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在前面的章節介紹了uboot和Linux內核的一些相關內容。在來看Linux內核的大致啟動流程，Linux內核的啟動流程要比uboot復雜的多，涉及到的內容也更多，因此在本章節大致簡單的了解一下Linux內核的啟動流程。有興趣的用戶可以參考其他書籍或資料進行深入了解。 嵌入式linux內核的啟動全過程主要分為三個階段。第一階段為內核自解壓過程，第二階段主要工作是設置ARM處理器工作模式、使能MMU、設置一級頁表等，而第三階段則主要為C代碼，包括內核初始化的全部工作。下面分別進行簡單介紹。 基于迅為-IMX6ULL開發板 30.1 Linux內核啟動（一）：Linux內核自解壓過程Linux內核有兩種映像格式：一種是非壓縮內核，叫Image，另一種是它的壓縮版本，叫zImage。zImage是Image經過壓縮形成的，所以它的大小比Image小。但為了能使用zImage，必須在它的開頭加上解壓縮的代碼，將zImage解壓縮之后才能執行，因此它的執行速度比Image要慢一些。 內核壓縮和解壓縮代碼都在目錄kernel/arch/arm/boot/compressed，編譯完成后將產生head.o、misc.o、piggy.gzip.o、vmlinux、decompress.o這幾個文件，head.o是內核的頭部文件，負責初始設置；misc.o將主要負責內核的解壓工作，它在head.o之后；piggy.gzip.o是一個中間文件，其實是一個壓縮的內核(kernel/vmlinux)，只不過沒有和初始化文件及解壓文件鏈接而已；vmlinux是沒有(zImage是壓縮過的內核)壓縮過的內核，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完成系統引導將Linux內核加載到內存之后，調用do_bootm_linux()，這個函數將跳轉到kernel的起始位置。如果kernel沒有被壓縮，就可以啟動了。如果kernel被壓縮過，則要進行解壓，在壓縮過的kernel頭部有解壓程序。壓縮過的kernel入口第一個文件源碼位置在arch/arm/boot/compressed/head.S。它將調用函數decompress_kernel()，這個函數在文件arch/arm/boot/compressed/misc.c中，decompress_kernel()又調用arch_decomp_setup()進行設置，然后調用gunzip()將內核放于指定的位置。 函數decompress_kernel實現的功能：解壓縮代碼位于kernel/lib/inflate.c，inflate.c是從gzip源程序中分離出來的，包含了一些對全局數據的直接引用，在使用時需要直接嵌入到代碼中。gzip壓縮文件時總是在前32K字節的范圍內尋找重復的字符串進行編碼， 在解壓時需要一個至少為32K字節的解壓緩沖區，它定義為window[WSIZE]。inflate.c使用get_byte()讀取輸入文件，它被定義成宏來提高效率。輸入緩沖區指針必須定義為inptr，inflate.c中對之有減量操作。inflate.c調用flush_window()來輸出window緩沖區中的解壓出的字節串，每次輸出長度用outcnt變量表示。在flush_window()中，還必須對輸出字節串計算CRC并且刷新crc變量。在調用gunzip()開始解壓之前，調用makecrc()初始化CRC計算表。最后gunzip()返回0表示解壓成功。在內核啟動時一般會看到這樣的輸出： UncompressingLinux...done, booting the kernel. 當然有的內核沒有這樣的輸出，是沒有這一條打印語句。 30.2 Linux內核啟動（二）：ARM處理器相關設置當Linux內核自解壓完成后，開始執行內核代碼。內核的入口函數由鏈接腳本vmlinux.lds決定，需要編譯內核源碼，才會生成腳本文件。 首先分析Linux內核的鏈接腳本文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds，通過鏈接腳本可以找到Linux內核的第一行程序是從哪里開始執行的。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內核入口函數為stext，因此要分析Linux內核第二階段的啟動流程，就得先從文件 arch/arm/kernel/head.S 的stext處開始分析。 30.2.1 Linux內核入口函數stextstext是Linux內核的入口地址，在文件arch/arm/kernel/head.S中有如下內容： /* * 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. ..... */ 以上代碼中的內容顯示。Linux內核啟動之前要求如下： ① 關閉MMU ② 關閉D-cache ③ 不用關心I-cache ④ r0 = 0。 ⑤ r1 = machine nr（機器ID號） ⑥ r2 = atags或者設備樹（dts）首地址 Linux內核的入口點stext其實相當于內核的入口函數，stext函數代碼如下： 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，調用函數safe_svcmode_maskall確保CPU處于SVC模式，并且關閉了所有的中斷。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調用結束返回原程序時，會將返回結果保存到寄存器中。其中r5寄存器返回一個用來描述處理器的結構體地址，并對r5進行判斷，如果r5的值為0則說明不支持這種處理器，將進入__error_p。 procinfo 是 proc_info_list類 型 的 結 構 體 ，Linux內核將每種處理器都抽象為一個 proc_info_list 結構體，每種處理器都對應一個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，調用函數__vet_atags 驗證 atags 或設備樹(dtb)的合法性。函數__vet_atags 定義在文件 arch/arm/kernel/head-common.S 中。 第 128 行，調用函數__create_page_tables 創建頁表。 第 137 行，將函數__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 最終會調用 start_kernel 函數。 第 144 行 ，調用 __enable_mmu 函 數 使 能 MMU ， __enable_mmu 定 義 在 文 件arch/arm/kernel/head.S 中。__enable_mmu 最終會通過調用__turn_mmu_on 來打開 MMU，__turn_mmu_on 最后會執行 r13 里面保存的__mmap_switched 函數。 30.2.2 _mmap_switched 函數__mmap_switched 函數定義在文件arch/arm/kernel/head-common.S中，函數代碼如下： 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 行最終調用 start_kernel 來啟動 Linux 內核，start_kernel 函數定義在文件 init/main.c中。 從start_kernel 函數開始Linux內核啟動進入到下一個階段。 下面內容請關注：Linux內核啟動流程-迅為IMX6ULL開發板（二） |
