嵌入式ARM Linux kernel啟動過程之淺嘗輒止分析start_kernel函數

xyd2018

了解了kernel啟動以前的匯編之后我們來看看正式的c語言啟動代碼，也就是我們的start_kernel函數了。start_kernel相當大，里面每一個調用到的函數都足夠我們傷腦筋了，這里只是淺嘗輒止的描述一下函數的功能，從而對kernel啟動的過程有一個比較直觀的了解。很多函數真正理解需要對linux相關體系有很深的了解。

說實話啟動的代碼看到現在唯一的感覺就是kernel的全局變量實在太多了，要了解一個過程跟蹤一個變量的值的變化相當痛苦啊，不過耐心看下來，收獲還是比較豐富的，對很多概念都有了一個比較直觀的理解。閑話就不多說了，直接來上代碼～～
smp_setup_processor_id();
//這個函數現在是空的;
lockdep_init();
//Runtime locking correctness validator, see Documentation/lockdep_design.txt
debug_objects_early_init();
cgroup_init_early();
//Control group, read Documentation/cgroup.txt
local_irq_disable();
//使用arm cpsid i指令來禁止IRQ
early_boot_irqs_off();
early_init_irq_lock_class();
/* 基本上面幾個函數就是初始化lockdep和cgroup，然后禁止IRQ，為后續的運行創造條件 */

lock_kernel();

/* 看這個函數的之前我們首先來了解一段知識，linux kernel默認是支持preemption(搶占)的。在SMP環境下為了實現kernel的鎖定，kernel使用了一個BKL(big kernel lock)的概念，在初始化的過程中先鎖定這個BKL，然后再繼續進行其他啟動或者初始化過程，這樣就可以防止啟動過程中被中斷，執行到res_init以后，kernel會釋放這個鎖，這樣就確保了整個start_kernel過程都不會被搶占或者中斷。由此我們可以看到這主要是針對多處理器而言的，實際上如果只有一個處理器的話它也不會被中斷或者被搶占。 */
/* 下面我們來看看這個函數的執行過程，在這里面能學到很多東西的：
int depth = current->lock_depth+1;
這個current實際上是一個宏，定義在arch/arm/include/asm/current.h里面，它實際是一個task_struct的結構體，這個結構體描述了這個task的一系列信息(task應該是linux進程調度的一個基本單位?)。linux下每個進程都有一個相對應的task_struct，這個task_struct有幾個我們經常能看到的信息，一個就是PID，然后就是comm進程的名字，然后就是mm_struct，它定義了跟這個進程相關的所有申請的memory的管理。這個curren_thread_info()也是個很有意思的函數，直接讀取SP來獲得當前線程的結構體信息thread_info。thread_info和task_struct這兩個結構體應該就代表了當前線程的所有信息。

初始化的lock_depth是-1，只有init task的lock_depth是0。
if (likely(!depth))
__lock_kernel();
這里判斷是不是init task，如果是就會執行__lock_kernel();這個__lock_kernel首先禁止搶占，然后試著獲得BKL，如果成功則直接返回，如果不成功首先判斷是否禁止搶占成功了，如果成功了就用自旋鎖去鎖BKL。如果禁止搶占沒有成功則在搶占有效的情況下去等待BKL，直到獲得BKL。因為QC的片子不是SMP，所有這里第一次try的時候就直接成功了。
current->lock_depth = depth;
這個就沒什么好說的了 */
/* 基本上來說這個lock_kernel就是禁止搶占，然后獲得BKL，干了這么件事 */
tick_init();
//和時鐘相關的初始化，好像是注冊notify事件，沒有仔細研究過
boot_cpu_init();
//這個實際上是在SMP環境下選擇CPU，這里直接CPUID選擇的是0號cpu
page_address_init();
//初始化high memory，在arm環境下實際上這個函數是空的，也就是說arm不支持high memory
printk(KERN_NOTICE);
printk(linux_banner);
//這里的KER_NOTICE是字符串<5>，不太明白它的意思。。。后面的linux_banner定義在kernel/init/version.c里面，這里的printk是門高深的學問，以后看console的時候會仔細分析
setup_arch(&command_line);
/* 這是一個重量級的函數了，會比較仔細地分析一下，主要完成了4個方面的工作，一個就是取得MACHINE和PROCESSOR的信息然或將他們賦值給kernel相應的全局變量，然后呢是對boot_command_line和tags接行解析，再然后呢就是memory、cach的初始化，最后是為kernel的后續運行請求資源。 */

/* 我們來仔細看看這個函數的實現：
setup_processor();
這個函數首先從arm寄存器里面取得cpu ID，然后調用lookup_processor_type來取得proc_info_list這個結構體。這個過程實際上和我們在head-common.S里面的過程是一樣的，不知道這里為什么不直接去讀switch_data里面已經保存好的數據反而又查詢一遍是為什么?取得proc_info_list以后，將里面的內容一個個賦值給相應的全局變量，然后將CPU的信息打印出來。然后它會從arm寄存器里面獲得cache的信息，并將cache的信息打印出來。最后它會調用cpu_proc_init()的函數，這個函數實際上定義在proc-v6.S里面，沒有做任何事情。

mdesc = setup_machine(machine_arch_type);
首先這個machine_arch_type定義在生成的./include/asm-arm/mach-types.h里面，這個setup_macine實際上也是和上面的processor類似，都是調用head-common.S里面的函數，根據machine ID來獲得Machine的信息，并將Machine name打印出來。
if (mdesc->soft_reboot)
reboot_setup("s");
設置reboot方式，默認是硬啟動;
if (__atags_pointer)
tags = phys_to_virt(__atags_pointer);
else if (mdesc->boot_params)
tags = phys_to_virt(mdesc->boot_params);

