linux2.6启动流程分析.doc

linux 2.6 启动流程分析

linux2.6 启动传递命令行分析
内核在启动时可以传递一个字符串命令行，来控制内核启动的过程，例如：
"console=ttyS2,115200 mem=64M@0xA0000000"
这里指定了控制台是串口2，波特率是115200，内存大小是64M，物理基地址是0xA0000000。
另外我们可以在内核中定义一些全局变量，使用这些全局变量控制内核的配置，例如usb驱动中定义了
static int nousb; /* Disable USB when built into kernel image */
这个变量为1，则整个usb驱动不初始化，如果想将其置1，可在字符串命令行中添加nousb=1。
在操作该变量之前，还要让系统知道该变量，方法是：
__module_param_call("",nousb,param_set_bool,param_get_bool,&nousb,0444);
__module_param_call这个宏定义在kernel\include\linux\moduleparam.h
原型如下：
#define __module_param_call(prefix, name, set, get, arg, perm)   \
static char __param_str_##name[] = prefix #name;   \
static struct kernel_param const __param_##name    \
__attribute_used__       \
     __attribute__ ((unused,__section__ ("__param"),aligned(sizeof(void *)))) \
= { __param_str_##name, perm, set, get, arg }
它定义了一个kernel_param类型的变量，这个变量被放到了段__param，
kernel_param结构体的定义是：
struct kernel_param {
const char *name;
unsigned int perm;
param_set_fn set;
param_get_fn get;
void *arg;
};
__param这个段的声明有些平台是在arch/../../vmlinux.lds.S，而大多数平台是放到
kernel\include\asm-generic\vmlinux.lds.h中，定义如下：
__param : AT(ADDR(__param) - LOAD_OFFSET) {    \
   VMLINUX_SYMBOL(__start___param) = .;    \
   *(__param)       \
   VMLINUX_SYMBOL(__stop___param) = .;    \
}
内核启动时就会对字符串命令进行解析，在kernel\init\main.c中，内核启动函数start_kernel中
对外部数组进行了声明：
extern struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];
然后调用函数parse_args对数组进行解析：
parse_args("Booting kernel", command_line, __start___param,
      __stop___param - __start___param,
      &unknown_bootoption);
其中command_line就是要解析的字符串命令行，unknown_bootoption是函数指针，它用来获取指定参数的=右边的值。
parse_args就会在数组中找到和nousb名称一样的kernel_param变量，并调用它的set函数对其进行付值。
内核启动地址的确定
内核编译链接过程是依靠vmlinux.lds文件，以arm为例vmlinux.lds文件位于kernel/arch/arm/vmlinux.lds，
但是该文件是由vmlinux-armv.lds.in生成的，根据编译选项的不同源文件还可以是vmlinux-armo.lds.in，
vmlinux-armv-xip.lds.in。
vmlinux-armv.lds的生成过程在kernel/arch/arm/Makefile中
LD      = arch/arm/vmlinux-armv.lds.in
arch/arm/vmlinux.lds: arch/arm/Makefile $(LD) \
$(wildcard include/config/cpu/32.h) \
$(wildcard include/config/cpu/26.h) \
$(wildcard include/config/arch/*.h)
@echo '   Generating $@'
@sed 's/TEXTADDR/$(TEXTADDR)/;s/DATAADDR/$(DATAADDR)/' $(LD) >$@
vmlinux-armv.lds.in文件的内容：
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(stext)
SECTIONS
{
     . = TEXTADDR;
     .init : {            /* Init code and data        */
         _stext = .;
         __init_begin = .;
             *(.text.init)
         __proc_info_begin = .;
             *(.proc.info)
         __proc_info_end = .;
         __arch_info_begin = .;
             *(.arch.info)
         __arch_info_end = .;
         __tagtable_begin = .;
             *(.taglist)
         __tagtable_end = .;
             *(.data.init)
         . = ALIGN(16);
         __setup_start = .;
             *(.setup.init)
         __setup_end = .;
         __initcall_start = .;
             *(.initcall.init)
         __initcall_end = .;
         . = ALIGN(4096);
         __init_end = .;
     }

其中TEXTADDR就是内核启动的虚拟地址，定义在kernel/arch/arm/Makefile中：
ifeq ($(CONFIG_CPU_32),y)
PROCESSOR     = armv
TEXTADDR      = 0xC0008000
LD      = arch/arm/vmlinux-armv.lds.in
endif
需要注意的是这里是虚拟地址而不是物理地址。
一般情况下都在生成vmlinux后，再对内核进行压缩成为zImage，压缩的目录是kernel/arch/arm/boot。
下载到flash中的是压缩后的zImage文件，zImage是由压缩后的vmlinux和解压缩程序组成，如下图所示：
             |-----------------|\     |-----------------|
             |                  | \    |                  |
             |                  |   \   | decompress code |
             |   vmlinux        |    \ |-----------------|     zImage
             |                  |     \|                  |
             |                  |      |                  |
             |                  |      |                  |    
             |                  |      |                  |
             |                  |     /|-----------------|
             |                  |    /
             |                  |   /
             |                  | /
             |-----------------|/

zImage链接脚本也叫做vmlinux.lds，位于kernel/arch/arm/boot/compressed。
是由同一目录下的vmlinux.lds.in文件生成的，内容如下：
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
    . = LOAD_ADDR;
    _load_addr = .;
    . = TEXT_START;
    _text = .;
    .text : {
      _start = .;

