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標(biāo)題: Linux內(nèi)核啟動流程-迅為IMX6ULL開發(fā)板（二） [打印本頁]

作者: 就是塔塔 時間: 2020-7-20 10:18
標(biāo)題: Linux內(nèi)核啟動流程-迅為IMX6ULL開發(fā)板（二）
基于迅為-IMX6ULL開發(fā)板 Linux內(nèi)核啟動（三）：內(nèi)核初始化

start_kernel是所有Linux平臺進入系統(tǒng)內(nèi)核初始化后的入口函數(shù)，它主要完成剩余的與硬件平臺相關(guān)的初始化工作，在進行一系列與內(nèi)核相關(guān)的初始化后，調(diào)用第一個用戶進程－ init 進程并等待用戶進程的執(zhí)行，這樣整個 Linux內(nèi)核便啟動完畢。

30.3.1 start_kernel 函數(shù)

start_kernel 通過調(diào)用眾多的子函數(shù)來完成 Linux 啟動之前的一些初始化工作，由于start_kernel 函數(shù)里面調(diào)用的子函數(shù)太多，而這些子函數(shù)又很復(fù)雜，因此我們簡單介紹一下一些重要的子函數(shù)。start_kernel 函數(shù)定義在文件 init/main.c中。精簡并添加注釋后的 start_kernel 函數(shù)內(nèi)容如下：

asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)

{

char *command_line;

char *after_dashes;

lockdep_init(); /* lockdep 是死鎖檢測模塊，此函數(shù)會初始化

* 兩個 hash 表。此函數(shù)要求盡可能早的執(zhí)行！

set_task_stack_end_magic(&init_task); /* 設(shè)置任務(wù)棧結(jié)束魔術(shù)數(shù)，

*用于棧溢出檢測

smp_setup_processor_id(); /* 跟 SMP 有關(guān)(多核處理器)，設(shè)置處理器 ID。

* 有很多資料說 ARM 架構(gòu)下此函數(shù)為空函數(shù)，那是因

* 為他們用的老版本 Linux，而那時候 ARM 還沒有多

* 核處理器。

debug_objects_early_init(); /* 做一些和 debug 有關(guān)的初始化 */

boot_init_stack_canary(); /* 棧溢出檢測初始化 */

cgroup_init_early(); /* cgroup 初始化，cgroup 用于控制 Linux 系統(tǒng)資源*/

local_irq_disable(); /* 關(guān)閉當(dāng)前 CPU 中斷 */

early_boot_irqs_disabled = true;

* 中斷關(guān)閉期間做一些重要的操作，然后打開中斷

boot_cpu_init(); /* 跟 CPU 有關(guān)的初始化 */

page_address_init(); /* 頁地址相關(guān)的初始化 */

pr_notice("%s", linux_banner);/* 打印 Linux 版本號、編譯時間等信息 */

setup_arch(&command_line); /* 架構(gòu)相關(guān)的初始化，此函數(shù)會解析傳遞進來的

* ATAGS 或者設(shè)備樹(DTB)文件。會根據(jù)設(shè)備樹里面

* 的 model 和 compatible 這兩個屬性值來查找

* Linux 是否支持這個單板。此函數(shù)也會獲取設(shè)備樹

* 中 chosen 節(jié)點下的 bootargs 屬性值來得到命令

* 行參數(shù)，也就是 uboot 中的 bootargs 環(huán)境變量的

* 值，獲取到的命令行參數(shù)會保存到

*command_line 中。

mm_init_cpumask(&init_mm); /* 看名字，應(yīng)該是和內(nèi)存有關(guān)的初始化 */

setup_command_line(command_line); /* 好像是存儲命令行參數(shù) */

setup_nr_cpu_ids(); /* 如果只是 SMP(多核 CPU)的話，此函數(shù)用于獲取

* CPU 核心數(shù)量，CPU 數(shù)量保存在變量

* nr_cpu_ids 中。

setup_per_cpu_areas(); /* 在 SMP 系統(tǒng)中有用，設(shè)置每個 CPU 的 per-cpu 數(shù)據(jù) */

