x4412&ibox项目实战7－Linux内核的引导

armeasy

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：

1. $(obj)/zImage:     $(obj)/compressed/vmlinux FORCE
   
2.          $(call if_changed,objcopy)
   
3.          @echo '  Kernel: $@ is ready'

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       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：

1. $(obj)/vmlinux: $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/$(HEAD) $(obj)/piggy.$(suffix_y).o \
   
2.                  $(addprefix $(obj)/, $(OBJS)) $(lib1funcs) FORCE
   
3.          $(call if_changed,ld)
   
4. 
   
5. $(obj)/piggy.$(suffix_y): $(obj)/../Image FORCE
   
6.          $(call if_changed,$(suffix_y))
   
7. 
   
8. $(obj)/piggy.$(suffix_y).o:  $(obj)/piggy.$(suffix_y) FORCE

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       由此可以分析得知，zImage是由vmlinux.lds，head.o，misc.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？

       在arch\arm\boot\compressed\vmlinux.lds中，可以看到其框架如下：

1. OUTPUT_ARCH(arm)
   
2. ENTRY(_start)
   
3. SECTIONS
   
4. {
   
5. ……
   
6.   . = 0;
   
7.   _text = .;
   
8. 
   
9.   .text : {
   
10.     _start = .;
    
11.     *(.start)
    
12.     *(.text)
    
13.     *(.text.*)
    
14.     *(.fixup)
    
15.     *(.gnu.warning)
    
16.     *(.rodata)
    
17.     *(.rodata.*)
    
18.     *(.glue_7)
    
19.     *(.glue_7t)
    
20.     *(.piggydata)
    
21.     . = ALIGN(4);
    
22.   }
    
23. ……
    
24. }

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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：

1. void
   
2. decompress_kernel(unsigned long output_start, unsigned long free_mem_ptr_p,
   
3.                    unsigned long free_mem_ptr_end_p,
   
4.                    int arch_id)
   
5. {
   
6.          int ret;
   
7. 
   
8.          output_data                   = (unsigned char *)output_start;
   
9.          free_mem_ptr               = free_mem_ptr_p;
   
10.          free_mem_end_ptr        = free_mem_ptr_end_p;
    
11.          __machine_arch_type   = arch_id;
    
12. 
    
13.          arch_decomp_setup();
    
14. 
    
15.          putstr("Uncompressing Linux...");
    
16.          ret = do_decompress(input_data, input_data_end - input_data,
    
17.                                 output_data, error);
    
18.          if (ret)
    
19.                    error("decompressor returned an error");
    
20.          else
    
21.                    putstr(" done, booting the kernel.\n");
    
22. }

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       这里有几句经典的打印信息：

1. 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：

1. asmlinkage void __init start_kernel(void)
   
2. {
   
3.          char * command_line;
   
4.          extern const struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];
   
5. 
   
6.          smp_setup_processor_id();//返回启动的CPU的ID号，如为单核则什么也不做
   
7. 
   
8.          /*
   
9.           * Need to run as early as possible, to initialize the
   
10.           * lockdep hash:
    
11.           */
    
12.          lockdep_init();
    
13.          debug_objects_early_init();
    
14. 
    
15.          /*
    
16.           * Set up the the initial canary ASAP:
    
17.           */
    
18.          boot_init_stack_canary();
    
19. 
    
20.          cgroup_init_early();
    
21. 
    
22.          local_irq_disable();//关闭当前CPU的中断
    
23.          early_boot_irqs_disabled = true;
    
24. 
    
25. /*
    
26. * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
    
27. * enable them
    
28. */
    
29.          tick_init();
    
30.          boot_cpu_init();
    
31.          page_address_init();//初始化页地址，使用链表将其链接起来
    
32.          printk(KERN_NOTICE "%s", linux_banner);//打印内核版本信息
    
33.          setup_arch(&command_line);//设置体系结构，由内核根目录的Makefile决定
    
34.          mm_init_owner(&init_mm, &init_task);
    
35.          mm_init_cpumask(&init_mm);
    
36.          setup_command_line(command_line);
    
37.          setup_nr_cpu_ids();
    
38.          setup_per_cpu_areas();
    
39.          smp_prepare_boot_cpu();      /* arch-specific boot-cpu hooks */
    
40. 
    
41.          build_all_zonelists(NULL);
    
42.          page_alloc_init();
    
43. 
    
44.          printk(KERN_NOTICE "Kernel command line: %s\n", boot_command_line);//打印命令行信息
    
45.          parse_early_param();//解析内核选项
    
46.          parse_args("Booting kernel", static_command_line, __start___param,
    
47.                       __stop___param - __start___param,
    
48.                       &unknown_bootoption);
    
49.          /*
    
50.           * These use large bootmem allocations and must precede
    
51.           * kmem_cache_init()
    
52.           */
    
53.          setup_log_buf(0);
    
54.          pidhash_init();
    
55.          vfs_caches_init_early();
    
56.          sort_main_extable();
    
57.          trap_init();
    
58.          mm_init();
    
59. 
    