這里首先判斷head-common.S里面定義的__atags_pointer是不是為空，不為空的話說明bootloader設置了初始化參數，將參數的物理地址轉化為虛擬地址，這里有一個覆蓋，就是說可以在Machine desc里面對初始化參數的物理地址重新定位。

if (tags->hdr.tag != ATAG_CORE)
convert_to_tag_list(tags);
if (tags->hdr.tag != ATAG_CORE)
tags = (struct tag *)&init_tags;

首先判斷是不是正確的atag格式，如果是以前老版本的param_struct格式會首先將其轉換成tag格式，如果轉換以后還是不對，則使用默認的init_tags，這里判斷的過程都是根據結構體第一個值是不是ATAG_CORE.

if (mdesc->fixup)
mdesc->fixup(mdesc, tags, &from, &meminfo);
if (tags->hdr.tag == ATAG_CORE) {
if (meminfo.nr_banks != 0)
squash_mem_tags(tags);
save_atags(tags);
parse_tags(tags);

這里首先判斷fixup函數指針，這里一般為空，如果不為空就會地用fixup來重新修改memory map，meminfo這個結構體定義在arch/arm/include/asm/setup.h里面，描述了內存塊的信息，內存塊的個數，每個內存塊的起始地址和大小，如果修改了memory map則需要從atag參數里面去掉bootloader傳過來的的memory map信息，然后是保存一下atag，這個保存函數在這里實際上是空的，沒有做任何操作，最后是對atag參數進行解析。這里要說明一下這里的tags實際上是一個tag的數組或者說隊列，里面有多個tag結構體，每一個結構體都是一個header加一個參數，具體的結構我們可以看看setup.h。對ATAG參數的解析全部定義在arch/arm/kernel/setup.c里面，首先在setup.c里面定義了一個類似于這樣__tagtable(ATAG_CORE, parse_tag_core)的宏，這個宏實際上是聲明了一個放在__tagtable_begin和__tagtable_end段之間結構體，這個結構體定義了這個一個參數類型，和對這個參數類型進行解析的函數。所有的參數解析我們都可以從setup.c里面找到相對應的函數，比如說對boot_commad_line的解析，從config文件得到的default_commad_line就會被ATAG里面獲得commad_line給替換掉;再比如ramdisk，就會將ATAG里面的ramdisk的信息賦值給rd_image_start, rd_size等系統的全局變量。

init_mm.start_code = (unsigned long) _text;
init_mm.end_code = (unsigned long) _etext;
init_mm.end_data = (unsigned long) _edata;
init_mm.brk = (unsigned long) _end;

這就就是對init_mm結構體進行賦值，具體不了解這些東西咋用的，但是就是將text和data段給賦值了。

memcpy(boot_command_line, from, COMMAND_LINE_SIZE);
boot_command_line[COMMAND_LINE_SIZE-1] = '/0';
parse_cmdline(cmdline_p, from);

這里的boot_command_line來自于與config文件里面的CONFIG_CMDLINE，也有可能被ATAG里面的boot參數給覆蓋，獲得command_line以后對command_line進行解析。這個解析的過程也是在setup.c里面進行的，它首先查找.early_param.init段里面注冊的結構體，通過__early_param將early_param結構體注冊到這些段里面，實際這個early_param很簡單一個就是類似于"initrd="的字符串，用來與command_line里面的字符進行匹配，如果匹配到了就執行early_param里面的那個函數，并將匹配到的字符作為參數傳給函數。舉個例子比如說我們現在的commadline里面有一句initrd=0x11000000，然后我們首先在early_param.init段里面搜索時候有沒有early_param->arg和這個initrd=匹配，找到了就執行它里面的func然后將這個initrd=的值作為參數傳進去。

paging_init(mdesc);

這個函數是個大函數，具體內容沒有仔細看，需要對arm MMU了解比較深，這里只貼一下source里面關于這個函數的注釋：
/*
* paging_init() sets up the page tables, initialises the zone memory
* maps, and sets up the zero page, bad page and bad page tables.
*/
request_standard_resources(&meminfo, mdesc);

這個函數用來申請一些應該是內存資源，具體的內容沒有仔細研究，看不大懂。。
cpu_init();
初始化CPU，這里主要是對arm寄存器cpsr的操作
init_arch_irq = mdesc->init_irq;
system_timer = mdesc->timer;
init_machine = mdesc->init_machine;
這里將體系結構相關的幾個函數，中斷，初始化，定時器之類的賦值給kernel全局變量;
conswitchp = &vga_con;
這里設置了關于console的一個變量，具體不知道怎么用的，以后看console的時候再仔細分析
early_trap_init();
不知道這個函數具體做什么用的。。。 */
/* 基本上我們可以總結出setup_arch主要將一些體系結構的相關信息來賦值給kernel的全局變量，包括cpu啊，machine啊，memory，cahce啊，然后kernel再根據這些函數或者變量來做相應的工作，而且很明顯地可以看出來這個setup_arch和前面的head.S，head-common.S，proc-v6.S，board-msm7x27.c是緊密聯系在一起的 */


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