深入解析Mac OS X & iOS 操作系统 学习笔记（十）

内核引导

引导XNU

XNU 内核是一个Mach-O 格式的目标文件。引导加载器（EFI 或 iBoot）中包含解析Mach-O 的代码，可以通过LC_UNIXTHREAD命令计算出入口点。

引导过程概览

XNU 引导的高层次图.png

OS X：vstart

vstart 是 i386/x64 架构下“官方那个”的内核初始化函数，标准这从汇编代码到C语言代码的转换，也是一个特殊的函数，因为这个函数即在主CPU（引导CPU）上执行，又在机器上所有的从CPU（slave CPU）或核心上执行。从CPU可以传入vstart的参数区分自己：对于从CPU，传入的boot_args_start 指针参数是NULL
OS X 上 vstart的流程描述：

• 在引导CPU(主 CPU)上：根据情况（是否#if DBG），vsatrt 调用 pal_serial_init( )初始化串口线
• 启用NX/XD：在x64平台上NX（No Execute，在Intel 上成为XD，及eXecute Disable)位是处理器用来防止代码注入的一个特性
• cpu_desc_init[64]：初始化主CPU上的GDT和LDT。然后调用cpu_desc_load[64]，加载祝处理器和从处理器使用的内核LDT
• cpu_mode_init( )：初始化CPU的MSR（用于SYSENTRY/SYSCALL），并初始化物理页面映射（pmap）
• i386_init/i386_init_slave：主CPU/从CPU 调用这个函数

iOS：start

在 iOS 中，大部分和引导相关的函数都被去掉了。而start( )函数仍然是少数依然导出符号的函数之一。start( )函数将arm_init 的地址加载到链接寄存器（R14）中，因此在返回时就可以直接跳转到arm_init，然后禁用了中断。start( )函数主要处理的是处理器的底层设置：通过设置ARM控制寄存器，安装位于Exception VectorBase 的内核线程处理程序。进程其他的一些设置，然后跳转到arm_init。

[i386|arm]_init

平台初始化函数：在OS X 中为i386_init( )函数，初始化主CPU为可用状态，然后准备好内存引导。 OS X 中还有一个类似的函数i386_init_salce( )在从CPU 上执行同样的操作。这个函数永不返回。
在 iOS 中，这个函数的功能由 arm_init( )完成，arm_init( ) 提供了非常类似的功能，但是是针对ARM 平台执行的。大部分流程相同，只要个别函数不同：如初始化虚拟内存的arm_vm_init( )函数，以及一个Intel 平台上没有的ml_io_map( )调用。

下面是i386_init 的流程
（1） pal_i386_init：调用Platfrom Abstraction Layer初始化，实际上是一个初始化EFI锁的简单调用
（2）PE_Init_Platfrom：初始化全局变量PE_state，其中包含引导参数的副本、视频参数和其他参数。这个函数调用pe_identify_platform( ) 设置gPEClockFrequency
（3）kernel_early_bootstrap：调用lck_mod_init( ) 和 timer_call_initialize( )，用于定时器调用
（4）cpu_init设置当前CPU时钟定时器的dealIne设置为“EndOfAllTime”(所有时间的终结)，将时钟设置为永远运行之后，cpu_init( ) 调用i386_active_cpu( )
（5）printf_init：为调试器调用。如果连接了调试器。内核调用printf( ) 输入的消息会重定向到调试器
（6）panic_init：调用初始化内核崩溃的重定向，使得发送内核崩溃的时候可以被连接的调试器截获
（7）PE_init_kprintf：调用使得kprintf( ) 能够输出到控制台
（8）检查serial控制台：检查“serial”引导参数。如果设置了的话。就会调用switch_to_serial_console( )
（9）PE_Init_printf：调用使得kprintf( ) 能够输出到控制台
（10）** 64位处理器检测：如果CPU支持的特性中包含CPUID_EXTFEATURE_EM64T标志，那么启用这项特性，除非内核命令行参数中传入“-legal”参数
（11）i386_vm_init：从EFI接管虚拟内存管理。调用pmap_bootstrap初始化内核物理内存映射
（12）PE_init_platform：再次调用PE_init_platform。这一次将第一个参数设置为TRUE，表示虚拟内存已经初始化完毕。这个函数从EFI获取视频信息以及设备树
（13）PE_create_console：启动图形模式或文本模式的控制台
（14）tsc_init：从EFI获得FSB频率和其他参数，从CPU获得Time Stamp Counter(TSC寄存器)频率，然后计算两者之间的换算比例
（15）powerssor_bootstrap：初始化Mach的处理器子系统。这个函数初始化3个队列：task、terminated tasks 和 threads，创建了master_processor 对象，调用 processor_init( )， processor_init( )设置处理器数据结构中的字段值，并且将自己加入到默认 处理器组pset0 中
（16）thread_bootstrap：设置mach线程对象的模板。Mach线程的结构具有很多字段，这个函数填充这些字段的默认值，然后设置第一个系统线程init_thread，这个线程从模板中集成所有的值，然后调用machine_set_current_thread( )将这个线程标志位当前CPU 上的活动线程
（17）machine_startup**：初始化下一阶段，永远不返回

