内核启动分析（三）——zImage 解压缩阶段

      在上阶段，主要是U-BOOT 向内核传递一些参数.而这些参数是通过 struct tag来传递的。U-boot 把要传递给 kernel 的东西保存在 struct tag 数据结构中，启动 kernel 时，把这个结构体的物理地址传给 kernel；Linux kernel 通过这个地址分析出u-boot传递的参数。

Kernel读取U-boot传递的相关参数

       对于Linux Kernel，ARM平台启动时，先执行arch/arm/kernel/head.S，此文件会调用arch/arm/kernel/head-common.S中的函数，并最后调用start_kernel（）。

zImage的组成 

先看看zImage的组成吧。在内核编译完成后会在arch/arm/boot/下生成zImage
在arch/arm/boot/Makefile中：
 56 $(obj)/zImage:  $(obj)/compressed/vmlinux FORCE
 57         $(call if_changed,objcopy)
 58         @echo '  Kernel: $@ is ready'

由此可见，zImage的是elf格式的arch/arm/boot/compressed/vmlinux二进制化得到的

在arch/arm/boot/compressed/Makefile中：
104 $(obj)/vmlinux: $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/$(HEAD) $(obj)/piggy.$(suffix_y).o     \
105                 $(addprefix $(obj)/, $(OBJS)) $(lib1funcs) FORCE
106         $(call if_changed,ld)
107         @:
108
109 $(obj)/piggy.$(suffix_y): $(obj)/../Image FORCE
110         $(call if_changed,$(suffix_y))
111
112 $(obj)/piggy.$(suffix_y).o:  $(obj)/piggy.$(suffix_y) FORCE
　　其中Image是由内核顶层目录下的vmlinux二进制化后得到的。注意：arch/arm/boot/compressed/vmlinux是位置无关的，这个有助于理解后面的代码。链接选项中有个 －fpic参数：
 79 EXTRA_CFLAGS  := -fpic -fno-builtin
在说－fpic参数前先说一下位置无关代码，位置无关代码主要是在访问全局变量和全局函数的时候采用了位置无关的重定位方法,既依赖GOT和PLT来重定位.普通的重定位方法需要修改代码段,比如偏移地址0x100处需要重定位,loader就修改代码段的0x100处的内容,通过查找重定位信息得到具体的值.这种方法需要修改代码段的内容,对于动态连接库来说,其初衷是让多个进程共享代码段,若对其进行写操作,就回引起COW,从而失去共享.
-fPIC选项告诉编绎器使用GOT和PLT的方法重定位,这两个都是数据段,因此避免了COW,真正实现了共享.如果不用-fPIC,动态连接库依然可以使用,但其重定位方法为一般方法,必然会引起COW.但也无所谓,除了性能在COW时稍微受些影响,其他也没啥
　　总结一下zImage的组成，它是由一个压缩后的内核piggy.o，连接上一段初始化及解压功能的代码（head.o misc.o）,组成的。

 生成过程如下：

1.依据arch/arm/kernel/vmlinux.lds 生成linux内核源码根目录下的vmlinux，这个vmlinux属于未压缩，带调试信息、符号表的最初的内核，大小约23MB； 
命令：arm-linux-gnu-ld -o vmlinux -T arch/arm/kernel/vmlinux.lds  
arch/arm/kernel/head.o  
init/built-in.o  
--start-group   
arch/arm/mach-s3c2410/built-in.o   
kernel/built-in.o          
mm/built-in.o   
fs/built-in.o   
ipc/built-in.o   
drivers/built-in.o   
net/built-in.o  
--end-group .tmp_kallsyms2.o 

2. 将上面的vmlinux去除调试信息、注释、符号表等内容，生成arch/arm/boot/Image，这是不带多余信息的linux内核，Image的大小约3.2MB； 
  命令:arm-linux-gnu-objcopy -O binary -S  vmlinux arch/arm/boot/Image 

3.将 arch/arm/boot/Image 用gzip -9 压缩生成arch/arm/boot/compressed/piggy.gz大小约1.5MB；          命令:gzip -f -9 < arch/arm/boot/compressed/../Image > arch/arm/boot/compressed/piggy.gz 

