基于迅為-IMX6ULL開發板 Linux內核啟動（三）：內核初始化
start_kernel是所有Linux平臺進入系統內核初始化后的入口函數，它主要完成剩余的與 硬件平臺相關的初始化工作，在進行一系列與內核相關的初始化后，調用第一個用戶進程－ init 進程并等待用戶進程的執行，這樣整個 Linux內核便啟動完畢。 30.3.1 start_kernel 函數start_kernel 通過調用眾多的子函數來完成 Linux 啟動之前的一些初始化工作，由于start_kernel 函數里面調用的子函數太多，而這些子函數又很復雜，因此我們簡單介紹一下一些重要的子函數。start_kernel 函數定義在文件 init/main.c中。精簡并添加注釋后的 start_kernel 函數內容如下： asmlinkage __visible void __init start_kernel(void) { char *command_line; char *after_dashes; lockdep_init(); /* lockdep 是死鎖檢測模塊，此函數會初始化 * 兩個 hash 表。此函數要求盡可能早的執行！ */ set_task_stack_end_magic(&init_task); /* 設置任務棧結束魔術數， *用于棧溢出檢測 */ smp_setup_processor_id(); /* 跟 SMP 有關(多核處理器)，設置處理器 ID。 * 有很多資料說 ARM 架構下此函數為空函數，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 系統資源*/ local_irq_disable(); /* 關閉當前 CPU 中斷 */ early_boot_irqs_disabled = true; /* * 中斷關閉期間做一些重要的操作，然后打開中斷 */ boot_cpu_init(); /* 跟 CPU 有關的初始化 */ page_address_init(); /* 頁地址相關的初始化 */ pr_notice("%s", linux_banner);/* 打印 Linux 版本號、編譯時間等信息 */ setup_arch(&command_line); /* 架構相關的初始化，此函數會解析傳遞進來的 * ATAGS 或者設備樹(DTB)文件。會根據設備樹里面 * 的 model 和 compatible 這兩個屬性值來查找 * Linux 是否支持這個單板。此函數也會獲取設備樹 * 中 chosen 節點下的 bootargs 屬性值來得到命令 * 行參數，也就是 uboot 中的 bootargs 環境變量的 * 值，獲取到的命令行參數會保存到 *command_line 中。 */ mm_init_cpumask(&init_mm); /* 看名字，應該是和內存有關的初始化 */ setup_command_line(command_line); /* 好像是存儲命令行參數 */ setup_nr_cpu_ids(); /* 如果只是 SMP(多核 CPU)的話，此函數用于獲取 * CPU 核心數量，CPU 數量保存在變量 * nr_cpu_ids 中。 */ setup_per_cpu_areas(); /* 在 SMP 系統中有用，設置每個 CPU 的 per-cpu 數據 */ smp_prepare_boot_cpu();
build_all_zonelists(NULL, NULL); /* 建立系統內存頁區(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 */ 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); /* 設置 log 使用的緩沖區*/ pidhash_init(); /* 構建 PID 哈希表，Linux 中每個進程都有一個 ID, * 這個 ID 叫做 PID。通過構建哈希表可以快速搜索進程 * 信息結構體。 */ vfs_caches_init_early(); /* 預先初始化 vfs(虛擬文件系統)的目錄項和 * 索引節點緩存 */ sort_main_extable(); /* 定義內核異常列表 */ trap_init(); /* 完成對系統保留中斷向量的初始化 */ mm_init(); /* 內存管理初始化 */
sched_init(); /* 初始化調度器，主要是初始化一些結構體 */ preempt_disable(); /* 關閉優先級搶占 */ if (WARN(!irqs_disabled(), /* 檢查中斷是否關閉，如果沒有的話就關閉中斷 */ "Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n")) local_irq_disable(); idr_init_cache(); /* IDR 初始化，IDR 是 Linux 內核的整數管理機 * 制，也就是將一個整數 ID 與一個指針關聯起來。 */ rcu_init(); /* 初始化 RCU，RCU 全稱為 Read Copy Update(讀-拷貝修改) */ trace_init(); /* 跟蹤調試相關初始化 */ context_tracking_init(); radix_tree_init(); /* 基數樹相關數據結構初始化 */ early_irq_init(); /* 初始中斷相關初始化,主要是注冊 irq_desc 結構體變 * 量，因為 Linux 內核使用 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 * 緩沖區中，并沒有打印出來。只有調用此函數 * 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(); /* 初始化一些結構體以使用 fork 函數 */ proc_caches_init(); /* 給各種資源管理結構分配緩存 */ buffer_init(); /* 初始化緩沖緩存*/ key_init(); /* 初始化密鑰*/ security_init(); /* 安全相關初始化*/ dbg_late_init(); vfs_caches_init(totalram_pages); /* 為 VFS 創建緩存 */ 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 */ nsfs_init(); cpuset_init(); /* 初始化 cpuset，cpuset 是將 CPU 和內存資源以邏輯性 * 和層次性集成的一種機制，是 cgroup 使用的子系統之一 */ cgroup_init(); /* 初始化 cgroup */ taskstats_init_early(); /* 進程狀態初始化 */ 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 */ } start_kernel 里面調用了大量的函數，每一個函數都是一個龐大的知識點，如果想要學習Linux 內核，那么這些函數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于 Linux 內核的知識。