内核启动

我们从u-boot启动内核可知道，uboot通过这条命令theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params);来启动内核。

那么我们可以内核启动第一步肯定是处理u-boot传入的参数（机器ID、启动参数），再通过一系列的步骤达到最终目的：挂接根文件系统来运行应用程序

我们来看一下整体流程图：

1.内核引导阶段

启动文件head.S和head-common.S　

.section ".text.head", "ax"    .type   stext, %functionENTRY(stext)    msr cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode                        @ and irqs disabled    mrc p15, 0, r9, c0, c0      @ get processor id    bl  __lookup_processor_type     @ r5=procinfo r9=cpuid    movs    r10, r5             @ invalid processor (r5=0)?    beq __error_p           @ yes, error 'p'    bl  __lookup_machine_type       @ r5=machinfo    movs    r8, r5              @ invalid machine (r5=0)?    beq __error_a           @ yes, error 'a'    bl  __create_page_tables    ldr r13, __switch_data      @ address to jump to after                        @ mmu has been enabled    adr lr, __enable_mmu        @ return (PIC) address    add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC

首先看这段汇编代码，它主要是用来做一些内核启动前的检测：
__lookup_processor_type 检测内核是否支持当前CPU、__lookup_machine_type检测是否支持当前单板，并且__create_page_tables创建页表，__enable_mmu使能MMU。
这里我们首先打开__lookup_machine_type。

.long   __proc_info_begin    .long   __proc_info_end3:  .long   .    .long   __arch_info_begin    .long   __arch_info_end/* * Lookup machine architecture in the linker-build list of architectures. * Note that we can't use the absolute addresses for the __arch_info * lists since we aren't running with the MMU on (and therefore, we are * not in the correct address space).  We have to calculate the offset. * *  r1 = machine architecture number * Returns: *  r3, r4, r6 corrupted *  r5 = mach_info pointer in physical address space */    .type   __lookup_machine_type, %function__lookup_machine_type:    adr r3, 3b              @ r3 = address of 3,real address,phy address    ldmia   r3, {r4, r5, r6}@ r4 = "." virtual address of 3,r5 = __arch_info_begin,r6 =     __arch_info_end    sub r3, r3, r4          @ get offset between virt&phys    add r5, r5, r3          @ convert virt addresses to    add r6, r6, r3          @ physical address space    /*    __arch_info_begin = .;     *(.arch.info.init)    __arch_info_end = .;    */1:  ldr r3, [r5, #MACHINFO_TYPE]    @ get machine type    teq r3, r1              @ matches loader number?    beq 2f              @ found    add r5, r5, #SIZEOF_MACHINE_DESC    @ next machine_desc    cmp r5, r6    blo 1b    mov r5, #0              @ unknown machine2:  mov pc, lr

我们在arch\arm\kernel找到__lookup_machine_type被定义在head-common.S文件中。
开始分析代码：
首先，读出3物理地址给r3。
然后用ldmia指令将r3对应的3条指令的虚拟地址分别存入r4,r5,r6。
所以现在r4=. ； r5=__arch_info_begin ； r6=__arch_info_end
然后用r3-r4求出物理地址和虚拟地址的偏移值，再利用这个偏移值求出r5和r6的实际物理地址。
其中__arch_info_begin和__arch_info_end定义在内核目录arch\arm\kernel下vmlinux.lds文件中，
经过起始虚拟地址= (0xc0000000) + 0x00008000逐层叠加得到。

SECTIONS{ . = (0xc0000000) + 0x00008000; .text.head : {  _stext = .;  _sinittext = .;  *(.text.head) } .init : { /* Init code and data        */   *(.init.text)  _einittext = .;  __proc_info_begin = .;   *(.proc.info.init)  __proc_info_end = .;  __arch_info_begin = .;//   *(.arch.info.init)  __arch_info_end = .;//

这里的__arch_info_begin和__arch_info_end中间存放的是段属性为.arch.info.init的结构体。
这里我们可以直接在linux下查询内核中包含.arch.info.init的文件。

/*************Direction:include/asm-arm/arch.h********************/#define MACHINE_START(_type,_name)          \static const struct machine_desc __mach_desc_##_type    \ __used                         \ __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = {    \    .nr     = MACH_TYPE_##_type,        \    .name       = _name,#define MACHINE_END             \};/*************Direction:arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c******************/MACHINE_START(S3C2440, "SMDK2440")    /* Maintainer: Ben Dooks <[e-mail]> */    .phys_io    = S3C2410_PA_UART,    .io_pg_offst    = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,    .boot_params    = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,    .init_irq   = s3c24xx_init_irq,    .map_io     = smdk2440_map_io,    .init_machine   = smdk2440_machine_init,    .timer      = &s3c24xx_timer,MACHINE_END

