《Linux内核分析》MOOC课程第三次实验作业

来源：互联网发布：多重搜索算法编辑：程序博客网时间：2024/05/17 22:32

ustc赵凌云《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

操作系统启动综述

计算机启动的过程其实在Andrew S.Tanenbaum所著的《现代操作系统》（中文版第18页）中就有大略的描述：

1.计算机启动时，存储在RAM中的BIOS程序检查计算机的所有设备，包括RAM、键盘、鼠标、ISA及PCI总线上的设备等，这些设备将被记录下来。

2.BIOS寻找可引导介质，从软盘、CD或硬盘中加载操作系统，将控制权交给操作系统中的引导程序。

3.操作系统询问BIOS，获得各个设备的配置信息，然后开始进行初始化工作。

start_kernel函数分析

asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
...
// lockdep_init()是个宏，定义在kernel/fork.c中第388行，如下：
// # define lockdep_init()             do { } while (0)
// 可见没做什么事，留作未来扩展之用。
lockdep_init();
// init_task的类型为task_struct.task_struct包含了一个进程相关的所有信息,
// task_struct就是进程描述符（process descriptor）。
// init_task就是内核中第一个进程，也就是idle进程或0号进程的process descriptor，
// init_task由INIT_TASK宏完成初始化，
// set_task_stack_end_magic函数定义在kernel/fork.c中第297行到303行，
// 用于设置进程栈增长的终点。进程描述符和紧挨着的线程描述符thread_info，通常占据内核
// 分配的8K空间，并占据两个连续的内存页框，堆栈从这8K的高地址开始增长，在thread_info
// 结构外设置一个魔数，避免栈数据覆盖了thread_info结构。
    set_task_stack_end_magic(&init_task);
// 以下3个函数定义为空，不做分析
    smp_setup_processor_id();
    debug_objects_early_init();
    boot_init_stack_canary();
  // 函数体为return 0，不做分析
    cgroup_init_early();
// 关闭当前CPU中断
    local_irq_disable();
    early_boot_irqs_disabled = true;

// 在多CPU机器上选择CPU
    boot_cpu_init();
// 定义在mm/highmem.c第479行，用于高端内存初始化
page_address_init();
// 打印linux版本信息
    pr_notice("%s", linux_banner);
// setup_arch是个特定与体系结构的函数，主要关注内存管理各个方面的初始化。
// 在IA-32系统上，首先记录下内核在物理和虚拟内存中的位置。
// 调用setup_memory_map初始化bootmem分配器；
// 调用parse_early_param对命令行参数进行部分解释，处理与内存管理设置相关的参数；
    setup_arch(&command_line);
    mm_init_cpumask(&init_mm);
// 对command_line备份与保存
    setup_command_line(command_line);
// 以下3个函数在IA-32定义为空
    setup_nr_cpu_ids();
    setup_per_cpu_areas();
    smp_prepare_boot_cpu();
// 设置内存的相关节点和其中的内存域数据结构
    build_all_zonelists(NULL, NULL);
// 初始化page allocation相关数据结构
    page_alloc_init();
// 打印与解析内核启动相关参数
    pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line);
    parse_early_param();
    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();

// 使用bootmem分配一个启动信息的缓冲区
    setup_log_buf(0);
// 使用bootmem分配并初始化PID散列表
    pidhash_init();
// 前期VFS缓存初始化
    vfs_caches_init_early();
// 对内核异常表进行排序
sort_main_extable();
// 对内核陷阱异常经行初始化
    trap_init();
// 初始化内核内存分配器，启动信息中的内存信息来自此函数中的mem_init函数
    mm_init();

// 初始化调度器的数据结构，并创建运行队列
    sched_init();
  // 禁用抢占和中断，早期启动时期，调度是极其脆弱的
    preempt_disable();
    if (WARN(!irqs_disabled(),
         "Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n"))
        local_irq_disable();
// 为IDR机制分配缓存
    idr_init_cache();
// 内核RCU机制初始化
    rcu_init();
    context_tracking_init();
// 内核radix树算法初始化
    radix_tree_init();
    // 前期外部中断描述符初始化
    early_irq_init();
// 架构相关中断初始化
    init_IRQ();
// 初始化内核时钟
    tick_init();
// 函数定义为空
    rcu_init_nohz();
// 以下5个函数是软中断和内核时钟机制初始化
    init_timers();
    hrtimers_init();
    softirq_init();
    timekeeping_init();
    time_init();
    sched_clock_postinit();
    perf_event_init();
// profile子系统初始化，内核的性能调试工具
    profile_init();

call_function_init();
    WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled early\n");
    // 开启总中断
early_boot_irqs_disabled = false;
    local_irq_enable();
// slab分配器后期初始化
    kmem_cache_init_late();