60.          /*
    
61.           * Set up the scheduler prior starting any interrupts (such as the
    
62.           * timer interrupt). Full topology setup happens at smp_init()
    
63.           * time - but meanwhile we still have a functioning scheduler.
    
64.           */
    
65.          sched_init();//进程调度器初始化
    
66.          /*
    
67.           * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely
    
68.           * fragile until we cpu_idle() for the first time.
    
69.           */
    
70.          preempt_disable();//禁止内核抢占
    
71.          if (!irqs_disabled()) {//检查中断是否已经打开，如果已经打开，则关闭中断
    
72.                    printk(KERN_WARNING "start_kernel(): bug: interrupts were "
    
73.                                      "enabled *very* early, fixing it\n");
    
74.                    local_irq_disable();
    
75.          }
    
76.          idr_init_cache();
    
77.          perf_event_init();
    
78.          rcu_init();//初始化RCU(Read-Copy Update)机制
    
79.          radix_tree_init();
    
80.          /* init some links before init_ISA_irqs() */
    
81.          early_irq_init();
    
82.          init_IRQ();//中断向量初始化
    
83.          prio_tree_init();
    
84.          init_timers();//初始化定时器相关的数据结构
    
85.          hrtimers_init();//对高精度时钟进行初始化
    
86.          softirq_init();//初始化tasklet_softirq和hi_softirq
    
87.          timekeeping_init();
    
88.          time_init();//初始化系统时钟源
    
89.          profile_init();//对内核的profile（一个内核性能调式工具）功能进行初始化
    
90.          call_function_init();
    
91.          if (!irqs_disabled())
    
92.                    printk(KERN_CRIT "start_kernel(): bug: interrupts were "
    
93.                                       "enabled early\n");
    
94.          early_boot_irqs_disabled = false;
    
95.          local_irq_enable();
    
96. 
    
97.          /* Interrupts are enabled now so all GFP allocations are safe. */
    
98.          gfp_allowed_mask = __GFP_BITS_MASK;
    
99. 
    
100.          kmem_cache_init_late();
     
101. 
     
102.          /*
     
103.           * HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before
     
104.           * we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of
     
105.           * this. But we do want output early, in case something goes wrong.
     
106.           */
     
107.          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
     
108.          if (panic_later)
     
109.                    panic(panic_later, panic_param);
     
110. 
     
111.          lockdep_info();
     
112. 
     
113.          /*
     
114.           * Need to run this when irqs are enabled, because it wants
     
115.           * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs
     
116.           * too:
     
117.           */
     
118.          locking_selftest();
     
119. 
     
120. #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
     
121.          if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&
     
122.              page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) {
     
123.                    printk(KERN_CRIT "initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - "
     
124.                        "disabling it.\n",
     
125.                        page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),
     
126.                        min_low_pfn);
     
127.                    initrd_start = 0;
     
128.          }
     
129. #endif
     
130.          page_cgroup_init();
     
131.          enable_debug_pagealloc();
     
132.          debug_objects_mem_init();
     
133.          kmemleak_init();
     
134.          setup_per_cpu_pageset();
     
135.          numa_policy_init();
     
136.          if (late_time_init)
     
137.                    late_time_init();
     
138.          sched_clock_init();
     
139.          calibrate_delay();
     
140.          pidmap_init();
     
141.          anon_vma_init();
     
142. #ifdef CONFIG_X86
     
143.          if (efi_enabled)
     
144.                    efi_enter_virtual_mode();
     
145. #endif
     
146.          thread_info_cache_init();
     
147.          cred_init();
     
148.          fork_init(totalram_pages);
     
149.          proc_caches_init();
     
150.          buffer_init();
     
151.          key_init();
     
152.          security_init();
     
153.          dbg_late_init();
     
154.          vfs_caches_init(totalram_pages);//虚拟文件系统的初始化
     
155.          signals_init();
     
156.          /* rootfs populating might need page-writeback */
     
157.          page_writeback_init();
     
158. #ifdef CONFIG_PROC_FS
     
159.          proc_root_init();
     
160. #endif
     
161.          cgroup_init();
     
162.          cpuset_init();
     
163.          taskstats_init_early();
     
164.          delayacct_init();
     
165. 
     
166.          check_bugs();
     
167. 
     
168.          acpi_early_init(); /* before LAPIC and SMP init */
     
169.          sfi_init_late();
     
170. 
     
171.          ftrace_init();
     
172. 
     
173.          /* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
     
174.          rest_init();
     
175. }

复制代码

       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。

hardjet

暂时还没学到，稍微看看，九鼎的代码是我见过的做开发板写的最漂亮的~~~xboot应该是大神啊~~~

studylinuxlong

分析的非常适合学习，非常感谢~