ARM-Linux内核移植之（一）——内核启动流程分析

时间：2021-06-06 23:21:56

内核版本：2.6.22  为什么要采用这样一个较低的版本进行移植了，因为韦东山大牛说了，低版本的才能学到东西，越是高版本需要移植时做的工作量越少，学的东西越少。

内核启动分为三个阶段，第一是运行head.S文件和head-common.S，第三个阶段是允许第二是运行main.c文件

对于ARM的处理器，内核第一个启动的文件是arc/arm/kernel下面的head.S文件。当然arc/arm/boot/compress下面也有这个文件，这个文件和上面的文件略有不同，当要生成压缩的内核时zImage时，启动的是后者，后者与前者不同的时，它前面的代码是做自解压的，后面的代码都相同。我们这里这分析arc/arm/kernel下面的head.S文件。当head.S所作的工作完成后它会跳到init/目录下跌的main.c的start_kernel函数开始执行。

第一阶段：

首先截取部分head.S文件

ENTRY(stext)

msr  cpsr_c,#PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode

@ andirqs disabled

mrc  p15,0, r9, c0, c0           @ get processor id

bl    __lookup_processor_type             @ r5=procinfo r9=cpuid

movs       r10,r5                         @ invalidprocessor (r5=0)?

beq  __error_p                     @ yes, error 'p'

bl    __lookup_machine_type        @ r5=machinfo

movs       r8,r5                           @ invalidmachine (r5=0)?

beq  __error_a                     @ yes, error 'a'

bl    __create_page_tables

/*

*The following calls CPU specific code in a position independent

*manner.  See arch/arm/mm/proc-*.S fordetails.  r10 = base of

*xxx_proc_info structure selected by __lookup_machine_type

*above.  On return, the CPU will be readyfor the MMU to be

*turned on, and r0 will hold the CPU control register value.

*/

ldr   r13,__switch_data        @ address to jump toafter

@ mmuhas been enabled

adr   lr,__enable_mmu          @ return (PIC)address

第一步,执行的是__lookup_processor_type，这个函数是检查处理器型号，它读取你的电路板的CPU型号与内核支持的处理器进行比较看是否能够处理。这个我们不关心它的具体实现过程，因为现在主流处理器内核都提供了支持。

第二步，执行的是__lookup_machine_type，这个函数是来检查机器型号的，它会读取你bootloader传进来的机器ID和他能够处理的机器ID进行比较看是否能够处理。内核的ID号定义在arc/arm/tool/mach_types文件中MACH_TYPE_xxxx宏定义。内核究竟就如何检查是否是它支持的机器的呢？实际上每个机器都会在/arc/arm/mach-xxxx/smdk-xxxx.c文件中有个描述特定机器的数据结构，如下

[cpp] view
plain?
  1. 01.MACHINE_START(S3C2440,"SMDK2440")
  2. 02.       /* Maintainer: Ben Dooks<ben@fluff.org> */
  3. 03.       .phys_io  =S3C2410_PA_UART,
  4. 04.       .io_pg_offst    = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,
  5. 05.       .boot_params  = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,
  6. 06.
  7. 07.       .init_irq   =s3c24xx_init_irq,
  8. 08.       .map_io          =smdk2440_map_io,
  9. 09.       .init_machine  = smdk2440_machine_init,
  10. 10.       .timer             =&s3c24xx_timer,
  11. 11.MACHINE_END
  12. 12.

MACHINE_START和 MACHINE_END实际上被展开成一个结构体

[cpp] view
plain?
  1. #defineMACHINE_START(_type,_name)                 \
  2. staticconst struct machine_desc __mach_desc_##_type       \
  3. __used                                             \
  4. __attribute__((__section__(".arch.info.init")))= {    \
  5. .nr          =MACH_TYPE_##_type,           \
  6. .name             =_name,
  7. #defineMACHINE_END                          \
  8. };

于是上面的数据结构就被展开为

[cpp] view
plain?
  1. 01.staticconst struct machine_desc __mach_desc_S3C2440     \
  2. 02. __used                                             \
  3. 03. __attribute__((__section__(".arch.info.init")))= {    \
  4. 04.       .nr          =MACH_TYPE_S3C2440,          \
  5. 05.       .name             =”SMDK2440”,};
  6. 06..phys_io  = S3C2410_PA_UART,
  7. 07.       .io_pg_offst    = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,
  8. 08.       .boot_params  = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,
  9. 09.
  10. 10.       .init_irq   =s3c24xx_init_irq,
  11. 11.       .map_io          =smdk2440_map_io,
  12. 12.       .init_machine  = smdk2440_machine_init,
  13. 13.       .timer             =&s3c24xx_timer,
  14. 14.
  15. 15.}

