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在前面的章節(jié)介紹了uboot和Linux內(nèi)核的一些相關(guān)內(nèi)容。在來(lái)看Linux內(nèi)核的大致啟動(dòng)流程，Linux內(nèi)核的啟動(dòng)流程要比uboot復(fù)雜的多，涉及到的內(nèi)容也更多，因此在本章節(jié)大致簡(jiǎn)單的了解一下Linux內(nèi)核的啟動(dòng)流程。有興趣的用戶可以參考其他書(shū)籍或資料進(jìn)行深入了解。 嵌入式linux內(nèi)核的啟動(dòng)全過(guò)程主要分為三個(gè)階段。第一階段為內(nèi)核自解壓過(guò)程，第二階段主要工作是設(shè)置ARM處理器工作模式、使能MMU、設(shè)置一級(jí)頁(yè)表等，而第三階段則主要為C代碼，包括內(nèi)核初始化的全部工作。下面分別進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 基于迅為-IMX6ULL開(kāi)發(fā)板 30.1 Linux內(nèi)核啟動(dòng)（一）：Linux內(nèi)核自解壓過(guò)程Linux內(nèi)核有兩種映像格式：一種是非壓縮內(nèi)核，叫Image，另一種是它的壓縮版本，叫zImage。zImage是Image經(jīng)過(guò)壓縮形成的，所以它的大小比Image小。但為了能使用zImage，必須在它的開(kāi)頭加上解壓縮的代碼，將zImage解壓縮之后才能執(zhí)行，因此它的執(zhí)行速度比Image要慢一些。 內(nèi)核壓縮和解壓縮代碼都在目錄kernel/arch/arm/boot/compressed，編譯完成后將產(chǎn)生head.o、misc.o、piggy.gzip.o、vmlinux、decompress.o這幾個(gè)文件，head.o是內(nèi)核的頭部文件，負(fù)責(zé)初始設(shè)置；misc.o將主要負(fù)責(zé)內(nèi)核的解壓工作，它在head.o之后；piggy.gzip.o是一個(gè)中間文件，其實(shí)是一個(gè)壓縮的內(nèi)核(kernel/vmlinux)，只不過(guò)沒(méi)有和初始化文件及解壓文件鏈接而已；vmlinux是沒(méi)有(zImage是壓縮過(guò)的內(nèi)核)壓縮過(guò)的內(nèi)核，就是由piggy.gzip.o、head.o、misc.o組成的，而decompress.o是為支持更多的壓縮格式而新引入的。 在uboot完成系統(tǒng)引導(dǎo)將Linux內(nèi)核加載到內(nèi)存之后，調(diào)用do_bootm_linux()，這個(gè)函數(shù)將跳轉(zhuǎn)到kernel的起始位置。如果kernel沒(méi)有被壓縮，就可以啟動(dòng)了。如果kernel被壓縮過(guò)，則要進(jìn)行解壓，在壓縮過(guò)的kernel頭部有解壓程序。壓縮過(guò)的kernel入口第一個(gè)文件源碼位置在arch/arm/boot/compressed/head.S。它將調(diào)用函數(shù)decompress_kernel()，這個(gè)函數(shù)在文件arch/arm/boot/compressed/misc.c中，decompress_kernel()又調(diào)用arch_decomp_setup()進(jìn)行設(shè)置，然后調(diào)用gunzip()將內(nèi)核放于指定的位置。 函數(shù)decompress_kernel實(shí)現(xiàn)的功能：解壓縮代碼位于kernel/lib/inflate.c，inflate.c是從gzip源程序中分離出來(lái)的，包含了一些對(duì)全局?jǐn)?shù)據(jù)的直接引用，在使用時(shí)需要直接嵌入到代碼中。gzip壓縮文件時(shí)總是在前32K字節(jié)的范圍內(nèi)尋找重復(fù)的字符串進(jìn)行編碼， 在解壓時(shí)需要一個(gè)至少為32K字節(jié)的解壓緩沖區(qū)，它定義為window[WSIZE]。inflate.c使用get_byte()讀取輸入文件，它被定義成宏來(lái)提高效率。輸入緩沖區(qū)指針必須定義為inptr，inflate.c中對(duì)之有減量操作。inflate.c調(diào)用flush_window()來(lái)輸出window緩沖區(qū)中的解壓出的字節(jié)串，每次輸出長(zhǎng)度用outcnt變量表示。在flush_window()中，還必須對(duì)輸出字節(jié)串計(jì)算CRC并且刷新crc變量。在調(diào)用gunzip()開(kāi)始解壓之前，調(diào)用makecrc()初始化CRC計(jì)算表。最后gunzip()返回0表示解壓成功。在內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)一般會(huì)看到這樣的輸出： UncompressingLinux...done, booting the kernel. 當(dāng)然有的內(nèi)核沒(méi)有這樣的輸出，是沒(méi)有這一條打印語(yǔ)句。 30.2 Linux內(nèi)核啟動(dòng)（二）：ARM處理器相關(guān)設(shè)置當(dāng)Linux內(nèi)核自解壓完成后，開(kāi)始執(zhí)行內(nèi)核代碼。內(nèi)核的入口函數(shù)由鏈接腳本vmlinux.lds決定，需要編譯內(nèi)核源碼，才會(huì)生成腳本文件。 首先分析Linux內(nèi)核的鏈接腳本文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds，通過(guò)鏈接腳本可以找到Linux內(nèi)核的第一行程序是從哪里開(kāi)始執(zhí)行的。