smp_prepare_boot_cpu();

build_all_zonelists(NULL, NULL); /* 建立系統(tǒng)內(nèi)存頁區(qū)(zone)鏈表 */

page_alloc_init(); /* 處理用于熱插拔 CPU 的頁 */

/* 打印命令行信息 */

pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line);

parse_early_param(); /* 解析命令行中的 console 參數(shù) */

after_dashes = parse_args("Booting kernel",

static_command_line, __start___param,

__stop___param - __start___param,

-1, -1, &unknown_bootoption);

if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))

parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1,

set_init_arg);

jump_label_init();

setup_log_buf(0); /* 設(shè)置 log 使用的緩沖區(qū)*/

pidhash_init(); /* 構(gòu)建 PID 哈希表，Linux 中每個進程都有一個 ID,

* 這個 ID 叫做 PID。通過構(gòu)建哈希表可以快速搜索進程

* 信息結(jié)構(gòu)體。

vfs_caches_init_early(); /* 預(yù)先初始化 vfs(虛擬文件系統(tǒng))的目錄項和

* 索引節(jié)點緩存

sort_main_extable(); /* 定義內(nèi)核異常列表 */

trap_init(); /* 完成對系統(tǒng)保留中斷向量的初始化 */

mm_init(); /* 內(nèi)存管理初始化 */

sched_init(); /* 初始化調(diào)度器，主要是初始化一些結(jié)構(gòu)體 */

preempt_disable(); /* 關(guān)閉優(yōu)先級搶占 */

if (WARN(!irqs_disabled(), /* 檢查中斷是否關(guān)閉，如果沒有的話就關(guān)閉中斷 */

"Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n"))

local_irq_disable();

idr_init_cache(); /* IDR 初始化，IDR 是 Linux 內(nèi)核的整數(shù)管理機

* 制，也就是將一個整數(shù) ID 與一個指針關(guān)聯(lián)起來。

rcu_init(); /* 初始化 RCU，RCU 全稱為 Read Copy Update(讀-拷貝修改) */

trace_init(); /* 跟蹤調(diào)試相關(guān)初始化 */

context_tracking_init();

radix_tree_init(); /* 基數(shù)樹相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化 */

early_irq_init(); /* 初始中斷相關(guān)初始化,主要是注冊 irq_desc 結(jié)構(gòu)體變

* 量，因為 Linux 內(nèi)核使用 irq_desc 來描述一個中斷。

init_IRQ(); /* 中斷初始化 */

tick_init(); /* tick 初始化 */

rcu_init_nohz();

init_timers(); /* 初始化定時器 */

hrtimers_init(); /* 初始化高精度定時器 */

softirq_init(); /* 軟中斷初始化 */

timekeeping_init();

time_init(); /* 初始化系統(tǒng)時間 */

sched_clock_postinit();

perf_event_init();

profile_init();

call_function_init();

WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled early\n");

early_boot_irqs_disabled = false;

local_irq_enable(); /* 使能中斷 */

kmem_cache_init_late(); /* slab 初始化，slab 是 Linux 內(nèi)存分配器 */

console_init(); /* 初始化控制臺，之前 printk 打印的信息都存放

* 緩沖區(qū)中，并沒有打印出來。只有調(diào)用此函數(shù)

* 初始化控制臺以后才能在控制臺上打印信息。

if (panic_later)

panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,

panic_param);

lockdep_info(); /* 如果定義了宏 CONFIG_LOCKDEP，那么此函數(shù)打印一些信息。*/

locking_selftest() /* 鎖自測 */

......

page_ext_init();

debug_objects_mem_init();

kmemleak_init(); /* kmemleak 初始化，kmemleak 用于檢查內(nèi)存泄漏 */

setup_per_cpu_pageset();

numa_policy_init();

if (late_time_init)

late_time_init();

sched_clock_init();

calibrate_delay();/* 測定 BogoMIPS 值，可以通過 BogoMIPS 來判斷 CPU 的性能

* BogoMIPS 設(shè)置越大，說明 CPU 性能越好。

pidmap_init(); /* PID 位圖初始化 */

anon_vma_init(); /* 生成 anon_vma slab 緩存 */

acpi_early_init();

