嵌入式Linux2.6内核启动流程).doc

Linux内核构成
（国嵌)
Linux/arch/arm/boot/compressed/head.s
1．解压缩
2．初始化
3．启动应用程序
1 arch/arm/boot/compressed/Makefile arch/arm/boot/compressed/vmlinux。lds
2。 arch/arm/kernel/vmlinux。lds
Linux内核启动流程
(国嵌）
arch/arm/boot/compressed/start。S（head。s-负责解压缩)
Start：
。type start，＃function
。rept 8
mov r0， r0
。endr
b 1f
。word 0x016f2818 @ Magic numbers to help the loader
。word start ＠ absolute load/run zImage address
.word _edata @ zImage end address
1： mov r7, r1 ＠ save architecture ID
mov r8， r2 ＠ save atags pointer
这也标志着u—boot将系统完全的交给了OS,bootloader生命终止.之后代码在133行会读取cpsr并判断是否处理器处于supervisor模式——从u—boot进入kernel，系统已经处于SVC32模式;而利用angel进入则处于user模式,还需要额外两条指令。之后是再次确认中断关闭，并完成cpsr写入
mrs r2, cpsr ＠ get current mode
tst r2, ＃3 @ not user?
bne not_angel
mov r0, ＃0x17 ＠ angel_SWIreason_EnterSVC
swi 0x123456 ＠ angel_SWI_ARM
not_angel：
mrs r2， cpsr ＠ turn off interrupts to
orr r2, r2, ＃0xc0 ＠ prevent angel from running
msr cpsr_c， r2
然后在LC0地址处将分段信息导入r0—r6、ip、sp等寄存器,并检查代码是否运行在与链接时相同的目标地址，以决定是否进行处理。由于现在很少有人不使用loader和tags,将zImage烧写到rom直接从0x0位置执行,所以这个处理是必须的（但是zImage的头现在也保留了不用loader也可启动的能力）。arm架构下自解压头一般是链接在0x0地址而被加载到0x30008000运行,所以要修正这个变化。涉及到
r5寄存器存放的zImage基地址
r6和r12(即ip寄存器)存放的got（global offset table）
r2和r3存放的bss段起止地址
sp栈指针地址
很简单，这些寄存器统统被加上一个你也能猜到的偏移地址 0x30008000。该地址是s3c2410相关的,其他的ARM处理器可以参考下表
PXA2xx是0xa0008000
IXP2x00和IXP4xx是0x00008000
Freescale i.MX31/37是0x80008000
TI davinci DM64xx是0x80008000
TI omap系列是0x80008000
AT91RM/SAM92xx系列是0x20008000
Cirrus EP93xx是0x00008000
这些操作发生在代码172行开始的地方，下面只粘贴一部分
add r5, r5, r0
add r6, r6, r0
add ip, ip， r0
后面在211行进行bss段的清零工作
not_relocated: mov r0, #0
1： str r0， ［r2]， #4 ＠ clear bss
str r0， [r2], ＃4
str r0， [r2], #4
str r0， [r2］， #4
cmp r2， r3
blo 1b
然后224行，打开cache，并为后面解压缩设置64KB的临时malloc空间
bl cache_on
mov r1， sp @ malloc space above stack
add r2, sp, #0x10000 ＠ 64k max 接下来238行进行检查,确定内核解压缩后的Image目标地址是否会覆盖到zImage头，如果是则准备将zImage头转移到解压出来的内核后面
cmp r4， r2
bhs wont_overwrite
sub r3, sp， r5 ＠ > compressed kernel size
add r0， r4， r3， lsl ＃2 ＠ allow for 4x expansion
cmp r0， r5
bls wont_overwrite
mov r5， r2 ＠ decompress after malloc space
mov r0， r5
mov r3， r7
bl decompress_kernel
