linux启动流程分析(转)

linux启动流程分析(转)

2009-05-16 17:13

linux启动流程分析(1)---bootloader启动内核过程

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Author: taoyuetao
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http://www.eetop.cn/blog/?11145

2006-11-01
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我分析的是2.4.19的内核版本，是xscale的平台，参考了网上非常多有价值的帖子，也加入了自己的一些看法，
陆续总结成文字，今天是第一篇：
内核一般是由bootloader来引导的，通过bootloader启动内核一般要传递三个参数，
第一个参数放在寄存器0中，一般都为0，r0 = 0；
第二个参数放在寄存器1中，是机器类型id，r1 = Machine Type Number；
第三个参数放在寄存器2中，是启动参数标记列表在ram中的起始基地址；
bootloader首先要将ramdisk（如果有）和内核拷贝到ram当中，然后能通过c语言的模式启动内核：
void (*startkernel)(int zero, int arch, unsigned int params_addr) = (void(*)(int, int, unsigned int))KERNEL_RAM_BASE;
startkernel(0, ARCH_NUMBER, (unsigned int)kernel_params_start);
其中KERNEL_RAM_BASE为内核在ram中启动的地址，ARCH_NUMBER是Machine Type Number，kernel_params_start是参数在ram的偏移地址。
这时候就将全力交给了内核。

linux启动流程分析(2)---内核启动地址的确定 
         内核编译链接过程是依靠vmlinux.lds文件，以arm为例vmlinux.lds文件位kernel/arch/arm/vmlinux.lds，
不过该文件是由vmlinux-armv.lds.in生成的，根据编译选项的不同源文件还能是vmlinux-armo.lds.in，
vmlinux-armv-xip.lds.in。
vmlinux-armv.lds的生成过程在kernel/arch/arm/Makefile中
LDSCRIPT     = arch/arm/vmlinux-armv.lds.in
arch/arm/vmlinux.lds: arch/arm/Makefile $(LDSCRIPT) ＼
$(wildcard include/config/cpu/32.h) ＼
$(wildcard include/config/cpu/26.h) ＼
$(wildcard include/config/arch/*.h)
@echo ’   Generating 
[email=$@%27]$@’[/email]
@sed ’s/TEXTADDR/$(TEXTADDR)/;s/DATAADDR/$(DATAADDR)/’ $(LDSCRIPT) >$@
vmlinux-armv.lds.in文件的内容：
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(stext)
SECTIONS
{
. = TEXTADDR;
.init : {           /* Init code and data    */
       _stext = .;
       __init_begin = .;
         *(.text.init)
       __proc_info_begin = .;
         *(.proc.info)
       __proc_info_end = .;
       __arch_info_begin = .;
         *(.arch.info)
       __arch_info_end = .;
       __tagtable_begin = .;
         *(.taglist)
       __tagtable_end = .;
         *(.data.init)
       . = ALIGN(16);
       __setup_start = .;
         *(.setup.init)
       __setup_end = .;
       __initcall_start = .;
         *(.initcall.init)
       __initcall_end = .;
       . = ALIGN(4096);
       __init_end = .;
}

其中TEXTADDR就是内核启动的虚拟地址，定义在kernel/arch/arm/Makefile中：
ifeq ($(CONFIG_CPU_32),y)
PROCESSOR = armv
TEXTADDR     = 0xC0008000
LDSCRIPT     = arch/arm/vmlinux-armv.lds.in
endif
需要注意的是这里是虚拟地址而不是物理地址。
一般情况下都在生成vmlinux后，再对内核进行压缩成为zImage，压缩的目录是kernel/arch/arm/boot。
下载到flash中的是压缩后的zImage文件，zImage是由压缩后的vmlinux和解压缩程式组成，如下图所示：
         |-----------------|＼ |-----------------|
         |                 | ＼ |                 |
         |                 |   ＼   | decompress code |
         |     vmlinux     | ＼ |-----------------| zImage
         |                 | ＼|                 |
         |                 |     |                 |
         |                 |     |                 | 
         |                 |     |                 |
         |                 | /|-----------------|
         |                 | /
         |                 |   /
         |                 | /
         |-----------------|/
         
zImage链接脚本也叫做vmlinux.lds，位于kernel/arch/arm/boot/compressed。
是由同一目录下的vmlinux.lds.in文件生成的，内容如下：
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
. = LOAD_ADDR;
_load_addr = .;

. = TEXT_START;
_text = .;

.text : {
    _start = .;
   
