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九鼎创展x4412&ibox项目实战-Linux内核的引导

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本文转自xboot.org
linux的启动框架如下:
linux的内核映像文件zImage本身是一个压缩的文件,在arch/arm/boot/Makefile中,我们可以找到如下语句:
  • $(obj)/zImage:     $(obj)/compressed/vmlinux FORCE
  •          $(call if_changed,objcopy)
  •          @echo '  Kernel: $@ is ready'

[color=rgb(51, 102, 153) !important]复制代码

       可见,zImage是由arch\arm\boot\compressed\vmlinux二进制文件转化而来。在arch/arm/boot/compressed/Makefile中,有如下语句:
  • $(obj)/vmlinux: $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/$(HEAD) $(obj)/piggy.$(suffix_y).o \
  •                  $(addprefix $(obj)/, $(OBJS)) $(lib1funcs) FORCE
  •          $(call if_changed,ld)
  • $(obj)/piggy.$(suffix_y): $(obj)/../Image FORCE
  •          $(call if_changed,$(suffix_y))
  • $(obj)/piggy.$(suffix_y).o:  $(obj)/piggy.$(suffix_y) FORCE

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       由此可以分析得知,zImage是由vmlinux.ldshead.omisc.o以及压缩的内核piggy.gzip.o组成。也就是说,zImage文件即包含了未压缩部分,如head.o,misc.o,也包含了压缩的部分,如piggy.gzip.o。那么,zImage的程序入口在哪里呢?
       arch\arm\boot\compressed\vmlinux.lds中,可以看到其框架如下:
  • OUTPUT_ARCH(arm)
  • ENTRY(_start)
  • SECTIONS
  • {
  • ……
  •   . = 0;
  •   _text = .;
  •   .text : {
  •     _start = .;
  •     *(.start)
  •     *(.text)
  •     *(.text.*)
  •     *(.fixup)
  •     *(.gnu.warning)
  •     *(.rodata)
  •     *(.rodata.*)
  •     *(.glue_7)
  •     *(.glue_7t)
  •     *(.piggydata)
  •     . = ALIGN(4);
  •   }
  • ……
  • }

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       可以看出,其入口点为_start,程序arch\arm\boot\compressed\head.S会首先被执行,在head.S中,程序执行了一堆准备工作后,开始调用misc.c中的decompress_kernel函数,开始解压内核。其函数如下:
  • void
  • decompress_kernel(unsigned long output_start, unsigned long free_mem_ptr_p,
  •                    unsigned long free_mem_ptr_end_p,
  •                    int arch_id)
  • {
  •          int ret;
  •          output_data                   = (unsigned char *)output_start;
  •          free_mem_ptr               = free_mem_ptr_p;
  •          free_mem_end_ptr        = free_mem_ptr_end_p;
  •          __machine_arch_type   = arch_id;
  •          arch_decomp_setup();
  •          putstr("Uncompressing Linux...");
  •          ret = do_decompress(input_data, input_data_end - input_data,
  •                                 output_data, error);
  •          if (ret)
  •                    error("decompressor returned an error");
  •          else
  •                    putstr(" done, booting the kernel.\n");
  • }

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       这里有几句经典的打印信息:
  • Uncompressing Linux... done, booting the kernel.