  // 初始化控制台
    console_init();
    if (panic_later)
        panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,
              panic_param);
// 打印lockdep调试模块信息
    lockdep_info();

// 开启总中断后，用于测试lock inversion bugs
locking_selftest();

...
  // 以下3个函数定义为空
    page_cgroup_init();
    debug_objects_mem_init();
    kmemleak_init();
// 设置每个CPU的页组并初始化
    setup_per_cpu_pageset();
    // 分一致性内存访问(NUMA)初始化
numa_policy_init();
    if (late_time_init)
        late_time_init();
// 初始化调度时钟
    sched_clock_init();
    calibrate_delay();
    // PID分配映射初始化
pidmap_init();
// 匿名虚拟内存域初始化
    anon_vma_init();
    acpi_early_init();
#ifdef CONFIG_X86
    if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES))
        efi_enter_virtual_mode();
#endif
#ifdef CONFIG_X86_ESPFIX64
    /* Should be run before the first non-init thread is created */
    init_espfix_bsp();
#endif
    thread_info_cache_init();
// 任务信用系统初始化
    cred_init();
    // 进程创建机制初始化
fork_init(totalram_pages);
    proc_caches_init();
    // 缓存系统初始化，创建缓存头空间，并检查其大小限制
buffer_init();
    // 内核密钥管理系统初始化
key_init();
    // 内核安全框架初始化
security_init();
    // 内核调试系统后期初始化
dbg_late_init();
    // 虚拟文件系统缓存初始化
vfs_caches_init(totalram_pages);
    // 信号管理系统初始化
signals_init();
    // 页回写机制初始化
    page_writeback_init();
    // proc文件系统初始化
proc_root_init();
// 定义为空
cgroup_init();
    // CPUSET初始化
cpuset_init();
    // 任务状态早期初始化函数，为任务获取高速缓存并初始化互斥机制
taskstats_init_early();
// 任务延迟机制初始化
delayacct_init();

    check_bugs();

    sfi_init_late();

    if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) {
        efi_late_init();
        efi_free_boot_services();
    }

    ftrace_init();

// 其余部分初始化
    rest_init();
}

总结：

1 ）idle和1号进程怎么来的：

函数创建第一个核心进程kernel_init，同时init_task进程继续对Linux系统初始化。在完成初始化后，init_task会退化为cpu_idle进程，当Core0的就绪队列中没有其它进程时，该进程将会获得CPU运行。新创建的1号进程kernel_init将会逐个启动次CPU,并最终创建用户进程！

kernel_init 1号线程初始化

主要包括三方面

第一：引导SMP系统中的其它CPU(即AP(Aplication Processor))

第二：调用do_basic_setup()函数，完成Linux系统其它模块的初始化；

第三：更换核心进程kernel_init为普通进程之后，完成对Linux系统的二次引导，即对Linux系统应用程序的引导

2）start_kernel如何运行的：

调用load_up_mmu()重新装载MMU相关的寄存器，开启MMU并跳到start_kernel

再次让CPU进入是实地址模式，去运行load_up_mmu()函数。这样做的目的是让core0在实模式下调用load_up_mmu()函数来重新装载MMU相关的寄存器，比如SDR1，BAT寄存器等。之所以要重新转载，是因为我们在<11>：blinitial_bats，创建的临时BAT块地址映射，只是启动的第一阶段用到的临时映射，现在这个临时地址映射需要舍弃了，我们需要重新初始化MMU，来建立正式的MMU地址映射从__start()到start_here()再到调用start_kernel()，主要的工作与当前目标板的硬件结构密切相关，包含对一些底层硬件进行最基本初始化操作等等，从start_kernel()开始的初始化操作与处理器的类型基本无关了。start_kernel本阶段也是有0号线程init_task中调用的，将完成Linux内核核心数据结构的初始化，最终创建1号线程kernel_init，最后由1号内核线程启动1号用户进程。

0 0