Linux内核启动过程

Linux内核启动过程

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本文主要是对《嵌入式Linux应用开发完全手册》中内容的整理和总结，在进行这一部分学习之前，有必要对Linux内核源码组织结构进行了解。

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Linux内核在启动过程中执行了很多的函数，不可能像学习U-Boot时一样将所有相关的代码查看一遍，主要了解其总体的启动过程和其中的一些函数进行了解。

启动过程概述
启动过程分成两个部分，第一阶段用汇编代码编写，第二阶段是用C语言进行编写的。

第一阶段

• 检查内核是否支持CPU、开发板型号。

• 连接内核时使用的是虚拟地址，所以需要设置页表、使能MMU。

• 调用C函数start_kernel之前的常规工作，包括复制数据段、清除BBS段、调用start_kernel函数。

第二阶段

第二阶段使用C语言编写，它进行内核的初始化的全部工作，最后调用rest_init函数启动init过程，创建系统第一个进程:init进程。在第二阶段，仍有部分架构/开发板相关的代码，比如setup_arch函数用于进行架构/开发板相关的设置（比如重新设置页表、设置系统时钟、初始化串口等）。

图片摘自《嵌入式Linux应用开发完全手册》

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第一阶段代码分析

SECTIONS{    .text.head : {        _stext = .;        _sinittext = .;        *(.text.head)    }    ...}

上述的代码摘自连接文件，可以看出段.text.head位于Linux内核镜像中的最前面的部分，也是最先执行的。

.section ".text.head", "ax"ENTRY(stext)    setmode PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9 @ 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  __vet_atags    bl  __create_page_tables

上述代码摘自head.S文件，这一部分是Linux内核镜像的入口点。

    setmode PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9 

首先将处理器设置为SVC模式，同时禁止FIR和IRQ。

    mrc p15, 0, r9, c0, c0          bl  __lookup_processor_type         movs    r10, r5                 beq __error_p

从协处理寄存器中获得CPU的型号，然后与内核支持的CPU型号进行比较，如果没有相符合的就跳转到错误处理，错误处理会将CPU挂起来，这样只能重启CPU了。

CPU型号信息由结构体proc_info_list保存，该结构体的原型在/arch/arm/include/asm/procinfo.h中定义。

具体支持的型号在/arch/arm/mm/proc-arm920.S中

    .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr    .type   __arm920_proc_info,#object__arm920_proc_info:    .long   0x41009200    .long   0xff00fff0    ...

可见该结构体在连接时，将会出现在.proc.info.init段中，相应的在连接文件中有如下代码：

        __proc_info_begin = .;            *(.proc.info.init)        __proc_info_end = .;

所以在检测是否支持目标板的CPU类型时，只要将该段中的CPU逐一比较即可。

bl  __lookup_machine_type           movs    r8, r5              beq __error_a

接下来是比较U-boot传递的开发板ID是否符合编译的内核Linux的开发板ID，如果不一致同样会进入错误代码处理，将CPU挂起，只能重启CPU。

U-boot是通过将机器ID保存在R1寄存器中进行传递的，Linux中的机器ID保存在一个machine_desc结构中，它定义了开发板相关的一些属性及函数，比如机器类型ID、起始I/O物理地址，Bootloader传入的参数的地址、中断初始化函数、I/O映射函数。该结构体和体系架构关系密切，所以定义在体系架构代码部分，比如对于SDMK2440开发板，在/arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c中定义，如下：

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

它是以宏的形式表示的，宏的定义在arch/arm/include/asm/mach/arch.h中

#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             \};

展开后会有一个MACH_TYPE_S3C2440宏，该宏定义在arch/arm/tools/mach-types中定义，最后会被转换成一个头文件mach-types.h供其他文件包含。
该结构体将会被连接到一个单独的段.arch.info.init中，该段在连接文件中如下：

        __arch_info_begin = .;            *(.arch.info.init)        __arch_info_end = .;

第一阶段接下来的部分是用来创建一级页表，使能MMU的，具体的代码不分析，用到的时候再仔细研究。

第二阶段代码分析

在进入start_kernel函数之后，如果在串口上没有看到内核的启动信息，一般而言有两个原因：Bootloader传入的命令行参数不对，或者setup_arch函数针对开发板的设置不正确。