......

thread_info_cache_init();

cred_init(); /* 為對象的每個用于賦予資格(憑證) */

fork_init(); /* 初始化一些結(jié)構(gòu)體以使用 fork 函數(shù) */

proc_caches_init(); /* 給各種資源管理結(jié)構(gòu)分配緩存 */

buffer_init(); /* 初始化緩沖緩存*/

key_init(); /* 初始化密鑰*/

security_init(); /* 安全相關(guān)初始化*/

dbg_late_init();

vfs_caches_init(totalram_pages); /* 為 VFS 創(chuàng)建緩存 */

signals_init(); /* 初始化信號*/

page_writeback_init(); /* 頁回寫初始化*/

proc_root_init(); /* 注冊并掛載 proc 文件系統(tǒng) */

nsfs_init();

cpuset_init(); /* 初始化 cpuset，cpuset 是將 CPU 和內(nèi)存資源以邏輯性

* 和層次性集成的一種機制，是 cgroup 使用的子系統(tǒng)之一

cgroup_init(); /* 初始化 cgroup */

taskstats_init_early(); /* 進程狀態(tài)初始化 */

delayacct_init();

check_bugs(); /* 檢查寫緩沖一致性 */

acpi_subsystem_init();

sfi_init_late();

if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) {

efi_late_init();

efi_free_boot_services();

}

ftrace_init();

rest_init(); /* rest_init 函數(shù) */

}

start_kernel 里面調(diào)用了大量的函數(shù)，每一個函數(shù)都是一個龐大的知識點，如果想要學(xué)習(xí)Linux 內(nèi)核，那么這些函數(shù)就需要去詳細的研究。本教程注重于嵌入式 Linux 入門，因此不會去講太多關(guān)于 Linux 內(nèi)核的知識。start_kernel 函數(shù)最后調(diào)用了 rest_init，接下來簡單看一下rest_init函數(shù)。

30.3.2 rest_init 函數(shù)

rest_init 函數(shù)定義在文件 init/main.c 中，函數(shù)內(nèi)容如下：

383 static noinline void __init_refok rest_init(void)

384 {

385 int pid;

386

387 rcu_scheduler_starting();

388 smpboot_thread_init();

389 /*

390 * We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however

391 * the init task will end up wanting to create kthreads, which,

392 * if we schedule it before we create kthreadd, will OOPS.

393 */

394 kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);

395 numa_default_policy();

396 pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);

397 rcu_read_lock();

398 kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);

399 rcu_read_unlock();

400 complete(&kthreadd_done);

401

402 /*

403 * The boot idle thread must execute schedule()

404 * at least once to get things moving:

405 */

406 init_idle_bootup_task(current);

407 schedule_preempt_disabled();

408 /* Call into cpu_idle with preempt disabled */

409 cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);

410 }

第 387 行，調(diào)用函數(shù) rcu_scheduler_starting，啟動 RCU 鎖調(diào)度器。

第 394 行，調(diào)用函數(shù) kernel_thread 創(chuàng)建 kernel_init 線程，也就是大名鼎鼎的 init 內(nèi)核進程。init 進程的 PID 為 1。init 進程一開始是內(nèi)核進程(也就是運行在內(nèi)核態(tài))，后面 init 進程會在根文件系統(tǒng)中查找名為“init”這個程序，這個“init”程序處于用戶態(tài)，通過運行這個“init”程序，init 進程就會實現(xiàn)從內(nèi)核態(tài)到用戶態(tài)的轉(zhuǎn)變。

第 396 行，調(diào)用函數(shù) kernel_thread 創(chuàng)建 kthreadd 內(nèi)核進程，此內(nèi)核進程的 PID 為 2。kthreadd進程負責(zé)所有內(nèi)核進程的調(diào)度和管理。

