【正点原子FPGA连载】第十五章 Linux内核启动流程--摘自【正点原子】领航者ZYNQ之Linux开发指南_V1.3

正点原子运营 · 发表于 2020-12-11 11:06:16

本帖最后由正点原子运营于 2020-12-11 11:05 编辑

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第十五章Linux内核启动流程

看完Linux内核的顶层Makefile文件以后我们再来看下Linux内核的大致启动流程。Linux内核的启动流程要比uboot复杂的多，涉及到的内容也更多，因此本章我们大致的了解一下Linux内核的启动流程即可。

1.1 链接脚本vmlinux.lds

要分析Linux启动流程，同样需要先编译一下Linux源码，因为有很多文件是需要编译才会生成的。首先分析Linux内核的连接脚本文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds，通过链接脚本可以找到Linux内核的第一行程序是从哪里执行的。vmlinux.lds链接脚本中有如下代码：

OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(stext)
jiffies = jiffies_64;
SECTIONS
{
/DISCARD/ : {
*(.ARM.exidx.exit.text)
*(.ARM.extab.exit.text)
……

复制代码

第2行的ENTRY指明了了Linux内核入口，入口为stext，stext定义在文件arch/arm/kernel/head.S中，因此要分析Linux内核的启动流程，就得先从文件arch/arm/kernel/head.S的stext处开始分析。

1.2 Linux内核启动流程分析1.2.1 Linux内核入口stext

stext是Linux内核的入口地址，在文件arch/arm/kernel/head.S中有如下所示提示内容：

/*
* Kernelstartup entry point.
*---------------------------
*
* This isnormally called from the decompressor code. The requirements
* are: MMU= off, D-cache = off, I-cache = dont care, r0 = 0,
* r1 =machine nr, r2 = atags or dtb pointer.
.....
*/

复制代码

根据该提示可知Linux内核启动之前要求如下：

①、关闭MMU。

②、关闭D-cache。

③、I-Cache无所谓。

④、r0=0。

⑤、r1=machine nr(也就是机器ID)。

⑥、r2=atags或者设备树(dtb)首地址。

Linux内核的入口点stext其实相当于内核的入口函数，stext函数内容如下：

示例代码 28.2.118.2.1arch/arm/kernel/head.S代码段

ENTRY(stext)
#ifdef CONFIG_ARM_VIRT_EXT
bl __hyp_stub_install
#endif
@ ensure svc mode and all interrupts masked
safe_svcmode_maskall r9
mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id
bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid
movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)?
THUMB( it eq ) @ force fixup-able long branch encoding
beq __error_p @ yes, error 'p'
#ifndef CONFIG_XIP_KERNEL
……
#else
ldr r8, =PLAT_PHYS_OFFSET @ always constant in this case
#endif
/*
* r1 = machine no, r2 = atags or dtb,
* r8 = phys_offset, r9 = cpuid, r10 = procinfo
*/
bl __vet_atags
#ifdef CONFIG_SMP_ON_UP
bl __fixup_smp
#endif
#ifdef CONFIG_ARM_PATCH_PHYS_VIRT
bl __fixup_pv_table
#endif
bl __create_page_tables
/*
* The following calls CPU specific code in a position independent
* manner. See arch/arm/mm/proc-*.S for details. r10 = base of
* xxx_proc_info structure selected by __lookup_processor_type
* above.
*
* The processor init function will be called with:
* r1 - machine type
* r2 - boot data (atags/dt) pointer
* r4 - translation table base (low word)
* r5 - translation table base (high word, if LPAE)
* r8 - translation table base 1 (pfn if LPAE)
* r9 - cpuid
* r13 - virtual address for __enable_mmu -> __turn_mmu_on
*
* On return, the CPU will be ready for the MMU to be turned on,
* r0 will hold the CPU control register value, r1, r2, r4, and
* r9 will be preserved. r5 will also be preserved if LPAE.
*/
ldr r13, =__mmap_switched @ address to jump to after
@ mmu has been enabled
badr lr, 1f @ return (PIC) address
#ifdef CONFIG_ARM_LPAE
mov r5, #0 @ high TTBR0
mov r8, r4, lsr #12 @ TTBR1 is swapper_pg_dir pfn
#else
mov r8, r4 @ set TTBR1 to swapper_pg_dir
#endif
ldr r12, [r10, #PROCINFO_INITFUNC
add r12, r12, r10
ret r12
1: b __enable_mmu
ENDPROC(stext)

