嵌入式Linux 内核启动过程详解（第一阶段：汇编语言部分）

news2024/9/29 7:23:48

概述

1 简述PC Linux 启动过程

2 嵌入式Linux内核启动流程

2.1 嵌入式Linux内核启动分析

2.2 启动Linux内核前的准备

2.3 启动内核第一阶段流程图

3 嵌入式Linux内核启动分析

3.1 链接文件 vmlinux.lds

3.2 启动文件head.S

3.2 启动文件head-common.S

概述

本文主要介绍嵌入式Linux 内核启动（内核版本： linux4.1.15）过程从链接文件进和运行汇编部分代码的全部过程。笔者对汇编部分代码中重要函数的功能做了详细的介绍。通过流程图的方式，呈现内核启动过程中，在这一部分主要做了哪些工作。

源代码下载地址：

【免费】NXP官方原版Uboot和Linux资源-CSDN文库

1 简述PC Linux 启动过程

在了解嵌入式Linux的启动过程之前，先了解一下PC Linux 启动过程，其总结如下：

第一阶段：从BOIS----->linux内核

用户打开 PC 的电源时，CPU 将自动进入实模式，并从地址 0xFFFF0 开始自动执行程序代码，这个地址通常是 ROM-BIOS 中的地址。此时 BIOS 进行开机自检，并按 BIOS 中设置的启动设备（通常是硬盘）进行启动。

接着启动设备上安装的引导程序lilo 或 grub 开始引导 Linux（也就是启动设备的第一个扇区），这时，Linux 才获了启动权。

第二阶段：

Linux boot进行内核的引导，在这个阶段必须完成磁盘引导、读取机器系统数据、实模式和保护模式的切换、加载数据段寄存器以及重置中断描述符表等。

第三阶段：

执行 init 程序（也就是系统初始化工作），init 程序调用了 rc.sysinit 和 rc 等程序，而 rc.sysinit 和 rc 在完成系统初始化和运行服务的任务后，返回 init。

第四阶段：

init启动 mingetty，打开终端供用户登录系统，用户登录成功后进入了Shell，这样就完成了从开机到登录的整个启动过程。

图1：PC linux启动流程

2 嵌入式Linux内核启动流程

2.1 嵌入式Linux内核启动分析

嵌入式系统由于其复杂和多样性，不可能像PC 一样有一个标准的BIOS。整个系统的启动和初始化过程，必须要由用户来掌控。启动代码部分被称为Bootloader，其主要完成初始化硬件，分配内存映射空间，为linux内核的启动创造运行条件。

Bootloader严重依赖硬件，用户的板卡硬件是多样的，不可能有一个通用的bootloader以支持所有的设备。但对于内核而言，其启动的流程大致相同。嵌入式Linux系统启动的流程如下：

图2：嵌入式 linux启动流程

2.2 启动Linux内核前的准备

根据图2可知，启动Linux内核前，其实MCU已经做了许多工作，现在对启动内核的准备工作做如下总结：

Step - 1: 初始化MCU内部硬件

设置中断和向量表，屏蔽中断，防止硬件中断打断程序执行配置相关的寄存器，初始化看门狗和堆栈等，为程序运行准备环境。

Step - 2: 运行用户bootloader

这个阶段主要提供面向用户操作功能，包括配置Linux内核启动参数，查看和修改内存，下载根文件系统或者内核文件等

Step - 3: 加载内核

这个工作主要有用户bootloader完成，其将Linux内核复制到内存中进行解压缩，设置指令寄存器的值，指向内核代码的入口，为启动内核做准备。

2.3 启动内核第一阶段流程图

第一阶段也可以被称为内核引导阶段，其主要为内核的启动创造条件。该阶段的执行流程如下：

图3：嵌入式 linux内核启动流程

3 嵌入式Linux内核启动分析

笔者使用基于ARM的板卡，芯片型号为i.MX6ULL，Linux内核版本为4.1.15。查看内核源码之前注意，必须编译一次源码，否则，许多链接文件是找不到的。这些文件是在编译代码之后才会产生。

3.1 链接文件 vmlinux.lds

文件路径： kernel/arch/arm/kernel/vmlinux.lds

通过这个链接文件，可以知道ARM系统中的Linux汇编代码入口位置在/arch/arm/kernel/head.S文件中的stext，图中几行代码的功能介绍如下“

代码492行：定义系统的硬件架构为arm内核

代码493行：内核启动的入口为stext

3.2 启动文件head.S

此时CPU的状态

类型	状态
MMU	关闭
D-cache	关闭
I-cache	关闭或者带卡
r0	等于0
r1	保存硬件平台的编号

在内核根目录下：/arch/arm/kernel/head.S，打开head.S，可以找到stext的原型：

代码81行：确定内核运行BE8模式

代码83行：确定运行的CPU内核是ARM

代码92 行：调用函数 safe_svcmode_maskall 确保 CPU 处于 SVC 模式，关闭所有的中断。 safe_svcmode_maskall 定义在文件 arch/arm/include/asm/assembler.h 中

代码 94 行：读处理器 ID， ID 值保存在 r9 寄存器中。 __lookup_processor_type定义在arch/arm/kernel/head-common.S 中。

代码 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

代码 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。

代码 137 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。

代码 144 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。