第 409 行，最后調(diào)用函數(shù) cpu_startup_entry 來進入 idle 進程，cpu_startup_entry 會調(diào)用cpu_idle_loop，cpu_idle_loop 是個 while 循環(huán)，也就是 idle 進程代碼。idle 進程的 PID 為 0，idle進程叫做空閑進程，如果學(xué)過 FreeRTOS 或者 UCOS 的話應(yīng)該聽說過空閑任務(wù)。idle 空閑進程就和空閑任務(wù)一樣，當(dāng) CPU 沒有事情做的時候就在 idle 空閑進程里面“瞎逛游”，反正就是給CPU 找點事做。當(dāng)其他進程要工作的時候就會搶占 idle 進程，從而奪取 CPU 使用權(quán)。其實大家應(yīng)該可以看到 idle 進程并沒有使用 kernel_thread 或者 fork 函數(shù)來創(chuàng)建，因為它是有主進程演變而來的。

30.3.3 init 進程

kernel_init 函數(shù)就是 init 進程具體做的工作，定義在文件 init/main.c 中，函數(shù)內(nèi)容如下：

928 static int __ref kernel_init(void *unused)

929 {

930 int ret;

931

932 kernel_init_freeable(); /* init 進程的一些其他初始化工作 */

933 /* need to finish all async __init code before freeing the memory */

934 async_synchronize_full(); /* 等待所有的異步調(diào)用執(zhí)行完成 */

935 free_initmem(); /* 釋放 init 段內(nèi)存*/

936 mark_rodata_ro();

937 system_state = SYSTEM_RUNNING; /* 標(biāo)記系統(tǒng)正在運行*/

938 numa_default_policy();

939

940 flush_delayed_fput();

941

942 if (ramdisk_execute_command) {

943 ret = run_init_process(ramdisk_execute_command);

944 if (!ret)

945 return 0;

946 pr_err("Failed to execute %s (error %d)\n",

947 ramdisk_execute_command, ret);

948 }

949

950 /*

951 * We try each of these until one succeeds.

952 *

953 * The Bourne shell can be used instead of init if we are

954 * trying to recover a really broken machine.

955 */

956 if (execute_command) {

957 ret = run_init_process(execute_command);

958 if (!ret)

959 return 0;

960 panic("Requested init %s failed (error %d).",

961 execute_command, ret);

962 }

963 if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") ||

964 !try_to_run_init_process("/etc/init") ||

965 !try_to_run_init_process("/bin/init") ||

966 !try_to_run_init_process("/bin/sh"))

967 return 0;

968

969 panic("No working init found. Try passing init= option to

kernel. "

970 "See Linux Documentation/init.txt for guidance.");

971 }

第 932 行，kernel_init_freeable 函數(shù)用于完成 init 進程的一些其他初始化工作，稍后再來具體看一下此函數(shù)。

第 940 行，ramdisk_execute_command 是一個全局的 char 指針變量，此變量值“/init”，也就是根目錄下的 init 程序。ramdisk_execute_command 也可以通過 uboot 傳遞，在bootargs 中使用“rdinit=xxx”即可，xxx 為具體的 init 程序名字。

第 943 行，如果存在“/init”程序的話就通過函數(shù) run_init_process 來運行此程序。

第 956 行，如果 ramdisk_execute_command 為空的話就看 execute_command 是否為空，反正不管如何一定要在根文件系統(tǒng)中找到一個可運行的 init 程序。execute_command 的值是通過uboot 傳遞，在 bootargs 中使用“init=xxxx”就可以了，比如“init=/linuxrc”表示根文件系統(tǒng)中的 linuxrc 就是要執(zhí)行的用戶空間 init 程序。

第 963~966 行，如果 ramdisk_execute_command 和 execute_command 都為空，那么就依次查找“/sbin/init”、“/etc/init”、“/bin/init”和“/bin/sh”，這四個相當(dāng)于備用 init 程序，如果這四個也不存在，那么 Linux 啟動失敗！

第 969 行，如果以上步驟都沒有找到用戶空間的 init 程序，那么就提示錯誤發(fā)生！

最后來簡單看一下 kernel_init_freeable 函數(shù)，前面說了，kernel_init 會調(diào)用此函數(shù)來做一些init 進程初始化工作。kernel_init_freeable 定義在文件 init/main.c 中，縮減后的函數(shù)內(nèi)容如下：

973 static noinline void __init kernel_init_freeable(void)

974 {

975 /*

976 * Wait until kthreadd is all set-up.