如上：在include/asm-arm/arch.h中找到了定义的结构体类型machine_desc，并且在代码中它的段属性被强制定义成了.arch.info.init。
这样做的目的是在刚刚我们看到的vmlinux.lds链接脚本文件中，可以将具有.arch.info.init段属性的结构体统一放在__arch_info_begin和__arch_info_end之间。
非常便于处理。那么现在我们将这个结构体展开，看看它的内容。也就是将arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c中的参数传入。展开后如下：

static const struct machine_desc __mach_desc_S3C2440    \ __used                         \ __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = {    \    .nr     = MACH_TYPE_S3C2440,        \    .name       = "SMDK2440",    /* Maintainer: Ben Dooks <[e-mail]> */    .phys_io    = S3C2410_PA_UART,    .io_pg_offst    = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,    .boot_params    = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,    //0x30000100    .init_irq   = s3c24xx_init_irq,    .map_io     = smdk2440_map_io,    .init_machine   = smdk2440_machine_init,    .timer      = &s3c24xx_timer,};

现在我们看到，定义的结构体类型machine_desc，内容为.nr到.timer。
我们可以看出这个结构体大概是存储硬件信息。
nr存放机器ID，name存放单板名称，phys_io存放输入输出口，io_pg_offst存放IO的偏移地址，boot_params存放uboot传给内核的启动参数（TAG）,init_irq存放的是中断初始化信息，map_io为IO的映射表，init_machine存放的是单板的初始化信息，timer存放的是单板的定时器信息。

struct machine_desc {    /*     * Note! The first four elements are used     * by assembler code in head-armv.S     */    unsigned int        nr;     /* architecture number  */    unsigned int        phys_io;    /* start of physical io */    unsigned int        io_pg_offst;    /* byte offset for io                          * page tabe entry  */    const char      *name;      /* architecture name    */    unsigned long       boot_params;    /* tagged list      */    unsigned int        video_start;    /* start of video RAM   */    unsigned int        video_end;  /* end of video RAM */    unsigned int        reserve_lp0 :1; /* never has lp0    */    unsigned int        reserve_lp1 :1; /* never has lp1    */    unsigned int        reserve_lp2 :1; /* never has lp2    */    unsigned int        soft_reboot :1; /* soft reboot      */    void            (*fixup)(struct machine_desc *,                     struct tag *, char **,                     struct meminfo *);    void            (*map_io)(void);/* IO mapping function  */    void            (*init_irq)(void);    struct sys_timer    *timer;     /* system tick timer    */    void            (*init_machine)(void);};

我们打开arch.h文件，看到对machine_desc结构体的定义确实和我们刚刚所说的一样。
到此处理u-boot传来的机器ID结束。再回到head-common.S文件，这里对mmap_switch定义：

.type   __switch_data, %object__switch_data:    .long   __mmap_switched    .long   __data_loc          @ r4    .long   __data_start            @ r5    .long   __bss_start         @ r6    .long   _end                @ r7    .long   processor_id            @ r4    .long   __machine_arch_type     @ r5    .long   cr_alignment            @ r6    .long   init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp/* * The following fragment of code is executed with the MMU on in MMU mode, * and uses absolute addresses; this is not position independent. * *  r0  = cp#15 control register *  r1  = machine ID *  r9  = processor ID */    .type   __mmap_switched, %function__mmap_switched:    adr r3, __switch_data + 4    ldmia   r3!, {r4, r5, r6, r7}    cmp r4, r5              @ Copy data segment if needed1:  cmpne   r5, r6    ldrne   fp, [r4], #4    strne   fp, [r5], #4    bne 1b    mov fp, #0              @ Clear BSS (and zero fp)1:  cmp r6, r7    strcc   fp, [r6],#4    bcc 1b    ldmia   r3, {r4, r5, r6, sp}    str r9, [r4]            @ Save processor ID    str r1, [r5]            @ Save machine type    bic r4, r0, #CR_A           @ Clear 'A' bit    stmia   r6, {r0, r4}            @ Save control register values    b   start_kernel

mmap_switch做了很多工作，这里我们看到有复制数据段，清BSS段，保存CPU的ID，保存机器ID，清‘A’位，保存控制寄存器的值，然后就到了C语言段——start_kernel函数。

2.内核启动的第二阶段

C语言段—start_kernel

asmlinkage void __init start_kernel(void){    local_irq_disable();    early_boot_irqs_off();    early_init_irq_lock_class();/* * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then * enable them */    lock_kernel();    tick_init();    boot_cpu_init();    page_address_init();    printk(KERN_NOTICE);    printk(linux_banner);    setup_arch(&command_line);    setup_command_line(command_line);    printk(KERN_NOTICE "Kernel command line: %s\n", boot_command_line);    parse_early_param();    parse_args("Booting kernel", static_command_line, __start___param,           __stop___param - __start___param,           &unknown_bootoption);    init_IRQ();    profile_init();    if (!irqs_disabled())        printk("start_kernel(): bug: interrupts were enabled early\n");    early_boot_irqs_on();    local_irq_enable();    console_init();    rest_init();}

