Linux內(nèi)核自解壓過程分析

Linux內(nèi)核自解壓過程

uboot完成系統(tǒng)引導(dǎo)以后，執(zhí)行環(huán)境變量bootm中的命令；即，將Linux內(nèi)核調(diào)入內(nèi)存中并調(diào)用do_bootm函數(shù)啟動內(nèi)核，跳轉(zhuǎn)至kernel的起始位置。如果內(nèi)核沒有被壓縮，則直接啟動；如果內(nèi)核被壓縮過，則需要進(jìn)行解壓，被壓縮過的kernel頭部有解壓程序。

壓縮過的kernel入口第一個文件源碼位置在/kernel/arch/arm/boot/compressed/head.S。它將調(diào)用decompress_kernel()函數(shù)進(jìn)行解壓，解壓完成后，打印出信息“Uncompressing Linux...done,booting the kernel”。解壓縮完成后，調(diào)用gunzip()函數(shù)（或unlz4()、或bunzip2()、或unlz()）將內(nèi)核放于指定位置，開始啟動內(nèi)核。

2. Linux內(nèi)核啟動準(zhǔn)備階段

由內(nèi)核鏈接腳本/kernel/arch/arm/kernel/vmlinux.lds可知，內(nèi)核入口函數(shù)為stext（/kernel/arch/arm/kernel/head.S）。內(nèi)核解壓完成后，解壓縮代碼調(diào)用stext函數(shù)啟動內(nèi)核。

ENTRY(stext)
setmodePSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9 @ ensure svc mode@ and irqs disabled
mrcp15, 0, r9, c0, c0            @ 獲得處理器ID，并存儲在r9寄存器中
bl__lookup_processor_type        @ 結(jié)果返回：描述處理器結(jié)構(gòu)體的地址 r5=procinfo ，處理器ID號 r9=cpuid
movsr10, r5                      @ invalid processor (r5=0)?判斷內(nèi)核是否支持該處理器
beq__error_p                     @ yes, error 'p'
bl__lookup_machine_type          @結(jié)果返回：描述機(jī)器（開發(fā)板）的結(jié)構(gòu)體地址  r5=machinfo
movsr8, r5                       @ invalid machine (r5=0)?判斷內(nèi)核是否支持該機(jī)器（開發(fā)板）
beq__error_a                     @ yes, error 'a'
bl__vet_atags                    @檢查uboot給內(nèi)核的傳參ATAGS格式是否正確
bl__create_page_tables           @建立虛擬地址映射頁表

ldrr13, __switch_data            @ address to jump to after

（1）關(guān)閉IRQ、FIQ中斷，進(jìn)入SVC模式。調(diào)用setmode宏實(shí)現(xiàn)；

（2）校驗處理器ID，檢驗內(nèi)核是否支持該處理器；若不支持，則停止啟動內(nèi)核。調(diào)用__lookup_processor_type函數(shù)實(shí)現(xiàn)；

（3）校驗機(jī)器碼，檢驗內(nèi)核是否支持該機(jī)器；若不支持，則停止啟動內(nèi)核。調(diào)用__lookup_machine_type函數(shù)實(shí)現(xiàn)；

（4）檢查uboot向內(nèi)核傳參ATAGS格式是否正確，調(diào)用__vet_atars函數(shù)實(shí)現(xiàn)；

（5）建立虛擬地址映射頁表。此處建立的頁表為粗頁表，在內(nèi)核啟動前期使用。Linux對內(nèi)存管理有更精細(xì)的要求，隨后會重新建立更精細(xì)的頁表。調(diào)用__create_page_tables函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

（6）跳轉(zhuǎn)執(zhí)行__switch_data函數(shù)，其中調(diào)用__mmap_switched完成最后的準(zhǔn)備工作。

