ARM-Linux移植之（一）——内核启动流程分析

       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

MACHINE_START(S3C2440,'SMDK2440')

       /* Maintainer: Ben Dooks */

       .phys_io  =S3C2410_PA_UART,

       .io_pg_offst    = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,

       .boot_params  = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,

       .init_irq   =s3c24xx_init_irq,

       .map_io          =smdk2440_map_io,

       .init_machine  = smdk2440_machine_init,

       .timer             =&s3c24xx_timer,

MACHINE_END

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

#defineMACHINE_START(_type,_name)                 

staticconst struct machine_desc __mach_desc_##_type       

 __used                                             

 __attribute__((__section__('.arch.info.init')))= {   

       .nr          =MACH_TYPE_##_type,           

       .name             =_name,

#defineMACHINE_END                         

};

于是上面的数据结构就被展开为

staticconst struct machine_desc __mach_desc_S3C2440     

 __used                                             

 __attribute__((__section__('.arch.info.init')))= {   

       .nr          =MACH_TYPE_S3C2440,         

       .name             =”SMDK2440”,};

.phys_io  = S3C2410_PA_UART,

       .io_pg_offst    = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,

       .boot_params  = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,

       .init_irq   =s3c24xx_init_irq,

       .map_io          =smdk2440_map_io,

       .init_machine  = smdk2440_machine_init,

       .timer             =&s3c24xx_timer,

}

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

__switch_data:

       .long       __mmap_switched

       .long       __data_loc                    @ r4

       .long       __data_start                  @ r5

       .long       __bss_start                    @ r6

       .long       _end                            @ r7

       .long       processor_id                 @ r4

       .long       __machine_arch_type           @ r5

       .long       cr_alignment                 @ r6

       .long       init_thread_union+ THREAD_START_SP @ sp

/*

 * The following fragment of code is executedwith the MMU on in MMU mode,

 * and uses absolute addresses; this is notposition independent.

 *

 *  r0  =cp#15 control register

 * r1  = machine ID

 * r9  = processor ID

 */

       .type       __mmap_switched,%function

__mmap_switched:

       adr   r3,__switch_data + 4

       ldmia      r3!,{r4, r5, r6, r7}

       cmp r4,r5                           @ Copy datasegment 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

       ldmia      r3,{r4, r5, r6, sp}

       str    r9, [r4]                  @ Save processor ID

       str    r1, [r5]                  @ Save machine type

       bic   r4,r0, #CR_A               @ Clear 'A' bit

       stmia       r6,{r0, r4}                   @ Save controlregister values

       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。

asmlinkage void __init start_kernel(void)

{

       …………………….

       ……………………..

       printk(KERN_NOTICE);

       printk(linux_banner);

       setup_arch(&command_line);

       setup_command_line(command_line);

       parse_early_param();

       parse_args('Booting kernel',static_command_line, __start___param,

                __stop___param - __start___param,

                &unknown_bootoption);

……………………

…………………………      

       init_IRQ();

       pidhash_init();

       init_timers();

       hrtimers_init();

       softirq_init();

       timekeeping_init();

       time_init();

       profile_init();

…………………………

……………………………

       console_init();

………………………………

………………………………

       rest_init();

}

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();

我们再来看rest_init()函数

static void noinline __init_refok rest_init(void)

__releases(kernel_lock)

{

int pid;

kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);

............

} 

 他启动了kernel_init这个函数，再来看kerne_init函数

static int __init kernel_init(void * unused)

{

..............................

if (!ramdisk_execute_command)

ramdisk_execute_command = '/init';

if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {

ramdisk_execute_command = NULL;

prepare_namespace();

}

/*

* Ok, we have completed the initial bootup, and

* we're essentially up and running. Get rid of the

* initmem segments and start the user-mode stuff..

*/

init_post();

return 0;

}

kernel_init先调用了prepare_namespace();然后调用了init_post函数

void __init prepare_namespace(void)

{

..........................

mount_root();

.....................

}

可以看出prepare_namespace调用了mount_root挂接根文件系统。接着kernel_init再执行init_post

static int noinline init_post(void)

{

.......................................

/*打开dev/console控制台，并设置为标准输入、输出*/

if (sys_open((const char __user *) '/dev/console', O_RDWR, 0) < 0)

printk(KERN_WARNING 'Warning: unable to open an initial console.n');

(void) sys_dup(0);

(void) sys_dup(0);

if (ramdisk_execute_command) {

run_init_process(ramdisk_execute_command);

printk(KERN_WARNING 'Failed to execute %sn',

ramdisk_execute_command);

}

/*

* 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.

*/

//如果bootloader指定了init参数，则启动init参数指定的进程

if (execute_command) {

run_init_process(execute_command);

printk(KERN_WARNING 'Failed to execute %s.  Attempting '

'defaults...n', execute_command);

}

//如果没有指定init参数，则分别带sbin、etc、bin目录下启动init进程

run_init_process('/sbin/init');

run_init_process('/etc/init');

run_init_process('/bin/init');

run_init_process('/bin/sh');

panic('No init found.  Try passing init= option to kernel.');

}

注意上面的run_init_process的会等待init进程返回才往后面执行，所有它一旦找到一个init可执行的文件它将一去不复返。

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