有内核进程的调度和管理。

                 第409行,最后调用函数cpu_startup_entry来进入idle进程,cpu_startup_entry会调用

                 cpu_idle_loop,cpu_idle_loop是个while循环,也就是idle进程代码。idle进程的PID为

                 0,idle进程叫做空闲进程,如果学过FreeRTOS或者UCOS的话应该听说过空闲任务。

                 idle空闲进程就和空闲任务一样,当CPU没有事情做的时候就在idle空闲进程里面“瞎逛

                 游”,反正就是给CPU找点事做。当其他进程要工作的时候就会抢占idle进程,从而夺取

                 CPU使用权。其实大家应该可以看到idle进程并没有使用kernel_thread或者fork函数来

                 创建,因为它是有主进程演变而来的。

                 在Linux终端中输入“ps -A”就可以打印出当前系统中的所有进程,其中就能看到init进

                 程kthreadd进程,如图1所示:

图1 Linux系统当前进程

                从图1可以看出,init进程的PID为1,kthreadd进程的PID为2。之所以图1中没有显示PID

                为0的idle进程,那是因为idle进程是内核进程。我们接下来重点看一下init进程,

                kernel_init就是init进程的进程函数。

    5)init进程

               kernel_init函数就是init进程具体做的工作,定义在文件init/main.c中,函数内容如下:

928 static int __ref kernel_init(void *unused)
929 {
930 	int ret;
931
932 	kernel_init_freeable(); /* init 进程的一些其他初始化工作 */
933 /* need to finish all async __init code before freeing the memory */
934 	async_synchronize_full(); /* 等待所有的异步调用执行完成 */
935 	free_initmem(); /* 释放 init 段内存 */
936 	mark_rodata_ro();
937 	system_state = SYSTEM_RUNNING; /* 标记系统正在运行 */
938 	numa_default_policy();
939
940 	flush_delayed_fput();
941
942 	if (ramdisk_execute_command) {
943 		ret = run_init_process(ramdisk_execute_command);
944 		if (!ret)
945 			return 0;
946 		pr_err("Failed to execute %s (error %d)\n",
947 		ramdisk_execute_command, ret);
948 	}
949
950 /*
951 * We try each of these until one succeeds.
952 *
953 * The Bourne shell can be used instead of init if we are
954 * trying to recover a really broken machine.
955 */
956 	if (execute_command) {
957 		ret = run_init_process(execute_command);
958 	if (!ret)
959 		return 0;
960 	panic("Requested init %s failed (error %d).",
961 	execute_command, ret);
962 	}

963 	if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") ||
964 		!try_to_run_init_process("/etc/init") ||
965 		!try_to_run_init_process("/bin/init") ||
966 		!try_to_run_init_process("/bin/sh"))
967 		return 0;
968
969 	panic("No working init found. Try passing init= option to kernel. "
970 			"See Linux Documentation/init.txt for guidance.");
971 }

                第932行,kernel_init_freeable函数用于完成init进程的一些其他初始化工作,稍后再来具

                体看一下此函数。

                第940行,ramdisk_execute_command是一个全局的char指针变量,此变量值为“/init”,

                也就是根目录下的init程序。ramdisk_execute_command也可以通过uboot传递,在

                bootargs中使用“rdinit=xxx”即可,xxx为具体的init程序名字。

                第943行,如果存在“/init”程序的话就通过函数run_init_process来运行此程序。

                第956行,如果ramdisk_execute_command为空的话就看execute_command是否为空,

                反正不管如何一定要在根文件系统中找到一个可运行的init程序。execute_command的

                值是通过uboot传递,在bootargs中使用“init=xxxx”就可以了,比如“init=/linuxrc”表示根文

                件系统中的linuxrc就是要执行的用户空间init程序。

                第963~966行,如果ramdisk_execute_command和execute_command都为空,那么就

                依次查找“/sbin/init”、“/etc/init”、“/bin/init”和“/bin/sh”,这四个相当于备用init程序,如果

                这四个也不存在,那么Linux启动失败!第969行,如果以上步骤都没有找到用户空间的

                init程序,那么就提示错误发生!最后来简单看一下kernel_init_freeable函数,前面说

                了,kernel_init会调用此函数来做一些init进程初始化工作。kernel_init_freeable定义在文

                件init/main.c中,缩减后的函数内容如下:

973 static noinline void __init kernel_init_freeable(void)
974 {
975 /*
976 * Wait until kthreadd is all set-up.
977 */
978 	wait_for_completion(&kthreadd_done);/* 等待 kthreadd 进程准备就绪 */
......
998
999 	smp_init(); /* SMP 初始化 */
1000 	sched_init_smp(); /* 多核(SMP)调度初始化 */
1001
1002 	do_basic_setup(); /* 设备初始化都在此函数中完成 */
1003
1004 /* Open the /dev/console on the rootfs, this should never fail */
1005 	if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) <
0)
1006 	pr_err("Warning: unable to open an initial console.\n");
1007
1008 	(void) sys_dup(0);
1009 	(void) sys_dup(0);
1010 /*
1011 * check if there is an early userspace init. If yes, let it do
1012 * all the work
1013 */
1014
1015 	if (!ramdisk_execute_command)
1016 		ramdisk_execute_command = "/init";
1017
1018 	if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {
1019 		ramdisk_execute_command = NULL;
1020 		prepare_namespace();
1021 	}
1022
1023 /*
1024 * Ok, we have completed the initial bootup, and
1025 * we're essentially up and running. Get rid of the
1026 * initmem segments and start the user-mode stuff..
1027 *
1028 * rootfs is available now, try loading the public keys
1029 * and default modules
1030 */
1031
1032 	integrity_load_keys();
1033 	load_default_modules();
1034 }

                第1002行,do_basic_setup函数用于完成Linux下设备驱动初始化工作!非常重要。

                do_basic_setup会调用driver_init函数完成Linux下驱动模型子系统的初始化。

                第1005行,打开设备“/dev/console”,在Linux中一切皆为文件!因此“/dev/console”也是

                 一个文件,此文件为控制台设备。每个文件都有一个文件描述符,此处打开的

                 “/dev/console”文件描述符为0,作为标准输入(0)。

                 第1008和1009行,sys_dup函数将标准输入(0)的文件描述符复制了2次,一个作为标准

                 输出(1),一个作为标准错误(2)。这样标准输入、输出、错误都是/dev/console了。

                 console通过uboot的bootargs环境变量设置,“console=ttymxc0,115200”表示

                 将/dev/ttymxc0设置为console,也就是I.MX6U的串口1。当然,也可以设置其他的设备

                 为console,比如虚拟控制台tty1,设置tty1为console就可以在LCD屏幕上看到系统的提

                 示信息。

                 第1020行,调用函数prepare_namespace来挂载根文件系统。跟文件系统也是由命令行

                 参数指定的,也就是uboot的bootargs环境变量。比如“root=/dev/mmcblk1p2rootwaitrw”

                 就表示根文件系统在/dev/mmcblk1p2中,也就是EMMC的分区2中。

                 Linux内核启动流程就分析到这里,Linux内核最终是需要和根文件系统打交道的,需要

                 挂载根文件系统,并且执行根文件系统中的init程序,以此来进去用户态。这里就正式引

                 出了根文件系统,根文件系统也是我们系统移植的最后一片拼图。Linux移植三巨头:

                  uboot、Linux kernel、rootfs(根文件系统)。

                 关于根文件系统后面章节会详细的讲解,这里我们只需要知道Linux内核移植完成以后还

                  需要构建根文件系统即可。

 

 

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