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链接脚本vmlinux.Ids

Linux内核入口stext

mmap_switched函数

start_kernel函数

rest_init函数

init进程

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链接脚本vmlinux.Ids

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/kemel/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 中有如下代码:

 第493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。

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:

根据示例代码36.2.1.1中的注释, 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.rl=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:

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:

 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36.2.1.2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。

第144行,调用enable_mmu函数使能MMU, enablemmu定义在文件

arch/arm/kerne/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。

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:

 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。

 

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_kemel函数内容如下:

 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。start_kernel函数最后调用了rest_init,接下来简单看一下rest_init函数。

rest_init函数

rest_init函数定义在文件init/main.c,函数内容如下:

 第387行,调用函数rcu_scheduler_starting,启动RCU锁调度器。

第394行,调用函数kernel_thread创建kemel_init进程,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396行,调用函数kernel_thread创建kthreadd内核进程,此内核进程的PID为2。kthreadd进程负责所有内核进程的调度和管理。

第409行,最后调用函数cpu_startup_entry来进入idle进程, cpu_startup_entry会调用进程负责所有内核进程的调度和管理。

第409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。其实大家应该可以看到idle进程并没有使用kernel_thread或者fork函数来创建.因为它是有主进程演变而来的。

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,如图所示:

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

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:

 第932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940行,ramdisk_ekecute_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943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956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=/inuxrc”表示根文件系统中的linuxrc就是要执行的用户空间init程序。

第963-966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969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:

 第1002行, do_basic_setup函数用于完成Linux下设备驱动初始化工作!非常重要。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1005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1008和1009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=ttymxc0,115200"表示将/dev/ttymxc0设置为console,也就是I.MX6U的串口1。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1020行,调用函数prepare_namespace来挂载根文件系统。根文件系统也是由命令行参·数指定的,就是uboot的bootargs环境变量。比如"root=/dev/mmeblk1p2 rootwait rw”就表示根文件系统在/dev/mmcblklp2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,以此来进去用户态。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)。