真实情况——在大多数的应用中,内核编译都会把压缩的zImage和非压缩的Image链接到同样的地址,s3c2410平台下即是0x30008000。这样做的好处是，人们不用关心内核是Image还是zImage,放到这个位置执行就OK，所以在解压缩后zImage头必须为真正的内核让路。
在250行解压完毕,内核长度返回值存放在r0寄存器里。在内核末尾空出128字节的栈空间用，并且使其长度128字节对齐。
add r0, r0, #127 + 128 ＠ alignment + stack
bic r0， r0, ＃127 @ align the kernel length
算出搬移代码的参数：计算内核末尾地址并存放于r1寄存器，需要搬移代码原来地址放在r2,需要搬移的长度放在r3。然后执行搬移，并设置好sp指针指向新的栈（原来的栈也会被内核覆盖掉)
add r1, r5， r0 ＠ end of decompressed kernel
adr r2， reloc_start
ldr r3, LC1
add r3, r2, r3
1： ldmia r2!， ｛r9 — r14｝ ＠ copy relocation code
stmia r1!， ｛r9 — r14｝
ldmia r2！, {r9 — r14}
stmia r1！, {r9 - r14｝
cmp r2, r3
blo 1b
add sp, r1， #128 @ relocate the stack
搬移完成后刷新cache,因为代码地址变化了不能让cache再命中被内核覆盖的老地址。然后跳转到新的地址继续执行
bl cache_clean_flush
add pc, r5, r0 ＠ call relocation code
注意——zImage在解压后的搬移和跳转会给gdb调试内核带来麻烦。因为用来调试的符号表是在编译是生成的，并不知道以后会被搬移到何处去,只有在内核解压缩完成之后，根据计算出来的参数“告诉”调试器这个变化。以撰写本文时使用的zImage为例，内核自解压头重定向后，reloc_start地址由0x30008360变为0x30533e60。故我们要把vmlinux的符号表也相应的从0x30008000后移到0x30533b00开始，这样gdb就可以正确的对应源代码和机器指令。
随着头部代码移动到新的位置，不会再和内核的目标地址冲突，可以开始内核自身的搬移了。此时r0寄存器存放的是内核长度（严格的说是长度外加128Byte的栈)，r4存放的是内核的目的地址0x30008000，r5是目前内核存放地址，r6是CPU ID，r7是machine ID,r8是atags地址。代码从501行开始
reloc_start: add r9, r5， r0
sub r9, r9, ＃128 @ do not copy the stack
debug_reloc_start
mov r1， r4
1：
。rept 4
ldmia r5！, {r0, r2, r3， r10 - r14｝ ＠ relocate kernel
stmia r1！, ｛r0， r2， r3, r10 - r14}
.endr
cmp r5, r9
blo 1b
add sp， r1, #128 @ relocate the stack
接下来在516行清除并关闭cache，清零r0，将machine ID存入r1，atags指针存入r2，再跳入0x30008000执行真正的内核Image
call_kernel： bl cache_clean_flush
bl cache_off
mov r0， ＃0 ＠ must be zero
mov r1， r7 @ restore architecture number
mov r2， r8 @ restore atags pointer
mov pc， r4 ＠ call kernel
内核代码入口在arch/arm/kernel/head。S文件的83行.首先进入SVC32模式,并查询CPU ID，检查合法性
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’
接着在87行进一步查询machine ID并检查合法性
bl __lookup_machine_type ＠ r5=machinfo
movs r8， r5 @ invalid machine （r5=0）?
beq __error_a @ yes， error ’a'
其中__lookup_processor_type在linux—2。6。24—moko—linuxbj/arch/arm/kernel/head-common.S文件的149行，该函数首将标号3的实际地址加载到r3,然后将编译时生成的__proc_info_begin虚拟地址载入到r5,__proc_info_end虚拟地址载入到r6，标号3的虚拟地址载入到r7。由于adr伪指令和标号3的使用，以及__proc_info_begin等符号在linux—2.6.24—moko-linuxbj/arch/arm/kernel/vmlinux.lds而不是代码中被定义，此处代码不是非常直观，想弄清楚代码缘由的读者请耐心阅读这两个文件和adr伪指令的说明.