start_kernel 函數最后調用了 rest_init，接下來簡單看一下rest_init函數。 rest_init 函數定義在文件 init/main.c 中，函數內容如下： 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，調用函數 rcu_scheduler_starting，啟動 RCU 鎖調度器。 第 394 行，調用函數 kernel_thread 創建 kernel_init 線程，也就是大名鼎鼎的 init 內核進程。init 進程的 PID 為 1。init 進程一開始是內核進程(也就是運行在內核態)，后面 init 進程會在根文件系統中查找名為“init”這個程序，這個“init”程序處于用戶態，通過運行這個“init”程序，init 進程就會實現從內核態到用戶態的轉變。 第 396 行，調用函數 kernel_thread 創建 kthreadd 內核進程，此內核進程的 PID 為 2。kthreadd進程負責所有內核進程的調度和管理。 第 409 行，最后調用函數 cpu_startup_entry 來進入 idle 進程，cpu_startup_entry 會調用cpu_idle_loop，cpu_idle_loop 是個 while 循環，也就是 idle 進程代碼。idle 進程的 PID 為 0，idle進程叫做空閑進程，如果學過 FreeRTOS 或者 UCOS 的話應該聽說過空閑任務。idle 空閑進程就和空閑任務一樣，當 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。其實大家應該可以看到 idle 進程并沒有使用 kernel_thread 或者 fork 函數來創建，因為它是有主進程演變而來的。 30.3.3 init 進程kernel_init 函數就是 init 進程具體做的工作，定義在文件 init/main.c 中，函數內容如下： 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(); /* 等待所有的異步調用執行完成 */ 935 free_initmem(); /* 釋放 init 段內存*/ 936 mark_rodata_ro(); 937 system_state = SYSTEM_RUNNING; /* 標記系統正在運行*/ 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。 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 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”表示根文件系統中的 linuxrc 就是要執行的用戶空間 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，那么就提示錯誤發生！ 最后來簡單看一下 kernel_init_freeable 函數，前面說了，kernel_init 會調用此函數來做一些init 進程初始化工作。kernel_init_freeable 定義在文件 init/main.c 中，縮減后的函數內容如下： 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)調度初始化 */ 1001 1002 do_basic_setup(); /* 設備初始化都在此函數中完成 */ 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 函數用于完成 Linux 下設備驅動初始化工作！非常重要。 do_basic_setup 會調用 driver_init 函數完成 Linux 下驅動模型子系統的初始化。 第 1005 行，打開設備“/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，作為標準輸入(0)。 第 1008 和 1009 行，sys_dup 函數將標準輸入(0) 的文件描述符復制了 2 次，一個作為標準輸出(1)，一個作為標準錯誤(2)。這樣標準輸入、輸出、錯誤都是/dev/console 了。console 通過uboot 的 bootargs 環境變量設置，“console=ttymxc0,115200”表示將/dev/ttymxc0 設置為 console ，也就是 I.MX6U 的串口 1 。當然，也可以設置其他的設備為 console ，比如虛擬控制臺 tty1 ，設置 tty1 為 console 就可以在 LCD 屏幕上看到系統的提示信息。 第 1020 行，調用函數 prepare_namespace 來掛載根文件系統。跟文件系統也是由命令行參數指定的，也就是 uboot 的 bootargs 環境變量。比如“root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw”就表示根文件系統在/dev/mmcblk1p2 中，也就是 EMMC 的分區 2 中。 Linux 內核啟動流程就分析到這里，Linux 內核最終是需要和根文件系統打交道的，需要掛載根文件系統，并且執行根文件系統中的 init 程序，以此來進去用戶態。這里就正式引出了根文件系統，根文件系統也是我們系統移植的最后一片拼圖。Linux 移植三巨頭：uboot、Linux kernel、rootfs(根文件系統)。關于根文件系統后面章節會詳細的講解，這里我們只需要知道 Linux內核移植完成以后還需要構建根文件系統即可。
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發表于 2020-7-20 10:18:57
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