其中LOAD_ADDR就是zImage中解压缩代码的ram偏移地址，TEXT_START是内核ram启动的偏移地址，这个地址是物理地址。
在kernel/arch/arm/boot/Makefile文件中定义了：
ZTEXTADDR =0
ZRELADDR     = 0xa0008000
ZTEXTADDR就是解压缩代码的ram偏移地址，ZRELADDR是内核ram启动的偏移地址，这里看到指定ZTEXTADDR的地址为0，
明显是不正确的，因为我的平台上的ram起始地址是0xa0000000，在Makefile文件中看到了对该地址设置的几行注释：
# We now have a PIC decompressor implementation.   Decompressors running
# from RAM should not define ZTEXTADDR.   Decompressors running directly
# from ROM or Flash must define ZTEXTADDR (preferably via the config)
他的意识是如果是在ram中进行解压缩时，不用指定他在ram中的运行地址，如果是在flash中就必须指定他的地址。所以
这里将ZTEXTADDR指定为0，也就是没有真正指定地址。
在kernel/arch/arm/boot/compressed/Makefile文件有一行脚本：
SEDFLAGS = s/TEXT_START/$(ZTEXTADDR)/;s/LOAD_ADDR/$(ZRELADDR)/;s/BSS_START/$(ZBSSADDR)/
使得TEXT_START = ZTEXTADDR，LOAD_ADDR = ZRELADDR。
这样vmlinux.lds的生成过程如下：
vmlinux.lds: vmlinux.lds.in Makefile $(TOPDIR)/arch/$(ARCH)/boot/Makefile $(TOPDIR)/.config
@sed "$(SEDFLAGS)"   $@

以上就是我对内核启动地址的分析，总结一下内核启动地址的设置：
1、设置kernel/arch/arm/Makefile文件中的
TEXTADDR     = 0xC0008000
内核启动的虚拟地址
2、设置kernel/arch/arm/boot/Makefile文件中的
ZRELADDR     = 0xa0008000
内核启动的物理地址
如果需要从flash中启动还需要设置
ZTEXTADDR地址。

linux启动流程分析(3)---内核解压缩过程
内核压缩和解压缩代码都在目录kernel/arch/arm/boot/compressed，
编译完成后将产生vmlinux、head.o、misc.o、head-xscale.o、piggy.o这几个文件，
head.o是内核的头部文件，负责初始设置；
misc.o将主要负责内核的解压工作，它在head.o之后；
head-xscale.o文件主要针对Xscale的初始化，将在链接时与head.o合并；
piggy.o是一个中间文件，其实是一个压缩的内核(kernel/vmlinux)，只不过没有和初始化文件及解压文件链接而已；
vmlinux是(没有－－lw：zImage是压缩过的内核)压缩过的内核，就是由piggy.o、head.o、misc.o、head-xscale.o组成的。
在BootLoader完成系统的引导以后并将
[url=javascript:;]Linux[/url]
内核调入内存之后，调用bootLinux()，
这个函数将跳转到kernel的起始位置。如果kernel没有压缩，就可以启动了。
如果kernel压缩过，则要进行解压，在压缩过的kernel头部有解压程序。
压缩过得kernel入口第一个文件源码位置在arch/arm/boot/compressed/head.S。
它将调用函数decompress_kernel()，这个函数在文件arch/arm/boot/compressed/misc.c中，
decompress_kernel()又调用proc_decomp_setup(),arch_decomp_setup()进行设置，
然后使用在打印出信息“Uncompressing Linux...”后，调用gunzip()。将内核放于指定的位置。
以下分析head.S文件：
(1)对于各种
[url=javascript:;]Arm[/url]
CPU的DEBUG输出设定，通过定义宏来统一操作。
(2)设置kernel开始和结束地址，保存architecture ID。
(3)如果在ARM2以上的CPU中，用的是普通用户模式，则升到超级用户模式，然后关中断。
(4)分析LC0结构delta offset，判断是否需要重载内核地址(r0存入偏移量，判断r0是否为零)。
   这里是否需要重载内核地址，我以为主要分析arch/arm/boot/Makefile、arch/arm/boot/compressed/Makefile
   和arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds.in三个文件，主要看vmlinux.lds.in链接文件的主要段的位置，
   LOAD_ADDR(_load_addr)＝0xA0008000，而对于TEXT_START(_text、_start)的位置只设为0，BSS_START(__bss_start)＝ALIGN(4)。
   对于这样的结果依赖于，对内核解压的运行方式，也就是说，内核解压前是在内存(RAM)中还是在FLASH上，
   因为这里，我们的BOOTLOADER将压缩内核(zImage)移到了RAM的0xA0008000位置，我们的压缩内核是在内存(RAM)从0xA0008000地址
[url=javascript:;]开始[/url]
顺序排列，
   因此我们的r0获得的偏移量是载入地址(0xA0008000)。接下来的工作是要把内核镜像的相对地址转化为内存的物理地址，即重载内核地址。
(5)需要重载内核地址，将r0的偏移量加到BSS region和GOT table中。
(6)清空bss堆栈空间r2－r3。
(7)建立C程序运行需要的缓存，并赋于64K的栈空间。
(8)这时r2是缓存的结束地址，r4是kernel的最后执行地址，r5是kernel境象文件的开始地址。检查是否地址有冲突。
   将r5等于r2，使decompress后的kernel地址就在64K的栈之后。
(9)调用文件misc.c的函数decompress_kernel()，解压内核于缓存结束的地方(r2地址之后)。此时各寄存器值有如下变化：
   r0为解压后kernel的大小
   r4为kernel执行时的地址
   r5为解压后kernel的起始地址
   r6为CPU类型值(processor ID)
   r7为系统类型值(architecture ID)
(10)将reloc_start代码拷贝之kernel之后(r5+r0之后)，首先清除缓存，而后执行reloc_start。
(11)reloc_start将r5开始的kernel重载于r4地址处。
(12)清除cache内容，关闭cache，将r7中architecture ID赋于r1，执行r4开始的kernel代码。
下面简单介绍一下解压缩过程，也就是函数decompress_kernel实现的功能：
解压缩代码位于kernel/lib/inflate.c，inflate.c是从gzip源程序中分离出来的。包含了一些对全局数据的直接引用。
在使用时需要直接嵌入到代码中。gzip压缩文件时总是在前32K字节的范围内寻找重复的字符串进行编码， 
在解压时需要一个至少为32K字节的解压缓冲区，它定义为window[WSIZE]。inflate.c使用get_byte()读取输入文件，
它被定义成宏来提高效率。输入缓冲区指针必须定义为inptr，inflate.c中对之有减量操作。inflate.c调用flush_window()
来输出window缓冲区中的解压出的字节串，每次输出长度用outcnt变量表示。在flush_window()中，还必 
须对输出字节串计算CRC并且刷新crc变量。在调用gunzip()开始解压之前，调用makecrc()初始化CRC计算表。
最后gunzip()返回0表示解压成功。
我们在内核启动的开始都会看到这样的输出：
Uncompressing Linux...done, booting the kernel.
这也是由decompress_kernel函数内部输出的，它调用了puts()输出字符串，
puts是在kernel/include/asm-arm/arch-pxa/uncompress.h中实现的。
执行完解压过程，再返回到head.S中，启动内核：
call_kernel:    bl cache_clean_flush
         bl cache_off
         mov r0, #0
         mov r1, r7          @ restore architecture number
         mov pc, r4          @ call kernel
         