vmlinux.lds文件部分代碼如下： 492 OUTPUT_ARCH(arm) 493 ENTRY(stext) 494 jiffies = jiffies_64; 495 SECTIONS 496 { 497 /* 498 * XXX: The linker does not define how output sections are 499 * assigned to input sections when there are multiple statements 500 * matching the same input section name. There is no documented 501 * order of matching. 502 * 503 * unwind exit sections must be discarded before the rest of the 504 * unwind sections get included. 505 */ 506 /DISCARD/ : { 507 *(.ARM.exidx.exit.text) 508 *(.ARM.extab.exit.text) 509 ...... 645 } 第493行的 ENTRY 指明了Linux內(nèi)核入口函數(shù)為stext，因此要分析Linux內(nèi)核第二階段的啟動(dòng)流程，就得先從文件 arch/arm/kernel/head.S 的stext處開(kāi)始分析。 30.2.1 Linux內(nèi)核入口函數(shù)stextstext是Linux內(nèi)核的入口地址，在文件arch/arm/kernel/head.S中有如下內(nèi)容： /* * Kernel startup entry point. * --------------------------- * * This is normally called from the decompressor code. The requirements * are: MMU = off, D-cache = off, I-cache = dont care, r0 = 0, * r1 = machine nr, r2 = atags or dtb pointer. ..... */ 以上代碼中的內(nèi)容顯示。Linux內(nèi)核啟動(dòng)之前要求如下： ① 關(guān)閉MMU ② 關(guān)閉D-cache ③ 不用關(guān)心I-cache ④ r0 = 0。 ⑤ r1 = machine nr（機(jī)器ID號(hào)） ⑥ r2 = atags或者設(shè)備樹(shù)（dts）首地址 Linux內(nèi)核的入口點(diǎn)stext其實(shí)相當(dāng)于內(nèi)核的入口函數(shù)，stext函數(shù)代碼如下： 80 ENTRY(stext) ...... 91 @ ensure svc mode and all interrupts masked 92 safe_svcmode_maskall r9 93 94 mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id 95 bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid 96 movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)? 97 THUMB( it eq ) @ force fixup-able long branch encoding 98 beq __error_p @ yes, error 'p' 99 ...... 107 108 #ifndef CONFIG_XIP_KERNEL ...... 113 #else 114 ldr r8, =PLAT_PHYS_OFFSET @ always constant in this case 115 #endif 116 117 /* 118 * r1 = machine no, r2 = atags or dtb, 119 * r8 = phys_offset, r9 = cpuid, r10 = procinfo 120 */ 121 bl __vet_atags ...... 128 bl __create_page_tables 129 130 /* 131 * The following calls CPU specific code in a position independent 132 * manner. See arch/arm/mm/proc-*.S for details. r10 = base of 133 * xxx_proc_info structure selected by __lookup_processor_type 134 * above. On return, the CPU will be ready for the MMU to be 135 * turned on, and r0 will hold the CPU control register value. 136 */ 137 ldr r13, =__mmap_switched @ address to jump to after 138 @ mmu has been enabled 139 adr lr, BSYM(1f) @ return (PIC) address 140 mov r8, r4 @ set TTBR1 to swapper_pg_dir 141 ldr r12, [r10, #PROCINFO_INITFUNC] 142 add r12, r12, r10 143 ret r12 144 1: b __enable_mmu 145 ENDPROC(stext) 第92行，調(diào)用函數(shù)safe_svcmode_maskall確保CPU處于SVC模式，并且關(guān)閉了所有的中斷。