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.s1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。lds2。 arch/arm/kernel/vmlinux。ldsLinux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 8mov r0， r0 。endr b 1f。word 0x016f2818 Magic numbers to help the loader 。word start absolute load/run zImage address .word _edata zImage end address1： mov r7, r1 save architecture IDmov r8， r2 save atags pointer这也标志着uboot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uboot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 modetst r2, 3 not user? bne not_angel mov r0, 0x17 angel_SWIreason_EnterSVC swi 0x123456 angel_SWI_ARMnot_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r0r6、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, #01： str r0， r2， #4 clear bss str r0， r2, 4 str r0， r2, #4 str r0， r2， #4 cmp r2， r3blo 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， r5bls wont_overwrite mov r5， r2 decompress after malloc spacemov r0， r5 mov r3， r7bl 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 kerneladr r2， reloc_start ldr r3, LC1 add r3, r2, r31： ldmia r2!， r9 r14 copy relocation code stmia r1!， r9 r14 ldmia r2！, r9 r14 stmia r1！, r9 - r14 cmp r2, r3blo 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， r41： 。rept 4 ldmia r5！, r0, r2, r3， r10 - r14 relocate kernel stmia r1！, r0， r2， r3, r10 - r14 .endr cmp r5, r9 blo 1badd 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Imagecall_kernel： bl cache_clean_flush bl cache_off mov r0， 0 must be zeromov r1， r7 restore architecture number mov r2， r8 restore atags pointermov 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 idbl _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linux2。6。24mokolinuxbj/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linux2.6.24moko-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 virtphys 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：ldmiar5， r3， r4 value， maskandr4， r4， r9 mask wanted bitsteqr3， r4beq2faddr5， r5， PROC_INFO_SZ sizeof（proc_info_list)cmpr5, r6blo1bmovr5， 0 unknown processor2：movpc， lr _lookup_machine_type在linux-2.6。24mokolinuxbj/arch/arm/kernel/headcommon.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：adrr3, 3bldmiar3, r4， r5， r6subr3， r3， r4 get offset between virtphysaddr5, r5， r3 convert virt addresses toaddr6， r6, r3 physical address space1:ldrr3, r5， MACHINFO_TYPE get machine typeteqr3, r1 matches loader number？beq2f foundaddr5, r5， SIZEOF_MACHINE_DESC next machine_desccmpr5， r6blo1bmovr5, 0 unknown machine2：movpc， 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_atagsbl_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:pgtblr4 page table address/ * Clear the 16K level 1 swapper page table/movr0, r4movr3， 0addr6, r0， #0x40001：strr3， r0， 4strr3， r0， #4strr3, r0, 4strr3， r0, #4teqr0， r6bne1b然后在234行将proc_info中的mmu_flags加载到r7ldrr7， 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movr6， pc, lsr 20 start of kernel sectionorrr3, r7， r6， lsl #20 flags + kernel basestrr3， 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linux2。6。24mokolinuxbj/arch/arm/mm/procarm920。S的386行，清除Icache、Dcache、write buffer和TLB_arm920_setup：movr0, 0mcrp15， 0， r0， c7， c7 invalidate I，D caches on v4mcrp15， 0， r0， c7， c10， 4 drain write buffer on v4ifdef CONFIG_MMUmcrp15， 0， r0, c8, c7 invalidate I，D TLBs on v4endif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_TRAPorrr0， r0, #CR_Aelsebicr0, r0， CR_Aendif#ifdef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLEbicr0， r0, CR_Cendififdef CONFIG_CPU_BPREDICT_DISABLEbicr0, r0， #CR_Z#endififdef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLEbicr0， r0， CR_Iendifmovr5, (domain_val(DOMAIN_USER, DOMAIN_MANAGER） domain_val（DOMAIN_KERNEL, DOMAIN_MANAGER） domain_val(DOMAIN_TABLE， DOMAIN_MANAGER） domain_val(DOMAIN_IO， DOMAIN_CLIENT）)mcrp15, 0, r5, c3, c0， 0 load domain access registermcrp15， 0, r4， c2, c0， 0 load page table pointerb_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movr0, r0mcrp15, 0, r0， c1, c0， 0 write control regmrcp15， 0， r3， c0, c0， 0 read id regmovr3， r3movr3， r3movpc， 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linux2.6。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:adrr3， _switch_data + 4ldmiar3！， r4， r5， r6, r7cmpr4， r5 Copy data segment if needed1：cmpner5, r6ldrnefp， r4, #4strnefp， r5, 4bne1basmlinkage 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 bootcpu 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： sn”， 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 itn）；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 earlyn”）；early_boot_irqs_on（）；local_irq_enable(）；/* * HACK ALERT！ This is early. Were enabling the console before weve 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 selftest hard/softirqs on/off lock inversion bugs * too： /locking_selftest(）；#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRDif （initrd_start & !initrd_below_start_ok & page_to_pfn（virt_to_page（(void *）initrd_start) min_low_pfn) printk（KERN_CRIT ”initrd overwritten （0x08lx 0x08lx） ” ”disabling it。n”， page_to_pfn（virt_to_page(（void *)initrd_start）， min_low_pfn);initrd_start = 0；endifvmalloc_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_X86if （efi_enabled）efi_enter_virtual_mode（)；#endifthread_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_FSproc_root_init（)；#endifcgroup_init（）；cpuset_init(）;taskstats_init_early（)；delayacct_init（)；check_bugs（）;acpi_early_init(); / before LAPIC and SMP init /ftrace_init（）；/ Do the rest non_inited， were 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