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
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
程和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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