接下来进入start_kernel启动内核的C函数。
上面是start_kernel的部分代码。
这部分代码的主要作用是处理uboot传递来的参数，设置与体系结构相关的环境，初始化控制台，最后执行应用程序，实现功能。
start_kernel函数框架如下。

内核启动流程：arch/arm/kernel/head.Sstart_kernel    setup_arch(&command_line)           //  解析Uboot传入的启动参数    setup_command_line(command_line)    //  解析Uboot传入的启动参数    parse_early_param        do_early_param            从__setup_start到__setup_end，调用early函数    unknown_bootoption        obsolete_checksetup            从__setup_start到__setup_end，调用非early函数    rest_init        kernel_init            prepare_namespace                mount_root      //挂接根文件系统            init_post                //执行应用程序

• 这里每一个退格（TAB）都代表此函数被上一个函数调用（例如obsolete_checksetup是unknown_bootoption调用的函数）。
• setup_arch(&command_line)和setup_command_line(command_line)就是用来处理uboot传递进来的启动参数的（处理TAG）。
• do_early_param从__setup_start到 __setup_end，调用用early标识的函数（但因为__setup_param(str, fn, fn, 0)中early赋值为0，所以不在这里调用）,所以我们主要用obsolete_checksetup，后面会提及。
• obsolete_checksetup从__setup_start到 __setup_end，调用用非early标识的函数。
• mount_root是挂载根文件系统，因为Linux上的应用程序最终要在根文件系统上运行。最后是init_post中运行应用程序。
  那么现在就有一个问题，Linux内核是如何接收uboot传来的根文件系统信息的呢？

bootcmd=nand read.jffs2 0x30007FC0 kernel; bootm 0x30007FC0bootargs=noinitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console=ttySAC0

上面是uboot启动时打印的环境变量。其中我们能够看到根文件系统挂载到第4个分区：root=/dev/mtdblock3 (从0分区开始)。
上面我们提到过，setup_arch(&command_line)和setup_command_line(command_line)就是用来处理uboot传递进来的启动参数的（处理TAG）。但这个处理只是简单的复制粘贴而已，这两个函数将TAG保存，但并未进行真正的处理。那么真正告诉内核在哪里挂载的函数是什么呢？
我们通过查看rest_init->kernel_init->prepare_namespace可以看到一个saved_root_name。查找saved_root_name，发现在Do_mounts.c文件中有对它的调用：

static int __init root_dev_setup(char *line){    strlcpy(saved_root_name, line, sizeof(saved_root_name));    return 1;}__setup("root=", root_dev_setup);//传入一个字符串，一个函数

根据我们之前的经验，我们可以猜测这个__setup宏，也是定义了一个结构体。通过查找__setup我们找到了它的宏定义：

Dir:init.h#define __setup(str, fn)                    \    __setup_param(str, fn, fn, 0)#define __setup_param(str, unique_id, fn, early)            \    static char __setup_str_##unique_id[] __initdata = str;    \    static struct obs_kernel_param __setup_##unique_id    \        __attribute_used__                \        __attribute__((__section__(".init.setup")))    \        __attribute__((aligned((sizeof(long)))))    \        = { __setup_str_##unique_id, fn, early }

在init.h文件里，定义__setup等于__setup_param。那么在__setup_param的宏定义里，我们可以知道：
它先定义了一个字符串，然后定义了一个结构体类型obs_kernel_param __setup。
这个结构体的段属性为.init.setup，内容为一个字符串，一个函数，还有early。
具备这个属性的结构体被链接脚本文件放到一起，从__setup_start到 __setup_end搜索调用。

在vmlinux.lds中

__setup_start = .;   *(.init.setup)  __setup_end = .;

但是在Flash里没有分区，只能和uboot一样，将分区在代码里写死。一般在启动Linux的时候，Linux会自动打印出分区的信息。这里我的分区是这样的：

Creating 4 MTD partitions on "NAND 256MiB 3,3V 8-bit":0x00000000-0x00040000 : "bootloader"0x00040000-0x00060000 : "params"0x00060000-0x00260000 : "kernel"0x00260000-0x10000000 : "root"

我们搜索这个分区名grep "\"bootloader\"" * -nR.在arch/arm/plat-s3c24xx/Common-smdk.c中找到分区代码：

static struct mtd_partition smdk_default_nand_part[] = {    [0] = {        .name   = "bootloader",        .size   = 0x00040000,        .offset    = 0,    },    [1] = {        .name   = "params",        .offset = MTDPART_OFS_APPEND,        .size   = 0x00020000,    },    [2] = {        .name   = "kernel",        .offset = MTDPART_OFS_APPEND,        .size   = 0x00200000,    },    [3] = {        .name   = "root",        .offset = MTDPART_OFS_APPEND,        .size   = MTDPART_SIZ_FULL,    }};

至此，处理完uboot传递的参数，进行CPU和单板的校验，挂载根文件系统等一系列操作后，最终内核执行init_post()中的应用程序。