    1）復(fù)制數(shù)據(jù)段、清除bss段，目的是構(gòu)建C語言運(yùn)行環(huán)境；

    2）保存處理器ID號、機(jī)器碼、uboot向內(nèi)核傳參地址；

    3）b   start_kernel跳轉(zhuǎn)至內(nèi)核初始化階段。

__switch_data:
.long__mmap_switched
..........................................................
__mmap_switched:
adrr3, __switch_data + 4

ldmiar3!, {r4, r5, r6, r7}
cmpr4, r5@ Copy data segment if needed
1:cmpner5, r6
ldrnefp, [r4], #4
strnefp, [r5], #4
bne1b

movfp, #0@ Clear BSS (and zero fp)
1:cmpr6, r7
strccfp, [r6],#4
bcc1b

 ARM(ldmiar3, {r4, r5, r6, r7, sp})
 THUMB(ldmiar3, {r4, r5, r6, r7})
 THUMB(ldrsp, [r3, #16])
strr9, [r4]@ Save processor ID
strr1, [r5]@ Save machine type
strr2, [r6]@ Save atags pointer
bicr4, r0, #CR_A@ Clear 'A' bit
stmiar7, {r0, r4}@ Save control register values
bstart_kernel
ENDPROC(__mmap_switched)

3. Linux內(nèi)核初始化階段

此階段從start_kernel函數(shù)開始。start_kernel函數(shù)是所有Linux平臺進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)核初始化的入口函數(shù)。它的主要工作是完成剩余與硬件平臺相關(guān)的初始化工作，在進(jìn)行一系列與內(nèi)核相關(guān)的初始化之后，調(diào)用第一個用戶進(jìn)程init并等待其執(zhí)行。至此，整個內(nèi)核啟動完成。

3.1 start_kernel函數(shù)的主要工作

start_kernel函數(shù)主要完成內(nèi)核相關(guān)的初始化工作。具體包括以下部分：
（1）內(nèi)核架構(gòu) 、通用配置相關(guān)初始化

（2） 內(nèi)存管理相關(guān)初始化

（3）進(jìn)程管理相關(guān)初始化

（4）進(jìn)程調(diào)度相關(guān)初始化

（5）網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)管理

（6）虛擬文件系統(tǒng)

（7）文件系統(tǒng)

3.2 start_kernel函數(shù)流中的關(guān)鍵函數(shù)

（1）setup_arch(&command_line)函數(shù)

內(nèi)核架構(gòu)相關(guān)的初始化函數(shù)，是非常重要的一個初始化步驟。其中，包含了處理器相關(guān)參數(shù)的初始化、內(nèi)核啟動參數(shù)（tagged list）的獲取和前期處理、內(nèi)存子系統(tǒng)的早期初始化。

command_line實(shí)質(zhì)是uboot向內(nèi)核傳遞的命令行啟動參數(shù)，即uboot中環(huán)境變量bootargs的值。若uboot中bootargs的值為空，command_line = default_command_line，即為內(nèi)核中的默認(rèn)命令行參數(shù)，其值在.config文件中配置，對應(yīng)CONFIG_CMDLINE配置項。

（2）setup_command_line、parse_early_param以及parse_args函數(shù)

這些函數(shù)都是在完成命令行參數(shù)的解析、保存。譬如，cmdline = console=ttySAC2,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw init=/linuxrc rootfstype=ext3；解析為一下四個參數(shù)：

console=ttySAC2,115200 //指定控制臺的串口設(shè)備號，及其波特率
root=/dev/mmcblk0p2 rw //指定根文件系統(tǒng)rootfs的路徑
init=/linuxrc //指定第一個用戶進(jìn)程init的路徑
rootfstype=ext3 //指定根文件系統(tǒng)rootfs的類型

（3）sched_init函數(shù)

初始化進(jìn)程調(diào)度器，創(chuàng)建運(yùn)行隊列，設(shè)置當(dāng)前任務(wù)的空線程。

（4）rest_init函數(shù)

rest_init函數(shù)的主要工作如下：

1）調(diào)用kernel_thread函數(shù)啟動了2個內(nèi)核線程，分別是：kernel_init和kthreadd。kernel_init線程中調(diào)用prepare_namespace函數(shù)掛載根文件系統(tǒng)rootfs；然后調(diào)用init_post函數(shù)，執(zhí)行根文件系統(tǒng)rootfs下的第一個用戶進(jìn)程init。用戶進(jìn)程有4個備選方案，若command_line中init的路徑錯誤，則會執(zhí)行備用方案。第一備用：/sbin/init，第二備用：/etc/init，第三備用：/bin/init，第四備用：/bin/sh。

2）調(diào)用schedule函數(shù)開啟內(nèi)核調(diào)度系統(tǒng)；

3）調(diào)用cpu_idle函數(shù)，啟動空閑進(jìn)程idle，完成內(nèi)核啟動。

審核編輯：劉清