每个机器都会有一个machine_desc__mach_desc结构，内核通过检查每个machine_desc__mach_desc的nr号和bootloader传上来的ID进行比较，如果相同，内核就认为支持该机器，而且内核在后面的工作中会调用该机器的machine_desc__mach_desc_结构中的方法进行一些初始化工作。

第三步，创建一级页表。

第四步，在R13中保存__switch_data 这个函数的地址，在第四步使能mmu完成后会跳到该函数执行。

第五步，执行的是__enable_mmu，它是使能MMU，这个函数调用了__turn_mmu_on函数，让后在_turn_mmu_on在最后将第三步赋给R13的值传给了PC指针 （mov    pc, r13），于是内核开始跳到__switch_data这个函数开始执行。

我们再来看arch/arm/kenel/head-common.S这个文件中的__switch_data函数

[cpp] view
plain?
  1. 01.__switch_data:
  2. 02.       .long       __mmap_switched
  3. 03.       .long       __data_loc                    @ r4
  4. 04.       .long       __data_start                  @ r5
  5. 05.       .long       __bss_start                    @ r6
  6. 06.       .long       _end                            @ r7
  7. 07.       .long       processor_id                 @ r4
  8. 08.       .long       __machine_arch_type           @ r5
  9. 09.       .long       cr_alignment                 @ r6
  10. 10.       .long       init_thread_union+ THREAD_START_SP @ sp
  11. 11.
  12. 12./*
  13. 13. * The following fragment of code is executedwith the MMU on in MMU mode,
  14. 14. * and uses absolute addresses; this is notposition independent.
  15. 15. *
  16. 16. *  r0  =cp#15 control register
  17. 17. * r1  = machine ID
  18. 18. * r9  = processor ID
  19. 19. */
  20. 20.       .type       __mmap_switched,%function
  21. 21.__mmap_switched:
  22. 22.       adr   r3,__switch_data + 4
  23. 23.
  24. 24.       ldmia      r3!,{r4, r5, r6, r7}
  25. 25.       cmp r4,r5                           @ Copy datasegment if needed
  26. 26.1:    cmpne     r5,r6
  27. 27.       ldrne       fp,[r4], #4
  28. 28.       strne       fp,[r5], #4
  29. 29.       bne  1b
  30. 30.
  31. 31.       mov fp,#0                           @ Clear BSS(and zero fp)
  32. 32.1:    cmp r6,r7
  33. 33.       strcc fp,[r6],#4
  34. 34.       bcc  1b
  35. 35.
  36. 36.       ldmia      r3,{r4, r5, r6, sp}
  37. 37.       str    r9, [r4]                  @ Save processor ID
  38. 38.       str    r1, [r5]                  @ Save machine type
  39. 39.       bic   r4,r0, #CR_A               @ Clear 'A' bit
  40. 40.       stmia       r6,{r0, r4}                   @ Save controlregister values
  41. 41.       b     start_kernel

这个函数做的工作是，复制数据段清楚BBS段，设置堆在指针，然后保存处理器内核和机器内核等工作，最后跳到start_kernel函数。于是内核开始执行第二阶段。

第二阶段：

 

我们再来看init/目录下的main.c的start_kernel函数，这里我只截图了部分。

[cpp] view
plain?
  1. 01.asmlinkage void __init start_kernel(void)
  2. 02.{
  3. 03.       …………………….
  4. 04.       ……………………..
  5. 05.       printk(KERN_NOTICE);
  6. 06.       printk(linux_banner);
  7. 07.       setup_arch(&command_line);
  8. 08.       setup_command_line(command_line);
  9. 09.
  10. 10.
  11. 11.       parse_early_param();
  12. 12.       parse_args("Booting kernel",static_command_line, __start___param,
  13. 13.                __stop___param - __start___param,
  14. 14.                &unknown_bootoption);
  15. 15.……………………
  16. 16.…………………………
  17. 17.       init_IRQ();
  18. 18.       pidhash_init();
  19. 19.       init_timers();
  20. 20.       hrtimers_init();
  21. 21.       softirq_init();
  22. 22.       timekeeping_init();
  23. 23.       time_init();
  24. 24.       profile_init();
  25. 25.…………………………
  26. 26.……………………………
  27. 27.       console_init();
  28. 28.………………………………
  29. 29.………………………………
  30. 30.       rest_init();
  31. 31.}

从上面可以看出start_kernel首先是打印内核信息，然后对bootloader传进来的一些参数进行处理，再接着执行各种各样的初始化，在这其中会初始化控制台。最后会调用rest_init();这个函数会启动挂接根文件系统并且启动init进程。

综上，内核启动的过程大致为以下几步：

1.检查CPU和机器类型

2.进行堆栈、MMU等其他程序运行关键的东西进行初始化

3.打印内核信息

4.执行各种模块的初始化

5.挂接根文件系统

6.启动第一个init进程

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