r3和r7分别存储的是同一位置标号3的物理地址（由于没有启用mmu，所以当前肯定是物理地址）和虚拟地址，所以儿者相减即得到虚拟地址和物理地址之间的offset。利用此offset,将r5和r6中保存的虚拟地址转变为物理地址
__lookup_processor_type：
adr r3， 3f
ldmda r3， {r5 — r7｝
sub r3， r3， r7 @ get offset between virt＆phys
add r5， r5， r3 @ convert virt addresses to
add r6, r6, r3 ＠ physical address space
然后从proc_info中读出内核编译时写入的processor ID和之前从cpsr中读到的processor ID对比，查看代码和CPU硬件是否匹配（想在arm920t上运行为cortex-a8编译的内核？不让！）。如果编译了多种处理器支持，如versatile板，则会循环每种type依次检验，如果硬件读出的ID在内核中找不到匹配，则r5置0返回
1： ldmia r5， ｛r3， r4｝ ＠ value， mask
and r4， r4， r9 @ mask wanted bits
teq r3， r4
beq 2f
add r5， r5， ＃PROC_INFO_SZ ＠ sizeof（proc_info_list)
cmp r5, r6
blo 1b
mov r5， ＃0 ＠ unknown processor
2： mov pc， lr
__lookup_machine_type在linux-2.6。24—moko—linuxbj/arch/arm/kernel/head—common.S文件的197行，编码方法与检查processor ID完全一样，请参考前段
__lookup_machine_type：
adr r3, 3b
ldmia r3, ｛r4， r5， r6}
sub r3， r3， r4 ＠ get offset between virt＆phys
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
代码回到head。S第92行,检查atags合法性,然后创建初始页表
bl __vet_atags
bl __create_page_tables
创建页表的代码在218行,首先将内核起始地址—0x4000到内核起始地址之间的16K存储器清0
__create_page_tables:
pgtbl r4 ＠ page table address
/＊
* Clear the 16K level 1 swapper page table
＊/
mov r0, r4
mov r3， ＃0
add r6, r0， #0x4000
1： str r3， [r0]， ＃4
str r3， ［r0]， #4
str r3, ［r0］, ＃4
str r3， [r0］, #4
teq r0， r6
bne 1b
然后在234行将proc_info中的mmu_flags加载到r7
ldr r7， ［r10， ＃PROCINFO_MM_MMUFLAGS］ @ mm_mmuflags在242行将PC指针右移20位,得到内核第一个1MB空间的段地址存入r6,在s3c2410平台该值是0x300。接着根据此值存入映射标识
mov r6， pc, lsr ＃20 ＠ start of kernel section
orr r3, r7， r6， lsl #20 @ flags + kernel base
str r3， ［r4， r6， lsl ＃2] ＠ identity mapping
完成页表设置后回到102行，为打开虚拟地址映射作准备。设置sp指针,函数返回地址lr指向__enable_mmu，并跳转到linux—2。6。24—moko—linuxbj/arch/arm/mm/proc—arm920。S的386行，清除I—cache、D—cache、write buffer和TLB
__arm920_setup：
mov r0, ＃0
mcr p15， 0， r0， c7， c7 @ invalidate I，D caches on v4
mcr p15， 0， r0， c7， c10， 4 ＠ drain write buffer on v4
＃ifdef CONFIG_MMU
mcr p15， 0， r0, c8, c7 ＠ invalidate I，D TLBs on v4
＃endif然后返回head.S的158行,加载domain和页表,跳转到__turn_mmu_on
__enable_mmu：
＃ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP
orr r0， r0, #CR_A
＃else
bic r0, r0， ＃CR_A
＃endif
#ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE
bic r0， r0, ＃CR_C
＃endif
＃ifdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLE
bic r0, r0， #CR_Z
#endif
＃ifdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE
bic r0， r0， ＃CR_I
＃endif
mov r5, ＃(domain_val(DOMAIN_USER, DOMAIN_MANAGER） ｜ \
domain_val（DOMAIN_KERNEL, DOMAIN_MANAGER） ｜ \
domain_val(DOMAIN_TABLE， DOMAIN_MANAGER） ｜ \
domain_val(DOMAIN_IO， DOMAIN_CLIENT）)
mcr p15, 0, r5, c3, c0， 0 @ load domain access register
mcr p15， 0, r4， c2, c0， 0 @ load page table pointer
b __turn_mmu_on在194行把mmu使能位写入mmu，激活虚拟地址。然后将原来保存在sp中的地址载入pc，跳转到head-common。S的__mmap_switched,至此代码进入虚拟地址的世界
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
在head-common。S的37行开始清除内核bss段，processor ID保存在r9，machine ID报存在r1,atags地址保存在r2,并将控制寄存器保存到r7定义的内存地址。接下来跳入linux—2.6。24-moko-linuxbj/init/main。c的507行,start_kernel函数.这里只粘贴部分代码(第一个C语言函数，作一系列的初始化)
__mmap_switched:
adr r3， __switch_data + 4
ldmia r3！， ｛r4， r5， r6, r7｝
cmp r4， r5 ＠ Copy data segment if needed
1： cmpne r5, r6
ldrne fp， ［r4], #4
strne fp， [r5］, ＃4
bne 1b
asmlinkage void __init start_kernel（void）
{
char ＊ command_line；
extern struct kernel_param __start___param[], __stop___param［］；