复制代码

第88行，如果配置了CONFIG_ARM_VIRT_EXT（ARM虚拟化扩展）则跳转到__hyp_stub_install处。__hyp_stub_install定义在arch\arm\kernel\hyp-stub.S文件中。

第92行，调用函数safe_svcmode_maskall确保CPU处于SVC模式，并且关闭了所有的中断。safe_svcmode_maskall定义在文件arch/arm/include/asm/assembler.h中。

第94行，读处理器ID，ID值保存在r9寄存器中。

第95行，调用函数__lookup_processor_type检查当前系统是否支持此CPU，如果支持的就获取procinfo信息。procinfo是proc_info_list类型的结构体， proc_info_list在文件 arch/arm/include/asm/procinfo.h中的定义如下：

示例代码28.2.218.2.2proc_info_list结构体

struct proc_info_list {
unsigned int cpu_val;
unsigned int cpu_mask;
unsigned long __cpu_mm_mmu_flags; /* used by head.S */
unsigned long __cpu_io_mmu_flags; /* used by head.S */
unsigned long __cpu_flush; /*used by head.S */
const char *arch_name;
const char *elf_name;
unsigned int elf_hwcap;
const char *cpu_name;
struct processor *proc;
struct cpu_tlb_fns *tlb;
struct cpu_user_fns *user;
struct cpu_cache_fns *cache;
};

复制代码

Linux内核将每种处理器都抽象为一个proc_info_list结构体，每种处理器都对应一个procinfo。因此可以通过处理器ID来找到对应的procinfo结构，__lookup_processor_type函数找到对应处理器的procinfo以后会将其保存到r5寄存器中。

继续回到示例代码 28.2.1中，第121行，调用函数__vet_atags验证atags或设备树(dtb)的合法性。函数__vet_atags定义在文件arch/arm/kernel/head-common.S中。

第128行，调用函数__create_page_tables创建页表。

第149行，将函数__mmap_switched的地址保存到r13寄存器中。__mmap_switched定义在文件arch/arm/kernel/head-common.S，__mmap_switched最终会调用start_kernel函数。

第161行，调用__enable_mmu函数使能MMU，__enable_mmu定义在文件arch/arm/kernel/head.S中。__enable_mmu最终会通过调用__turn_mmu_on来打开MMU，__turn_mmu_on最后会执行r13里面保存的__mmap_switched函数。

1.2.2 __mmap_switched函数

__mmap_switched函数定义在文件arch/arm/kernel/head-common.S中，函数代码如下：

示例代码28.2.318.2.3 __mmap_switched函数

__mmap_switched:
adr r3, __mmap_switched_data
ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7}
cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed
1: 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
ARM( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, sp})
THUMB( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7} )
THUMB( ldr sp, [r3, #16 )
str r9, [r4] @ Save processor ID
str r1, [r5] @ Save machine type
str r2, [r6] @ Save atags pointer
cmp r7, #0
strne r0, [r7] @ Save control register values
b start_kernel
ENDPROC(__mmap_switched)

复制代码

第104行最终调用start_kernel来启动Linux内核，start_kernel函数定义在文件init/main.c中。

1.2.3 start_kernel函数

start_kernel通过调用众多的子函数来完成Linux启动之前的一些初始化工作，由于start_kernel函数里面调用的子函数太多，而这些子函数又很复杂，因此我们简单的来看一下一些重要的子函数。精简并添加注释后的start_kernel函数内容如下：