其中LOAD_ADDR就是zImage中解压缩代码的ram偏移地址，TEXT_START是内核ram启动的偏移地址，这个地址是物理地址。
在kernel/arch/arm/boot/Makefile文件中定义了：
ZTEXTADDR    =0
ZRELADDR      = 0xa0008000
ZTEXTADDR就是解压缩代码的ram偏移地址，ZRELADDR是内核ram启动的偏移地址，这里看到指定ZTEXTADDR的地址为0，
明显是不正确的，因为我的平台上的ram起始地址是0xa0000000，在Makefile文件中看到了对该地址设置的几行注释：
# We now have a PIC decompressor implementation.   Decompressors running
# from RAM should not define ZTEXTADDR.   Decompressors running directly
# from ROM or Flash must define ZTEXTADDR (preferably via the config)
他的意识是如果是在ram中进行解压缩时，不用指定它在ram中的运行地址，如果是在flash中就必须指定他的地址。所以
这里将ZTEXTADDR指定为0，也就是没有真正指定地址。
在kernel/arch/arm/boot/compressed/Makefile文件有一行脚本：
SEDFLAGS     = s/TEXT_START/$(ZTEXTADDR)/;s/LOAD_ADDR/$(ZRELADDR)/;s/BSS_START/$(ZBSSADDR)/
使得TEXT_START = ZTEXTADDR，LOAD_ADDR = ZRELADDR。
这样vmlinux.lds的生成过程如下：
vmlinux.lds:     vmlinux.lds.in Makefile $(TOPDIR)/arch/$(ARCH)/boot/Makefile $(TOPDIR)/.config
@sed "$(SEDFLAGS)" < vmlinux.lds.in > $@
以上就是我对内核启动地址的分析，总结一下内核启动地址的设置：
1、设置kernel/arch/arm/Makefile文件中的
    TEXTADDR      = 0xC0008000
    内核启动的虚拟地址
2、设置kernel/arch/arm/boot/Makefile文件中的
    ZRELADDR      = 0xa0008000
    内核启动的物理地址
    如果需要从flash中启动还需要设置
    ZTEXTADDR地址。
内核解压缩过程
内核压缩和解压缩代码都在目录kernel/arch/arm/boot/compressed，
编译完成后将产生vmlinux、head.o、misc.o、head-xscale.o、piggy.o这几个文件，
head.o是内核的头部文件，负责初始设置；
misc.o将主要负责内核的解压工作，它在head.o之后；
head-xscale.o文件主要针对Xscale的初始化，将在链接时与head.o合并；
piggy.o是一个中间文件，其实是一个压缩的内核(kernel/vmlinux)，只不过没有和初始化文件及解压文件链接而已；
vmlinux是(没有－－lw：zImage是压缩过的内核)压缩过的内核，就是由piggy.o、head.o、misc.o、head-xscale.o组成的。
在BootLoader完成系统的引导以后并将Linux内核调入内存之后，调用bootLinux()，
这个函数将跳转到kernel的起始位置。如果kernel没有压缩，就可以启动了。
如果kernel压缩过，则要进行解压，在压缩过的kernel头部有解压程序。
压缩过得kernel入口第一个文件源码位置在arch/arm/boot/compressed/head.S。
它将调用函数decompress_kernel()，这个函数在文件arch/arm/boot/compressed/misc.c中，
decompress_kernel()又调用proc_decomp_setup(),arch_decomp_setup()进行设置，
然后使用在打印出信息“Uncompressing Linux...”后，调用gunzip()。将内核放于指定的位置。
以下分析head.S文件：
(1)对于各种Arm CPU的DEBUG输出设定，通过定义宏来统一操作。
(2)设置kernel开始和结束地址，保存architecture ID。
(3)如果在ARM2以上的CPU中，用的是普通用户模式，则升到超级用户模式，然后关中断。
(4)分析LC0结构delta offset，判断是否需要重载内核地址(r0存入偏移量，判断r0是否为零)。
    这里是否需要重载内核地址，我以为主要分析arch/arm/boot/Makefile、arch/arm/boot/compressed/Makefile
    和arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds.in三个文件，主要看vmlinux.lds.in链接文件的主要段的位置，
    LOAD_ADDR(_load_addr)＝0xA0008000，而对于TEXT_START(_text、_start)的位置只设为0，BSS_START(__bss_start)＝ALIGN(4)。
    对于这样的结果依赖于，对内核解压的运行方式，也就是说，内核解压前是在内存(RAM)中还是在FLASH上，
    因为这里，我们的BOOTLOADER将压缩内核(zImage)移到了RAM的0xA0008000位置，我们的压缩内核是在内存(RAM)从0xA0008000地址开始顺序排列，
    因此我们的r0获得的偏移量是载入地址(0xA0008000)。接下来的工作是要把内核镜像的相对地址转化为内存的物理地址，即重载内核地址。
(5)需要重载内核地址，将r0的偏移量加到BSS region和GOT table中。
(6)清空bss堆栈空间r2－r3。
(7)建立C程序运行需要的缓存，并赋于64K的栈空间。
(8)这时r2是缓存的结束地址，r4是kernel的最后执行地址，r5是kernel境象文件的开始地址。检查是否地址有冲突。
    将r5等于r2，使decompress后的kernel地址就在64K的栈之后。
(9)调用文件misc.c的函数decompress_kernel()，解压内核于缓存结束的地方(r2地址之后)。此时各寄存器值有如下变化：
    r0为解压后kernel的大小
    r4为kernel执行时的地址
    r5为解压后kernel的起始地址
    r6为CPU类型值(processor ID)
    r7为系统类型值(architecture ID)
(10)将reloc_start代码拷贝之kernel之后(r5+r0之后)，首先清除缓存，而后执行reloc_start。
(11)reloc_start将r5开始的kernel重载于r4地址处。
(12)清除cache内容，关闭cache，将r7中architecture ID赋于r1，执行r4开始的kernel代码。
下面简单介绍一下解压缩过程，也就是函数decompress_kernel实现的功能：
解压缩代码位于kernel/lib/inflate.c，inflate.c是从gzip源程序中分离出来的。包含了一些对全局数据的直接引用。
在使用时需要直接嵌入到代码中。gzip压缩文件时总是在前32K字节的范围内寻找重复的字符串进行编码，
在解压时需要一个至少为32K字节的解压缓冲区，它定义为window[WSIZE]。inflate.c使用get_byte()读取输入文件，
它被定义成宏来提高效率。输入缓冲区指针必须定义为inptr，inflate.c中对之有减量操作。inflate.c调用flush_window()
来输出window缓冲区中的解压出的字节串，每次输出长度用outcnt变量表示。在flush_window()中，还必
须对输出字节串计算CRC并且刷新crc变量。在调用gunzip()开始解压之前，调用makecrc()初始化CRC计算表。
最后gunzip()返回0表示解压成功。
我们在内核启动的开始都会看到这样的输出：
Uncompressing Linux...done, booting the kernel.
这也是由decompress_kernel函数内部输出的，它调用了puts()输出字符串，
puts是在kernel/include/asm-arm/arch-pxa/uncompress.h中实现的。
执行完解压过程，再返回到head.S中，启动内核：
call_kernel:     bl   cache_clean_flush
          bl   cache_off
          mov r0, #0
          mov r1, r7           @ restore architecture number
          mov pc, r4           @ call kernel