i386_init_salve( )

从处理器的实模式入口点被（smp_init）设置为slave_pstart。这个函数调用start_common，但是传入的内核bootargs结构体指针为NULL。start_common 调用前文中描述的vstart，但是从处理器可以通过NULL 参数将自己和主处理器分开。i386_init_salve 直接调用do_init_slave( )，然后是调用初始化CPU（cpu_init()）,i386_init在主处理器上也调用了 cpu_init( )，然后调用slave_main( ) , 从current_pressor( ) 的next_thread字段获得下一个可执行的线程。如果没有可执行的线程存在，那么久去idle 线程。由于slave_main( ) 将新线程的上下文加载至处理器，所以这个函数不会返回（否则内核会崩溃）

machine_startup

最后调用的函数是 machine_startup( )函数，这个函数主要负责解析一些命令行参数（通过 Platform Expert 提供的PE_parse_boot_argn函数），这些命令行参数大部分都是调试用的boot-arg，用于控制引导时的调试。

kernel_bootstrap

kernel_bootstrap 函数继续设置和初始化Mach内核的各个核心子系统，建立起BSD 所依赖的必要基础设置，出了虚拟内存之外，kernel_bootstrap 还初始化Mach的一些关键抽象：

• IPC：IPC(进程间通信)是Mach构建的根基，IPC 要求一些重要的资源，例如内存、同步对象和Mach 接口生成器（Mach Interface Generator，MIG）
• 时钟(clock)：通过时钟抽象实现闹铃（系统闹钟）和报时功能（“日历”）
• 线程(thread)：线程是实际的执行单元。任务只不过是一个资源容器，真正被调度和执行的线程。

kernel_bootstrap 函数不会返回，kernel_bootstrap 最后加载kernel_bootstrap_thread 线程的上下文，这是系统的第一个活动线程。这个线程会接管初始化的工作，处理更复杂的子系统。

kermel_bootstrap_thread

主线程开始以kernel_bootstrap_thread 线程的身份运行，这个线程的任务仍然是初始化各种子系统。

bsd_init

XNU 的整个BSD 层的初始化都是由一个名为bsd_init( ) 的函数进行的。这个函数中执行了大量的工作。函数的职责是一次初始化各个子系统。

bsdinit_task

在bsd_init( ) 快要结束时，调用了 bsd_utaskbootstrap( ) 函数。这个函数负责间接启动 PID 1，这是第一个要进入用户态的进程。为此，bsd_utaskbootstrap( ) 首先调用 cloneproc( )， 创建一个新的Mach 任务。为了真正地创建出新的任务，utaskbootstrap( ) 对创建的线程调用act_set_astbsd( )，生成一个异步系统陷阱（asynchronous system trap,AST），接着调用thread_resume( )，然后utaskbootstrap( ) 返回至bsd_init( )。当处理AST时，Mach 的AST 处理程序会处理这个特殊情况：调用bsd_ast( ), bsd_ast( )调用bsdinit_task( )，badinit_task( )将初始进程的名字设置为init，接下来调用un_handler_init( )，这个调用创建一个独立的内核线程 un_handler，这个线程负责处理UNIX 异常，最后，调用load_init_program( )。load_init_program( ) 负责将PID 为1 的进程转变为众所周知的launchd。这个线程的流程从此完全进入用户态。

引导参数

XNU 有很多引导参数，通常有两种方法向内核传递参数

• 通过NVRAM，利用boot-args 参数传递（可以通过nvram命令设置参数）
• 通过/Library/Prefrences/SystemConfihguration/com.apple.Boot.plist 文件。这是一个标准的属性列表文件，在这个文件中华，可以在kernel_flags 元素中指定参数