示例代码28.2.418.2.4 start_kernel函数

asmlinkage__visible void __init start_kernel(void)
{
char *command_line;
char *after_dashes;
set_task_stack_end_magic(&init_task);/*设置任务栈结束魔术数，用于栈溢出检测 */
smp_setup_processor_id(); /* 跟SMP有关(多核处理器)，设置处理器ID。
* 有很多资料说ARM架构下此函数为空函数，那是因
* 为他们用的老版本Linux，而那时候ARM还没有多
* 核处理器。
*/
debug_objects_early_init(); /* 做一些和debug有关的初始化*/
cgroup_init_early(); /* cgroup初始化，cgroup用于控制Linux系统资源*/
local_irq_disable(); /* 关闭当前CPU中断*/
early_boot_irqs_disabled = true;
/*
* 中断关闭期间做一些重要的操作，然后打开中断
*/
boot_cpu_init(); /*跟CPU有关的初始化 */
page_address_init(); /*页地址相关的初始化 */
pr_notice("%s", linux_banner);/* 打印Linux版本号、编译时间等信息 */
setup_arch(&command_line); /* 架构相关的初始化，此函数会解析传递进来的
* ATAGS或者设备树(DTB)文件。会根据设备树里面
* 的model和compatible这两个属性值来查找
* Linux是否支持这个单板。此函数也会获取设备树
* 中chosen节点下的bootargs属性值来得到命令
* 行参数，也就是uboot中的bootargs环境变量的
* 值，获取到的命令行参数会保存到
*command_line中。
*/
mm_init_cpumask(&init_mm); /*看名字，应该是和内存有关的初始化 */
setup_command_line(command_line); /* 好像是存储命令行参数 */
setup_nr_cpu_ids(); /* 如果只是SMP(多核CPU)的话，此函数用于获取
* CPU核心数量，CPU数量保存在变量
* nr_cpu_ids中。
*/
setup_per_cpu_areas(); /* 在SMP系统中有用，设置每个CPU的per-cpu数据 */
boot_cpu_state_init();
smp_prepare_boot_cpu();
build_all_zonelists(NULL, NULL); /* 建立系统内存页区(zone)链表*/
page_alloc_init(); /* 处理用于热插拔CPU的页 */
/* 打印命令行信息 */
pr_notice("Kernel commandline: %s\n", boot_command_line);
parse_early_param(); /* 解析命令行中的console参数*/
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("Settinginit args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1,
set_init_arg);
jump_label_init();
setup_log_buf(0); /* 设置log使用的缓冲区*/
pidhash_init(); /* 构建PID哈希表，Linux中每个进程都有一个ID,
* 这个ID叫做PID。通过构建哈希表可以快速搜索进程
* 信息结构体。
*/
vfs_caches_init_early(); /* 预先初始化vfs(虚拟文件系统)的目录项和索引节点缓存*/
sort_main_extable(); /*定义内核异常列表 */
trap_init(); /* 完成对系统保留中断向量的初始化 */
mm_init(); /* 内存管理初始化 */
sched_init(); /*初始化调度器，主要是初始化一些结构体 */
preempt_disable(); /*关闭优先级抢占 */
if (WARN(!irqs_disabled(), /*检查中断是否关闭，如果没有的话就关闭中断 */
"Interrupts were enabled *very* early, fixingit\n"))
local_irq_disable();
radix_tree_init();
workqueue_init_early(); /*允许及早创建工作队列和工作项排队/取消。工作项的执行取决于kthread，并在workqueue_init（）之后开始。*/
rcu_init(); /* 初始化RCU，RCU全称为ReadCopy Update(读-拷贝修改) */
trace_init(); /* 跟踪调试相关初始化 */
context_tracking_init();
radix_tree_init(); /*基数树相关数据结构初始化 */
early_irq_init(); /*初始中断相关初始化,主要是注册irq_desc结构体变
* 量，因为Linux内核使用irq_desc来描述一个中断。
*/
init_IRQ(); /* 中断初始化*/
tick_init(); /* tick初始化*/
rcu_init_nohz();
init_timers(); /* 初始化定时器 */
hrtimers_init(); /* 初始化高精度定时器 */
softirq_init(); /* 软中断初始化 */
timekeeping_init();
time_init(); /* 初始化系统时间 */
sched_clock_postinit();
printk_safe_init();
perf_event_init();
profile_init();
call_function_init();
WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled early\n");
early_boot_irqs_disabled = false;
local_irq_enable(); /*使能中断 */
kmem_cache_init_late(); /* slab初始化，slab是Linux内存分配器 */
console_init(); /*初始化控制台，之前printk打印的信息都存放
* 缓冲区中，并没有打印出来。只有调用此函数
* 初始化控制台以后才能在控制台上打印信息。
*/
if (panic_later)
panic("Toomany boot %s vars at `%s'", panic_later,
panic_param);
lockdep_info();/* 如果定义了宏CONFIG_LOCKDEP，那么此函数打印一些信息。*/
locking_selftest() /* 锁自测 */
......
page_ext_init();
kmemleak_init(); /* kmemleak初始化，kmemleak用于检查内存泄漏 */
debug_objects_mem_init();
setup_per_cpu_pageset();
numa_policy_init();
if (late_time_init)
late_time_init();
calibrate_delay(); /* 测定BogoMIPS值，可以通过BogoMIPS来判断CPU的性能
* BogoMIPS设置越大，说明CPU性能越好。
*/
pidmap_init(); /*PID位图初始化 */
anon_vma_init(); /*生成anon_vma slab缓存 */
acpi_early_init();
......
thread_stack_cache_init();
cred_init(); /*为对象的每个用于赋予资格(凭证) */
fork_init(); /*初始化一些结构体以使用fork函数 */
proc_caches_init(); /* 给各种资源管理结构分配缓存 */
buffer_init(); /*初始化缓冲缓存 */
key_init(); /* 初始化密钥 */
security_init(); /*安全相关初始化 */
dbg_late_init();
vfs_caches_init(totalram_pages); /*为VFS创建缓存 */
signals_init(); /* 初始化信号 */
proc_root_init(); /* 注册并挂载proc文件系统 */
nsfs_init();
cpuset_init(); /*初始化cpuset，cpuset是将CPU和内存资源以逻辑性
* 和层次性集成的一种机制，是cgroup使用的子系统之一
*/
cgroup_init(); /* 初始化cgroup */
taskstats_init_early(); /*进程状态初始化 */
delayacct_init();
check_bugs(); /*检查写缓冲一致性 */
acpi_subsystem_init();
sfi_init_late();
if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) {
efi_free_boot_services();
}
rest_init(); /* rest_init函数 */
}

