描述
Linux的启动代码真的挺大,从汇编到C,从Makefile到LDS文件,须要理解的东西好多。虽然Linux内核是由好多人,耗费了巨大的时间和精力写下来的。并且直至现今,这个世界上依然有成千上万的程序员在不断建立Linux内核的代码。
Linux内核启动及文件系统加载过程
当u-boot开始执行bootcmd命令,就步入Linux内核启动阶段,与u-boot类似,普通Linux内核的启动过程也可以分为两个阶段,但针对压缩了的内核如uImage就要包括内核自解压过程了。本文以linux-2.6.37版源码为例分三个阶段来描述内核启动全过程。第一阶段为内核自解压过程,第二阶段主要工作是设置ARM处理器工作模式、使能MMU、设置一级页表等,而第三阶段则主要为C代码,包括内核初始化的全部工作
Linux内核启动流程
arch/arm/kernel/head-armv.S
该文件是内核最先执行的一个文件,包括内核入口ENTRY(stext)到start_kernel间的初始化代码,
主要作用是检测CPUID,ArchitectureType,初始化BSS等操作,并跳到start_kernel函数。在执行前,处理器应满足以下状态:
r0-shouldbe0
r1-uniquearchitecturenumber
MMU-off
I-cache-onoroff
D-cache–off
1/*部份源代码剖析*/
2/*内核入口点*/
3ENTRY(stext)
4/*程序状态,严禁FIQ、IRQ,设定SVC模式*/
5movr0,#F_BIT|I_BIT|MODE_SVC@makesuresvcmode
6/*置当前程序状态寄存器*/
7msrcpsr_c,r0@andallirqsdisabled
8/*判定CPU类型,查找运行的CPUID值与Linux编译支持的ID值是否支持*/
9bl__lookup_processor_type
10/*跳到__error*/
11teqr10,#0@invalidprocessor?
12moveqr0,#‘p’@yes,error‘p’
13beq__error
14/*判定体系类型,查看R1寄存器的ArchitectureType值是否支持*/
15bl__lookup_architecture_type
16/*不支持,跳到出错*/
17teqr7,#0@invalidarchitecture?
18moveqr0,#‘a’@yes,error‘a’
19beq__error
20/*创建核心页表*/
21bl__create_page_tables
22adrlrRAR FOR LINUX,__ret@returnaddress
23addpc,r10,#12@initialiseprocessor
24/*跳转到start_kernel函数*/
25bstart_kernel
Linux内核启动第一阶段stage1
这儿所以说的第一阶段stage1就是内核解压完成并出现UncompressingLinux.。.done,bootingthekernel.以后的阶段。该部份代码实现在arch/arm/kernel的head.S中,该文件中的汇编代码通过查找处理器内核类型和机器码类型调用相应的初始化函数,再建立页表,最后跳转到start_kernel()函数开始内核的初始化工作。检查处理器类型是在汇编子函数__lookup_processor_type中完成的,通过以下代码可实现对它的调用:bl__lookup_processor_type(在文件head-commom.S实现)。__lookup_processor_type调用结束返回原程序时,会将返回结果保存到寄存器中。其中r5寄存器返回一个拿来描述处理器的结构体地址,并对r5进行判定,假如r5的值为0则说明不支持这些处理器linux 内核启动,将步入__error_p。r8保存了页表的标志位,r9保存了处理器的ID号,r10保存了与处理器相关的structproc_info_list结构地址。Head.S核心代码如下:
检查机器码类型是在汇编子函数__lookup_machine_type(同样在文件head-common.S实现)中完成的。与__lookup_processor_type类似,通过代码:“bl__lookup_machine_type”来实现对它的调用。该函数返回时,会将返回结构保存置于r5、r6和r7三个寄存器中。其中r5寄存器返回一个拿来描述机器(也就是开发板)的结构体地址,并对r5进行判别如何安装LINUX,假如r5的值为0则说明不支持这些机器(开发板),将步入__error_a,复印出内核不支持u-boot传入的机器码的错误如图2。r6保存了I/O基地址,r7保存了I/O的页表偏斜地址。当测量处理器类型和机器码类型结束后,将调用__create_page_tables子函数来构建页表,它所要做的工作就是将RAM基地址开始的1M空间的数学地址映射到0xCxC0000000开始的虚拟地址处。对本项目的开发板DM3730而言,RAM挂接到化学地址0x80000000处,当调用__create_page_tables结束后0x80000000~0x80100000化学地址将映射到0xCxC0000000~0xCxC0100000虚拟地址处。当所有的初始化结束以后,使用如下代码来跳到C程序的入口函数start_kernel()处,开始以后的内核初始化工作:bSYMBOL_NAME(start_kernel)。
Linux内核启动第二阶段stage2
从start_kernel函数开始
Linux内核启动的第二阶段从start_kernel函数开始。start_kernel是所有Linux平台步入系统内核初始化后的入口函数,它主要完成剩余的与硬件平台相关的初始化工作,在进行一系列与内核相关的初始化后,调用第一个用户进程-init进程并等待用户进程的执行,这样整个Linux内核便启动完毕。该函数坐落init/main.c文件中,主要工作流程如图3所示:
该函数所做的具体工作有:
1)调用setup_arch()函数进行与体系结构相关的第一个初始化工作;对不同的体系结构来说该函数有不同的定义。对于ARM平台而言,该函数定义在arch/arm/kernel/setup.c。它首先通过测量下来的处理器类型进行处理器内核的初始化,之后通过bootmem_init()函数依据系统定义的meminfo结构进行显存结构的初始化,最后调用paging_init()开启MMU,创建内核页表,映射所有的数学显存和IO空间。
2)创建异常向量表和初始化中断处理函数;
3)初始化系统核心进程调度器和时钟中断处理机制;
4)初始化并口控制台(console_init);
ARM-Linux在初始化过程中通常还会初始化一个并口做为内核的控制台,而并口Uart驱动却把并口设备名写死了,如本例中linux2.6.37并口设备名为ttyO0,而不是常用的ttyS0。有了控制台内核在启动过程中就可以通过并口输出信息便于开发者或用户了解系统的启动进程。
5)创建和初始化系统cache,为各类显存调用机制提供缓存,包括;动态显存分配linux 内核启动,虚拟文件系统(VirtualFileSystem)及页缓存。
6)初始化显存管理,测量显存大小及被内核占用的显存情况;
7)初始化系统的进程间通讯机制(IPC);当以上所有的初始化工作结束后,start_kernel()函数会调用rest_init()函数来进行最后的初始化,包括创建系统的第一个进程-init进程来结束内核的启动。
挂载根文件系统并启动init
Linux内核启动的下一过程是启动第一个进程init,但必须以根文件系统为载体,所以在启动init之前,还要挂载根文件系统。