下面就开始真正的内核了。
汇编部分(1)
在网上参考很多高手的文章，又加入了自己的一点儿内容，整理了一下，里面还有很多不明白的地方，而且也会有理解错误的地方，望高手指点，自己也会不断进行修改
当进入linux内核后,arch/arm/kernel/head-armv.S是内核最先执行的一个文件，包括从内核入口ENTRY(stext)到
start_kernel之间的初始化代码，下面以我所是用的平台intel pxa270为例，说明一下他的汇编代码：
1     .section ".text.init",#alloc,＃e xecinstr
2     .type    stext, #
/* 内核入口点 */
3 ENTRY(stext)
4     mov r12, r0
/* 程序状态，禁止FIQ、IRQ，设定SVC模式 */    
5      mov r0, #F_BIT | I_BIT | MODE_SVC    @ make sure svc mode
6     msr cpsr_c, r0           @ and all irqs disabled
/* 判断CPU类型，查找运行的CPU ID值与Linux编译支持的ID值是否支持 */
7     bl   __lookup_processor_type
/* 判断如果r10的值为0，则表示函数执行错误，跳转到出错处理，*/
/* 出错处理函数__error的实现代码定义在debug-armv.S中，这里就不再作过多介绍了 */
8     teq r10, #0              @ invalid processor?
9     moveq    r0, #'p'             @ yes, error 'p'
10    beq __error
/* 判断体系类型，查看R1寄存器的Architecture Type值是否支持 */
11    bl   __lookup_architecture_type
/* 判断如果r7的值为0，则表示函数执行错误，跳转到出错处理，*/
12    teq r7, #0               @ invalid architecture?
13    moveq    r0, #'a'             @ yes, error 'a'
14    beq __error
/* 创建核心页表 */
15    bl   __create_page_tables
16    adr lr, __ret            @ return address
17    add pc, r10, #12             @ initialise processor
                               @ (return control reg)

第5行，准备进入SVC工作模式，同时关闭中断(I_BIT)和快速中断(F_BIT)
第7行，查看处理器类型，主要是为了得到处理器的ID以及页表的flags。
第11行，查看一些体系结构的信息。
第15行，建立页表。
第17行，跳转到处理器的初始化函数，其函数地址是从__lookup_processor_type中得到的，
需要注意的是第16行，当处理器初始化完成后，会直接跳转到__ret去执行，
这是由于初始化函数最后的语句是mov pc, lr。