复制代码

start_kernel里面调用了大量的函数，每一个函数都是一个庞大的知识点，如果想要学习Linux内核，那么这些函数就需要去详细的研究。本教程注重于嵌入式Linux入门，因此不会去讲太多关于Linux内核的知识。start_kernel函数最后调用了rest_init，接下来简单看一下rest_init函数。

1.2.4 rest_init函数

rest_init函数定义在文件init/main.c中，函数内容如下：

示例代码28.2.518.2.5 rest_init函数

<blockquote> static noinline void __ref rest_init(void)

复制代码

第395行，调用函数rcu_scheduler_starting，启动RCU锁调度器

第401行，调用函数kernel_thread创建kernel_init线程，也就是大名鼎鼎的init内核进程。init进程的PID为1。init进程一开始是内核进程(也就是运行在内核态)，后面init进程会在根文件系统中查找名为“init”这个程序，这个“init”程序处于用户态，通过运行这个“init”程序，init进程就会实现从内核态到用户态的转变。

第413行，调用函数kernel_thread创建kthreadd内核进程，此内核进程的PID为2。kthread进程负责所有内核进程的调度和管理。

第435行，最后调用函数cpu_startup_entry来进入idle进程，cpu_startup_entry会调用cpu_idle_loop，cpu_idle_loop是个while循环，也就是idle进程代码。idle进程的PID为0，idle进程叫做空闲进程，如果学过FreeRTOS或者UCOS的话应该听说过空闲任务。idle空闲进程就和空闲任务一样，当CPU没有事情做的时候就在idle空闲进程里面“瞎逛游”，反正就是给CPU找点事做。当其他进程要工作的时候就会抢占idle进程，从而夺取CPU使用权。其实可以看到idle进程并没有使用kernel_thread或者fork函数来创建，因为它是由主进程演变而来的。

在Linux终端中输入“ps -A”就可以打印出当前系统中的所有进程，其中就能看到init进程和kthreadd进程，如下图所示：

file:///C:/Users/WCY/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg

图 28.2.1 Linux系统当前进程

从上图可以看出，init进程的PID为1，kthreadd进程的PID为2。之所以上图中没有显示PID为0的idle进程，那是因为idle进程是内核进程。我们接下来重点看一下init进程，kernel_init就是init进程的进程函数。

1.2.5 init进程

kernel_init函数就是init进程具体做的工作，定义在文件init/main.c中，函数内容如下：

示例代码28.2.618.2.6 kernel_init函数

static int __ref kernel_init(void *unused)
{
int ret;
kernel_init_freeable();
/* need to finish all async __init code before freeing the memory */
async_synchronize_full();
ftrace_free_init_mem();
free_initmem();
mark_readonly();
system_state = SYSTEM_RUNNING;
numa_default_policy();
rcu_end_inkernel_boot();
if (ramdisk_execute_command) {
ret = run_init_process(ramdisk_execute_command);
if (!ret)
return 0;
pr_err("Failed to execute %s (error %d)\n",
ramdisk_execute_command, ret);
}
/*
* We try each of these until one succeeds.
*
* The Bourne shell can be used instead of init if we are
* trying to recover a really broken machine.
*/
if (execute_command) {
ret = run_init_process(execute_command);
if (!ret)
return 0;
panic("Requested init %s failed (error %d).",
execute_command, ret);
}
if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") ||
!try_to_run_init_process("/etc/init") ||
!try_to_run_init_process("/bin/init") ||
!try_to_run_init_process("/bin/sh"))
return 0;
panic("No working init found. Try passing init= option to kernel. "
"See Linux Documentation/admin-guide/init.rst for guidance.");
}