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       执行完这个后,程序将会跳到init/main.c中,执行经典的start_kernel函数。start_kernel()会调用一系列初始化函数来设置中断,执行进一步的内存配置等,其函数原型如下:
  • asmlinkage void __init start_kernel(void)
  • {
  •          char * command_line;
  •          extern const struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];
  •          smp_setup_processor_id();//返回启动的CPU的ID号,如为单核则什么也不做
  •          /*
  •           * Need to run as early as possible, to initialize the
  •           * lockdep hash:
  •           */
  •          lockdep_init();
  •          debug_objects_early_init();
  •          /*
  •           * Set up the the initial canary ASAP:
  •           */
  •          boot_init_stack_canary();
  •          cgroup_init_early();
  •          local_irq_disable();//关闭当前CPU的中断
  •          early_boot_irqs_disabled = true;
  • /*
  • * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
  • * enable them
  • */
  •          tick_init();
  •          boot_cpu_init();
  •          page_address_init();//初始化页地址,使用链表将其链接起来
  •          printk(KERN_NOTICE "%s", linux_banner);//打印内核版本信息
  •          setup_arch(&command_line);//设置体系结构,由内核根目录的Makefile决定
  •          mm_init_owner(&init_mm, &init_task);
  •          mm_init_cpumask(&init_mm);
  •          setup_command_line(command_line);
  •          setup_nr_cpu_ids();
  •          setup_per_cpu_areas();
  •          smp_prepare_boot_cpu();      /* arch-specific boot-cpu hooks */
  •          build_all_zonelists(NULL);
  •          page_alloc_init();
  •          printk(KERN_NOTICE "Kernel command line: %s\n", boot_command_line);//打印命令行信息
  •          parse_early_param();//解析内核选项
  •          parse_args("Booting kernel", static_command_line, __start___param,
  •                       __stop___param - __start___param,
  •                       &unknown_bootoption);
  •          /*
  •           * These use large bootmem allocations and must precede
  •           * kmem_cache_init()
  •           */
  •          setup_log_buf(0);
  •          pidhash_init();
  •          vfs_caches_init_early();
  •          sort_main_extable();
  •          trap_init();
  •          mm_init();
  •          /*
  •           * Set up the scheduler prior starting any interrupts (such as the
  •           * timer interrupt). Full topology setup happens at smp_init()
  •           * time - but meanwhile we still have a functioning scheduler.
  •           */
  •          sched_init();//进程调度器初始化
  •          /*
  •           * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely
  •           * fragile until we cpu_idle() for the first time.
  •           */
  •          preempt_disable();//禁止内核抢占
  •          if (!irqs_disabled()) {//检查中断是否已经打开,如果已经打开,则关闭中断
  •                    printk(KERN_WARNING "start_kernel(): bug: interrupts were "
  •                                      "enabled *very* early, fixing it\n");
  •                    local_irq_disable();
  •          }
  •          idr_init_cache();
  •          perf_event_init();
  •          rcu_init();//初始化RCU(Read-Copy Update)机制
  •          radix_tree_init();
  •          /* init some links before init_ISA_irqs() */
  •          early_irq_init();
  •          init_IRQ();//中断向量初始化
  •          prio_tree_init();
  •          init_timers();//初始化定时器相关的数据结构
  •          hrtimers_init();//对高精度时钟进行初始化
  •          softirq_init();//初始化tasklet_softirq和hi_softirq
  •          timekeeping_init();
  •          time_init();//初始化系统时钟源
  •          profile_init();//对内核的profile(一个内核性能调式工具)功能进行初始化
  •          call_function_init();
  •          if (!irqs_disabled())
  •                    printk(KERN_CRIT "start_kernel(): bug: interrupts were "
  •                                       "enabled early\n");
  •          early_boot_irqs_disabled = false;
  •          local_irq_enable();
  •          /* Interrupts are enabled now so all GFP allocations are safe. */
  •          gfp_allowed_mask = __GFP_BITS_MASK;
  •          kmem_cache_init_late();
  •          /*
  •           * HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before
  •           * we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of
  •           * this. But we do want output early, in case something goes wrong.
  •           */
  •          console_init();// 初始化控制台以显示printk的内容,在此之前调用的printk只是把数据存到缓冲区里
  •          if (panic_later)
  •                    panic(panic_later, panic_param);
  •          lockdep_info();
  •          /*
  •           * Need to run this when irqs are enabled, because it wants
  •           * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs
  •           * too:
  •           */
  •          locking_selftest();
  • #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
  •          if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&
  •              page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) {
  •                    printk(KERN_CRIT "initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - "
  •                        "disabling it.\n",
  •                        page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),
  •                        min_low_pfn);
  •                    initrd_start = 0;
  •          }
  • #endif
  •          page_cgroup_init();
  •          enable_debug_pagealloc();
  •          debug_objects_mem_init();
  •          kmemleak_init();
  •          setup_per_cpu_pageset();
  •          numa_policy_init();
  •          if (late_time_init)
  •                    late_time_init();
  •          sched_clock_init();
  •          calibrate_delay();
  •          pidmap_init();
  •          anon_vma_init();
  • #ifdef CONFIG_X86
  •          if (efi_enabled)
  •                    efi_enter_virtual_mode();
  • #endif
  •          thread_info_cache_init();
  •          cred_init();
  •          fork_init(totalram_pages);
  •          proc_caches_init();
  •          buffer_init();
  •          key_init();
  •          security_init();
  •          dbg_late_init();
  •          vfs_caches_init(totalram_pages);//虚拟文件系统的初始化
  •          signals_init();
  •          /* rootfs populating might need page-writeback */
  •          page_writeback_init();
  • #ifdef CONFIG_PROC_FS
  •          proc_root_init();
  • #endif
  •          cgroup_init();
  •          cpuset_init();
  •          taskstats_init_early();
  •          delayacct_init();
  •          check_bugs();
  •          acpi_early_init(); /* before LAPIC and SMP init */
  •          sfi_init_late();
  •          ftrace_init();
  •          /* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
  •          rest_init();
  • }

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       start_kernel函数大致执行任务如下:
输出Linux版本信息,设置与体系结构相关的环境,页表结构初始化,初始化系统IRQ,核心进程调度器初始化,时间、定时器初始化,提取并分析核心启动参数,控制台初始化,剖析器数据结构初始化,核心Cache初始化,延迟校准,内存初始化,创建文件,目录cache,创建与虚拟内存相关的cache,块设备读写缓冲区初始化,创建页cache,创建信号队列cache,初始化内存inode表,创建内存文件描述符表,检查体系结构,SMP机器除引导CPU之外的CPU初始化,创建第一个核心线程,调用init函数,调用cpu_idle()等待调度。
作为核心线程的init()函数完成外设及其驱动程序的加载和初始化,挂接根文件系统。init()打开/dev/console设备,重定向stdin、stdout和stderr到控制台。之后,它搜索文件系统中的init程序(也可以由“init=”命令行参数指定init程序),并使用execve()系统调用执行init程序。搜索init程序的顺序为/sbin/init、/etc/init、/bin/init 和/bin/sh。在嵌入式系统中,多数情况下,可以给内核传入一个简单的shell脚本来启动必需的嵌入式应用程序。
至此,漫长的 Linux 内核引导和启动过程就结束了,而init()对应的由start_kernel()创建的第一个线程也进入用户模式。

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