safe_svcmode_maskall定義在文件arch/arm/include/asm/assembler.h 中。 第94行，讀處理器ID，ID值保存在r9寄存器中。 第95行，__lookup_processor_type調(diào)用結(jié)束返回原程序時(shí)，會(huì)將返回結(jié)果保存到寄存器中。其中r5寄存器返回一個(gè)用來(lái)描述處理器的結(jié)構(gòu)體地址，并對(duì)r5進(jìn)行判斷，如果r5的值為0則說(shuō)明不支持這種處理器，將進(jìn)入__error_p。 procinfo 是 proc_info_list類(lèi) 型 的 結(jié) 構(gòu) 體 ，Linux內(nèi)核將每種處理器都抽象為一個(gè) proc_info_list 結(jié)構(gòu)體，每種處理器都對(duì)應(yīng)一個(gè)procinfo。proc_info_list在文件arch/arm/include/asm/procinfo.h 中的定義如下： struct proc_info_list { unsigned int cpu_val; unsigned int cpu_mask; unsigned long __cpu_mm_mmu_flags; /* used by head.S */ unsigned long __cpu_io_mmu_flags; /* used by head.S */ unsigned long __cpu_flush; /* used by head.S */ const char *arch_name; const char *elf_name; unsigned int elf_hwcap; const char *cpu_name; struct processor *proc; struct cpu_tlb_fns *tlb; struct cpu_user_fns *user; struct cpu_cache_fns *cache; }; 第 121 行，調(diào)用函數(shù)__vet_atags 驗(yàn)證 atags 或設(shè)備樹(shù)(dtb)的合法性。函數(shù)__vet_atags 定義在文件 arch/arm/kernel/head-common.S 中。 第 128 行，調(diào)用函數(shù)__create_page_tables 創(chuàng)建頁(yè)表。 第 137 行，將函數(shù)__mmap_switched 的地址保存到 r13 寄存器中。__mmap_switched 定義在文件 arch/arm/kernel/head-common.S，__mmap_switched 最終會(huì)調(diào)用 start_kernel 函數(shù)。 第 144 行 ，調(diào)用 __enable_mmu 函 數(shù) 使 能 MMU ， __enable_mmu 定 義 在 文 件arch/arm/kernel/head.S 中。__enable_mmu 最終會(huì)通過(guò)調(diào)用__turn_mmu_on 來(lái)打開(kāi) MMU，__turn_mmu_on 最后會(huì)執(zhí)行 r13 里面保存的__mmap_switched 函數(shù)。 30.2.2 _mmap_switched 函數(shù)__mmap_switched 函數(shù)定義在文件arch/arm/kernel/head-common.S中，函數(shù)代碼如下： 81 __mmap_switched: 82 adr r3, __mmap_switched_data 83 84 ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7} 85 cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed 86 1: cmpne r5, r6 87 ldrne fp, [r4], #4 88 strne fp, [r5], #4 89 bne 1b 90 91 mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp) 92 1: cmp r6, r7 93 strcc fp, [r6],#4 94 bcc 1b 95 96 ARM( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, sp}) 97 THUMB( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7} ) 98 THUMB( ldr sp, [r3, #16] ) 99 str r9, [r4] @ Save processor ID 100 str r1, [r5] @ Save machine type 101 str r2, [r6] @ Save atags pointer 102 cmp r7, #0 103 strne r0, [r7] @ Save control register values 104 b start_kernel 105 ENDPROC(__mmap_switched) 第 104 行最終調(diào)用 start_kernel 來(lái)啟動(dòng) Linux 內(nèi)核，start_kernel 函數(shù)定義在文件 init/main.c中。 從start_kernel 函數(shù)開(kāi)始Linux內(nèi)核啟動(dòng)進(jìn)入到下一個(gè)階段。 下面內(nèi)容請(qǐng)關(guān)注：Linux內(nèi)核啟動(dòng)流程-迅為IMX6ULL開(kāi)發(fā)板（二） |