在调用setup_arch函数之前已经调用了printk(linux_banner),但是并不会立即在控制台中显示，而只是放在缓冲区中，当控制台初始化完毕之后才会显示该内容。

setup_arch函数分析

在第二阶段中，setup_arch函数是非常重要的一个函数，它完成和开发板有关的初始化。该函数在arch/arm/kernel/setup.c中定义。

上面的图片摘自《嵌入式Linux应用开发完全手册》

下面是函数setup_arch：

void __init setup_arch(char **cmdline_p){    ...    setup_processor();    mdesc = setup_machine(machine_arch_type);    ...    if (__atags_pointer)        tags = phys_to_virt(__atags_pointer);    else if (mdesc->boot_params)        tags = phys_to_virt(mdesc->boot_params);    ...    if (tags->hdr.tag == ATAG_CORE) {        if (meminfo.nr_banks != 0)            squash_mem_tags(tags);        save_atags(tags);        parse_tags(tags);    }    ...    memcpy(boot_command_line, from, COMMAND_LINE_SIZE);    boot_command_line[COMMAND_LINE_SIZE-1] = '\0';    parse_cmdline(cmdline_p, from);    paging_init(mdesc);    ...}

首先进行setup_processor();它会调用lookup_procsee_info以获得CPU的proc_info_list结构体，并进行相应地初始化。

mdesc = setup_machine(machine_arch_type);

setup_machine()函数本来应该对开发板进行一些初始化，但是，对于ARM开发板，该函数不进行任何相应的初始化。

    if (__atags_pointer)        tags = phys_to_virt(__atags_pointer);    else if (mdesc->boot_params)        tags = phys_to_virt(mdesc->boot_params);

确定Bootloader传递的tags所在的地址，因为这个时候已经建立了页表，所以要进行物理地址到虚拟地址的转换。tags的地址是事先商量好的一个内存地址，不通过Bootloader传递该地址的值。R2寄存器保存Bootloader传递给内核tags标记列表的基地址。

    if (tags->hdr.tag == ATAG_CORE) {        if (meminfo.nr_banks != 0)            squash_mem_tags(tags);        save_atags(tags);        parse_tags(tags);    }

如果在内核中已经定义了meminfo结构体，就忽略tags中传递的meminfo结构体。然后遍历tags中的所有标记，并且做相应的处理。

    memcpy(boot_command_line, from, COMMAND_LINE_SIZE);    boot_command_line[COMMAND_LINE_SIZE-1] = '\0';    parse_cmdline(cmdline_p, from);    paging_init(mdesc);

对命令行进行一些先期的处理，然后重新初始化一次页表映射。paging_init(mdesc);这是一个和开发板相关的函数。

paging_init -> devicemaps_init -> mdesc->map_io()

paging_init函数将会调用devicemaps_init函数，然后devicemaps_init函数将会调用mdesc结构体中map_io函数。

static void __init smdk2440_map_io(void){    s3c24xx_init_io(smdk2440_iodesc, ARRAY_SIZE(smdk2440_iodesc));    s3c24xx_init_clocks(16934400);    s3c24xx_init_uarts(smdk2440_uartcfgs, ARRAY_SIZE(smdk2440_uartcfgs));}

至此，在setup_arch函数中执行的内容结束了。现在继续回到start_kernel：

在start_kernel中会执行函数console_init(void)，接下来分析这个函数：

void __init console_init(void){    initcall_t *call;    tty_ldisc_begin();    call = __con_initcall_start;    while (call < __con_initcall_end) {        (*call)();        call++;    }}

它会调用从__con_initcall_start到__con_initcall_end之间的所有的函数，这些函数使用console_initcall宏来指定。
在连接文件中有如下定义：

        __con_initcall_start = .;            *(.con_initcall.init)        __con_initcall_end = .;

在Samsung.h中有如下定义：

static int __init s3c_serial_console_init(void)         {                                   return s3c24xx_serial_initconsole(__drv, __inf);    }                               console_initcall(s3c_serial_console_init)

根据上面的分析可见，在执行console_init函数时，s3c24xx_serial_initconsole(__drv, __inf);将会被执行。

int s3c24xx_serial_initconsole(struct platform_driver *drv,struct s3c24xx_uart_info *info){    ...    register_console(&s3c24xx_serial_console);    return 0;}

这个函数将会执行register_console(&s3c24xx_serial_console);函数，这个函数将会将s3c24xx_serial_console结构体链接到控制台链表中。

static struct console s3c24xx_serial_console = {    .name       = S3C24XX_SERIAL_NAME,    .device     = uart_console_device,    .flags      = CON_PRINTBUFFER,    .index      = -1,    .write      = s3c24xx_serial_console_write,    .setup      = s3c24xx_serial_console_setup};

这个结构体中保存着控制台设备的信息。

#define S3C24XX_SERIAL_NAME "ttySAC"

    .index      = -1,

这行代码表示序号可以是任意的，也就是说控制台参数可以为ttySAC0/1/2。
所以我们在Bootloader中传递的命令行参数中的console可以等于以上几个值，结果都是一样的。