linux内核启动流程分析

良许Linux

最新更新时间：2024-01-08

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Linux内核自解压过程

uboot完成系统引导以后，执行环境变量bootm中的命令；即，将Linux内核调入内存中并调用do_bootm函数启动内核，跳转至kernel的起始位置。如果内核没有被压缩，则直接启动；如果内核被压缩过，则需要进行解压，被压缩过的kernel头部有解压程序。

压缩过的kernel入口第一个文件源码位置在/kernel/arch/arm/boot/compressed/head.S。它将调用decompress_kernel()函数进行解压，解压完成后，打印出信息“Uncompressing Linux...done,booting the kernel”。解压缩完成后，调用gunzip()函数（或unlz4()、或bunzip2()、或unlz()）将内核放于指定位置，开始启动内核。

2. Linux内核启动准备阶段

由内核链接脚本/kernel/arch/arm/kernel/vmlinux.lds可知，内核入口函数为stext（/kernel/arch/arm/kernel/head.S）。内核解压完成后，解压缩代码调用stext函数启动内核。

ENTRY(stext)
setmodePSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9 @ ensure svc mode@ and irqs disabled
mrcp15, 0, r9, c0, c0            @ 获得处理器ID，并存储在r9寄存器中
bl__lookup_processor_type        @ 结果返回：描述处理器结构体的地址 r5=procinfo ，处理器ID号 r9=cpuid
movsr10, r5                      @ invalid processor (r5=0)?判断内核是否支持该处理器
beq__error_p                     @ yes, error 'p'
bl__lookup_machine_type          @结果返回：描述机器（开发板）的结构体地址  r5=machinfo
movsr8, r5                       @ invalid machine (r5=0)?判断内核是否支持该机器（开发板）
beq__error_a                     @ yes, error 'a'
bl__vet_atags                    @检查uboot给内核的传参ATAGS格式是否正确
bl__create_page_tables           @建立虚拟地址映射页表

ldrr13, __switch_data            @ address to jump to after

（1）关闭IRQ、FIQ中断，进入SVC模式。调用setmode宏实现；

（2）校验处理器ID，检验内核是否支持该处理器；若不支持，则停止启动内核。调用__lookup_processor_type函数实现；

（3）校验机器码，检验内核是否支持该机器；若不支持，则停止启动内核。调用__lookup_machine_type函数实现；

（4）检查uboot向内核传参ATAGS格式是否正确，调用__vet_atars函数实现；

（5）建立虚拟地址映射页表。此处建立的页表为粗页表，在内核启动前期使用。Linux对内存管理有更精细的要求，随后会重新建立更精细的页表。调用__create_page_tables函数实现。

（6）跳转执行__switch_data函数，其中调用__mmap_switched完成最后的准备工作。

    1）复制数据段、清除bss段，目的是构建C语言运行环境；

    2）保存处理器ID号、机器码、uboot向内核传参地址；

    3）b   start_kernel跳转至内核初始化阶段。

__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内核初始化阶段

此阶段从start_kernel函数开始。start_kernel函数是所有Linux平台进入系统内核初始化的入口函数。它的主要工作是完成剩余与硬件平台相关的初始化工作，在进行一系列与内核相关的初始化之后，调用第一个用户进程init并等待其执行。至此，整个内核启动完成。

3.1 start_kernel函数的主要工作

start_kernel函数主要完成内核相关的初始化工作。具体包括以下部分：
（1）内核架构、通用配置相关初始化

（2）内存管理相关初始化

（3）进程管理相关初始化

（4）进程调度相关初始化

（5）网络子系统管理

（6）虚拟文件系统

（7）文件系统

3.2 start_kernel函数流中的关键函数

（1）setup_arch(&command_line)函数

内核架构相关的初始化函数，是非常重要的一个初始化步骤。其中，包含了处理器相关参数的初始化、内核启动参数（tagged list）的获取和前期处理、内存子系统的早期初始化。

command_line实质是uboot向内核传递的命令行启动参数，即uboot中环境变量bootargs的值。若uboot中bootargs的值为空，command_line = default_command_line，即为内核中的默认命令行参数，其值在.config文件中配置，对应CONFIG_CMDLINE配置项。

（2）setup_command_line、parse_early_param以及parse_args函数

这些函数都是在完成命令行参数的解析、保存。譬如，cmdline = console=ttySAC2,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw init=/linuxrc rootfstype=ext3；解析为一下四个参数：

console=ttySAC2,115200 //指定控制台的串口设备号，及其波特率
root=/dev/mmcblk0p2 rw //指定根文件系统rootfs的路径
init=/linuxrc //指定第一个用户进程init的路径
rootfstype=ext3 //指定根文件系统rootfs的类型

（3）sched_init函数

初始化进程调度器，创建运行队列，设置当前任务的空线程。

（4）rest_init函数

rest_init函数的主要工作如下：

1）调用kernel_thread函数启动了2个内核线程，分别是：kernel_init和kthreadd。kernel_init线程中调用prepare_namespace函数挂载根文件系统rootfs；然后调用init_post函数，执行根文件系统rootfs下的第一个用户进程init。用户进程有4个备选方案，若command_line中init的路径错误，则会执行备用方案。第一备用：/sbin/init，第二备用：/etc/init，第三备用：/bin/init，第四备用：/bin/sh。

2）调用schedule函数开启内核调度系统；

3）调用cpu_idle函数，启动空闲进程idle，完成内核启动。

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