下面就开始真正的内核了。
                                                              taoyuetao
                                                              2006-11-06

linux启动流程分析(4)---汇编部分(1)
本文来自：虫虫实验室在线(www.ix88.com) 原文链接：http://www.ix88.com/jichu/Linun/setup/24558.html

在网上参考很多高手的文章，又加入了自己的一点儿内容，整理了一下，里面还有很多不明白的地方，而且也会有理解错误
的地方，望高手指点，自己也会不断进行修改
当进入
[url=javascript:;]linux[/url]
内核后,arch/arm/kernel/head-armv.S是内核最先执行的一个文件，包括从内核入口ENTRY(stext)到
start_kernel之间的初始化代码，下面以我所是用的平台intel pxa270为例，说明一下他的汇编代码：
1    .section ".text.init",#alloc,#execinstr
2    .type   stext, #function
/* 内核入口点 */
3 ENTRY(stext)
4    mov r12, r0
/* 程序状态，禁止FIQ、IRQ，设定SVC模式 */    
5     mov r0, #F_BIT | I_BIT | MODE_SVC   @ make sure svc mode
6    msr cpsr_c, r0          @ and all irqs disabled
/* 判断CPU类型，查找运行的CPU ID值与Linux编译支持的ID值是否支持 */
7    bl __lookup_processor_type
/* 判断如果r10的值为0，则表示函数执行错误，跳转到出错处理，*/
/* 出错处理函数__error的实现代码定义在debug-armv.S中，这里就不再作过多介绍了 */
8    teq r10, #0             @ invalid processor?
9    moveq   r0, #'p'            @ yes, error 'p'
10   beq __error
/* 判断体系类型，查看R1寄存器的Architecture Type值是否支持 */ 
11   bl __lookup_architecture_type
/* 判断如果r7的值为0，则表示函数执行错误，跳转到出错处理，*/
12   teq r7, #0              @ invalid architecture?
13   moveq   r0, #'a'            @ yes, error 'a'
14   beq __error
/* 创建核心页表 */ 
15   bl __create_page_tables
16   adr lr, __ret           @ return address
17   add pc, r10, #12            @ initialise processor
                              @ (return control reg)
                              
第5行，准备进入SVC工作模式，同时关闭中断(I_BIT)和快速中断(F_BIT)
第7行，查看处理器类型，主要是为了得到处理器的ID以及页表的flags。
第11行，查看一些体系结构的信息。
第15行，建立页表。
第17行，跳转到处理器的初始化函数，其函数地址是从__lookup_processor_type中得到的，
需要注意的是第16行，当处理器初始化完成后，会直接跳转到__ret去执行，
这是由于初始化函数最后的语句是mov pc, lr。