smp_setup_processor_id（）；
/＊
＊ Need to run as early as possible, to initialize the
＊ lockdep hash：
＊/
lockdep_init()；
debug_objects_early_init（）；
cgroup_init_early（）;
local_irq_disable（）；
early_boot_irqs_off（)；
early_init_irq_lock_class(）；
/*
＊ Interrupts are still disabled。 Do necessary setups, then
* enable them
＊/
lock_kernel（)；
tick_init（);
boot_cpu_init（）;
page_address_init（);
printk(KERN_NOTICE）；
printk（linux_banner）；
setup_arch（＆command_line）；
mm_init_owner(＆init_mm， ＆init_task）；
setup_command_line(command_line)；
setup_per_cpu_areas（）；
setup_nr_cpu_ids（）;
smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot—cpu hooks ＊/
/＊
＊ 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（）；
/＊
* Disable preemption — early bootup scheduling is extremely
＊ fragile until we cpu_idle(） for the first time。
*/
preempt_disable(）；
build_all_zonelists（）；
page_alloc_init（）;
printk(KERN_NOTICE "Kernel command line： ％s\n”， boot_command_line);
parse_early_param();
parse_args(”Booting kernel”, static_command_line， __start___param，
__stop___param - __start___param,
＆unknown_bootoption)；
if （！irqs_disabled(）） {
printk（KERN_WARNING ”start_kernel()： bug： interrupts were "
”enabled ＊very＊ early， fixing it\n"）；
local_irq_disable（）;
｝
sort_main_extable（）；
trap_init（）；
rcu_init(）；
/* init some links before init_ISA_irqs（） ＊/
early_irq_init（）；
init_IRQ(）；
pidhash_init(）；
init_timers（)；
hrtimers_init（）；
softirq_init（);
timekeeping_init（）；
time_init()；
sched_clock_init（)；
profile_init(）；
if (!irqs_disabled(）)
printk（KERN_CRIT "start_kernel（）： bug： interrupts were ”
”enabled early\n”）；
early_boot_irqs_on（）；
local_irq_enable(）；
/*
* 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(）;
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
vmalloc_init(）；
vfs_caches_init_early(）；
cpuset_init_early(）；
page_cgroup_init（）；
mem_init（）；
enable_debug_pagealloc（）；
cpu_hotplug_init（）;
kmem_cache_init（);
debug_objects_mem_init(）；
idr_init_cache（);
setup_per_cpu_pageset(）;
numa_policy_init（）；
if （late_time_init)
late_time_init()；
calibrate_delay（）；
pidmap_init(）；
pgtable_cache_init（）；
prio_tree_init(）；
anon_vma_init(）；
＃ifdef CONFIG_X86
if （efi_enabled）
efi_enter_virtual_mode（)；
#endif
thread_info_cache_init（）；
cred_init（）；
fork_init（num_physpages)；
proc_caches_init（）；
buffer_init（）;
key_init()；
security_init(）;
vfs_caches_init(num_physpages）；
radix_tree_init(）;
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 ＊/
ftrace_init（）；
/＊ Do the rest non—__init’ed， we're now alive */
rest_init(）;
}
tatic noinline void __init_refok rest_init（void)
__releases(kernel_lock)
{
int pid;
kernel_thread（kernel_init, NULL， CLONE_FS ｜ CLONE_SIGHAND);
numa_default_policy（）；
pid = kernel_thread（kthreadd， NULL， CLONE_FS | CLONE_FILES）；
kthreadd_task = find_task_by_pid_ns（pid, ＆init_pid_ns）;
unlock_kernel（）;
/＊
* The boot idle thread must execute schedule（)
* at least once to get things moving:
*/
init_idle_bootup_task（current);
rcu_scheduler_starting(）；
preempt_enable_no_resched(）；
schedule();
preempt_disable（）;
/＊ Call into cpu_idle with preempt disabled ＊/
cpu_idle（）；
｝
static noinline int init_post（void)
｛
/＊ need to finish all async __init code before freeing the memory ＊/
async_synchronize_full（）;
free_initmem（)；
unlock_kernel（）；
mark_rodata_ro（）；
system_state = SYSTEM_RUNNING；
numa_default_policy(）;
if （sys_open（（con