977 */

978 wait_for_completion(&kthreadd_done);/* 等待 kthreadd 進程準備就緒 */

......

998

999 smp_init(); /* SMP 初始化 */

1000 sched_init_smp(); /* 多核(SMP)調(diào)度初始化 */

1001

1002 do_basic_setup(); /* 設(shè)備初始化都在此函數(shù)中完成 */

1003

1004 /* Open the /dev/console on the rootfs, this should never fail */

1005 if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)

1006 pr_err("Warning: unable to open an initial console.\n");

1007

1008 (void) sys_dup(0);

1009 (void) sys_dup(0);

1010 /*

1011 * check if there is an early userspace init. If yes, let it do

1012 * all the work

1013 */

1014

1015 if (!ramdisk_execute_command)

1016 ramdisk_execute_command = "/init";

1017

1018 if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {

1019 ramdisk_execute_command = NULL;

1020 prepare_namespace();

1021 }

1022

1023 /*

1024 * Ok, we have completed the initial bootup, and

1025 * we're essentially up and running. Get rid of the

1026 * initmem segments and start the user-mode stuff..

1027 *

1028 * rootfs is available now, try loading the public keys

1029 * and default modules

1030 */

1031

1032 integrity_load_keys();

1033 load_default_modules();

1034 }

第 1002 行，do_basic_setup 函數(shù)用于完成 Linux 下設(shè)備驅(qū)動初始化工作！非常重要。 do_basic_setup 會調(diào)用 driver_init 函數(shù)完成 Linux 下驅(qū)動模型子系統(tǒng)的初始化。

第 1005 行，打開設(shè)備“/dev/console”，在 Linux 中一切皆為文件！因此“/dev/console”也是一個文件，此文件為控制臺設(shè)備。每個文件都有一個文件描述符，此處打開的“/dev/console”文件描述符為 0，作為標(biāo)準輸入(0)。

第 1008 和 1009 行，sys_dup 函數(shù)將標(biāo)準輸入(0)的文件描述符復(fù)制了 2 次，一個作為標(biāo)準輸出(1)，一個作為標(biāo)準錯誤(2)。這樣標(biāo)準輸入、輸出、錯誤都是/dev/console 了。console 通過uboot 的 bootargs 環(huán)境變量設(shè)置，“console=ttymxc0,115200”表示將/dev/ttymxc0 設(shè)置為 console，也就是 I.MX6U 的串口 1。當(dāng)然，也可以設(shè)置其他的設(shè)備為 console，比如虛擬控制臺 tty1，設(shè)置 tty1 為 console 就可以在 LCD 屏幕上看到系統(tǒng)的提示信息。

第 1020 行，調(diào)用函數(shù) prepare_namespace 來掛載根文件系統(tǒng)。跟文件系統(tǒng)也是由命令行參數(shù)指定的，也就是 uboot 的 bootargs 環(huán)境變量。比如“root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw”就表示根文件系統(tǒng)在/dev/mmcblk1p2 中，也就是 EMMC 的分區(qū) 2 中。

Linux 內(nèi)核啟動流程就分析到這里，Linux 內(nèi)核最終是需要和根文件系統(tǒng)打交道的，需要掛載根文件系統(tǒng)，并且執(zhí)行根文件系統(tǒng)中的 init 程序，以此來進去用戶態(tài)。這里就正式引出了根文件系統(tǒng)，根文件系統(tǒng)也是我們系統(tǒng)移植的最后一片拼圖。Linux 移植三巨頭：uboot、Linux kernel、rootfs(根文件系統(tǒng))。關(guān)于根文件系統(tǒng)后面章節(jié)會詳細的講解，這里我們只需要知道 Linux內(nèi)核移植完成以后還需要構(gòu)建根文件系統(tǒng)即可。

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