复制代码

第993行，kernel_init_freeable函数用于完成init进程的一些其他初始化工作，稍后再来具体看一下此函数。

第1004行，ramdisk_execute_command是一个全局的char指针变量，此变量值为“/init”，也就是根目录下的init程序。ramdisk_execute_command也可以通过uboot传递，在bootargs中使用“rdinit=xxx”即可，xxx为具体的init程序名字。

第1005行，如果存在“/init”程序的话就通过函数run_init_process来运行此程序。

第1018行，如果ramdisk_execute_command为空的话就看execute_command是否为空，反正不管如何一定要在根文件系统中找到一个可运行的init程序。execute_command的值是通过uboot传递，在bootargs中使用“init=xxxx”就可以了，比如“init=/linuxrc”表示根文件系统中的linuxrc就是要执行的用户空间init程序。

第1025~1028行，如果ramdisk_execute_command和execute_command都为空，那么就依次查找“/sbin/init”、“/etc/init”、“/bin/init”和“/bin/sh”，这四个相当于备用init 程序，如果这四个也不存在，那么Linux启动失败。

第1031行，如果以上步骤都没有找到用户空间的init程序，那么就提示错误发生。

最后来简单看一下kernel_init_freeable函数，前面说了，kernel_init会调用此函数来做一些init进程初始化工作。kernel_init_freeable定义在文件init/main.c中，缩减后的函数内容如下：

示例代码28.2.718.2.7 kernel_init_freeable函数

static int __ref kernel_init(void *unused)
{
int ret;
kernel_init_freeable();
/* need to finish all async __init code before freeing the memory */
async_synchronize_full();
ftrace_free_init_mem();
free_initmem();
mark_readonly();
system_state = SYSTEM_RUNNING;
numa_default_policy();
rcu_end_inkernel_boot();
if (ramdisk_execute_command) {
ret = run_init_process(ramdisk_execute_command);
if (!ret)
return 0;
pr_err("Failed to execute %s (error %d)\n",
ramdisk_execute_command, ret);
}
/*
* We try each of these until one succeeds.
*
* The Bourne shell can be used instead of init if we are
* trying to recover a really broken machine.
*/
if (execute_command) {
ret = run_init_process(execute_command);
if (!ret)
return 0;
panic("Requested init %s failed (error %d).",
execute_command, ret);
}
if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") ||
!try_to_run_init_process("/etc/init") ||
!try_to_run_init_process("/bin/init") ||
!try_to_run_init_process("/bin/sh"))
return 0;
panic("No working init found. Try passing init= option to kernel. "
"See Linux Documentation/admin-guide/init.rst for guidance.");
}

复制代码

第1066行，do_basic_setup函数用于完成Linux下设备驱动初始化工作。do_basic_setup会调用driver_init函数完成Linux下驱动模型子系统的初始化。

第1069行，打开设备“/dev/console”，在Linux中一切皆为文件。因此“/dev/console”也是一个文件，此文件为控制台设备。每个文件都有一个文件描述符，此处打开的“/dev/console”文件描述符为0，作为标准输入(0)。

第1072和1073行，sys_dup函数将标准输入(0)的文件描述符复制了2次，一个作为标准输出(1)，一个作为标准错误(2)。这样标准输入、输出、错误都是/dev/console了。console通过uboot的bootargs环境变量设置，“console=ttyPS0,115200”表示将/dev/ ttyPS0设置为console，也就是ZYNQ的串口0。当然，也可以设置其他的设备为console，比如虚拟控制台tty1，设置tty1为console就可以在LCD屏幕上看到系统的提示信息。

第1084行，调用函数prepare_namespace来挂载根文件系统。跟文件系统也是由命令行参数指定的，也就是uboot的bootargs环境变量。比如“root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw”就表示根文件系统在/dev/mmcblk1p2中，也就是EMMC的分区2中。

Linux内核启动流程就分析到这里，Linux内核最终是需要和根文件系统打交道的，需要挂载根文件系统，并且执行根文件系统中的init程序，以此来进入用户态。这里就正式引出了根文件系统，根文件系统也是我们系统移植的最后一片拼图。Linux移植三巨头：uboot、Linuxkernel、rootfs(根文件系统)。关于根文件系统后面章节会详细的讲解，这里我们只需要知道Linux内核移植完成以后还需要构建根文件系统即可。

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