4. 编译arch/arm/boot/compressed/piggy.S 生成arch/arm/boot/compressed/piggy.o大小约1.5MB，这里实际上是将piggy.gz通过piggy.S编译进piggy.o文件中。而piggy.S文件仅有6行，只是包含了文件piggy.gz; 
 命令:arm-linux-gnu-gcc -o arch/arm/boot/compressed/piggy.o arch/arm/boot/compressed/piggy.S 

5. 依据arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds 将arch/arm/boot/compressed/目录下的文件head.o 、piggy.o 、misc.o链接生成 arch/arm/boot/compressed/vmlinux，这个vmlinux是经过压缩且含有自解压代码的内核,大小约1.5MB; 
命令:arm-linux-gnu-ld zreladdr=0x30008000 params_phys=0x30000100 -T arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds arch/arm/boot/compressed/head.o arch/arm/boot/compressed/piggy.o arch/arm/boot/compressed/misc.o -o arch/arm/boot/compressed/vmlinux 

6. 将arch/arm/boot/compressed/vmlinux去除调试信息、注释、符号表等内容，生成arch/arm/boot/zImage大小约1.5MB;这已经是一个可以使用的linux内核映像文件了； 
命令:arm-linux-gnu-objcopy -O binary -S  arch/arm/boot/compressed/vmlinux  arch/arm/boot/zImage 

7. 将arch/arm/boot/zImage添加64Bytes的相关信息打包为arch/arm/boot/uImage大小约1.5MB; 
命令: ./mkimage -A arm -O linux -T kernel -C none -a 0x30008000 -e 0x30008040 -n 'Linux-2.6.35.7' -d arch/arm/boot/zImage arch/arm/boot/uImage

内核启动分析

本文着重分析S3C2410 linux-2.6.35.7 内核启动的详细过程，主要包括： zImage 解压缩阶段、 vmlinux 启动汇编阶段、 start_kernel 到创建第一个进程阶段三个部分，一般将其称为 linux 内核启动一、二、三阶段，本文也将采用这种表达方式。对于 zImage 之前的启动过程，本文不做表述，可参考前面正亮讲得 “ u-boot的启动过程分析”。

本文中涉及到的术语约定如下：

基本内核映像：即内核编译过程中最终在内核源代码根目录下生成的 vmlinux 映像文件，并不包含任何内核解压缩和重定位代码；

zImage 内核映像：包含了内核piggy.o及解压缩和重定位代码，通常是目标板 bootloader 加载的对象；

zImage 下载地址：即 bootloader 将 zImage 下载到目标板内存的某个地址或者 nand read 将 zImage 读到内存的某个地址；

zImage 加载地址：由 Linux 的 bootloader 完成的将 zImage 搬移到目标板内存的某个位置所对应的地址值，默认值 0x30008000 。

1、 Linux 内核启动第一阶段：内核解压缩和重定位

该阶段是从 u-boot 引导进入内核执行的第一阶段，我们知道 u-boot 引导内核启动的最后一步是：通过一个函数指针 the kernel()带三个参数跳转到内核（ zImage ）入口点开始执行，此时， u-boot 的任务已经完成，控制权完全交给内核（ zImage ）。 

稍作解释，在 u-boot 的文件arch\arm\lib\bootm.c(uboot-2010.9)中定义了 the kernel, 并在 do_bootm_linux 的最后执行 the kernel.

定义如下：void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params); 

theKernel = (void (*)(int, int, uint))ntohl(hdr->ih_ep); 

//hdr->ih_ep----Entry Point Address uImage 中指定的内核入口点，这里是 0x30008000 。 

theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params); 

其中第二个参数为机器 ID, 第三参数为 u-boot 传递给内核参数存放在内存中的首地址，此处是 0x30000100 。 

由上述 zImage 的生成过程我们可以知道，第一阶段运行的内核映像实际就是arch/arm/boot/compressed/vmlinux，而这一阶段所涉及的文件也只有三个：   

(1)arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds

(2)arch/arm/boot/compressed/head.S      

(3)arch/arm/boot/compressed/misc.c 

下面的图是使用64MRAM时，通常的内存分布图：

下面我们的分析集中在 arch/arm/boot/compressed/head.S, 适当参考 vmlinux.lds 。

从linux/arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds文件可以看出head.S的入口地址为ENTRY(_start)，也就是head.S汇编文件的_start标号开始的第一条指令。

下面从head.S中得_start 标号开始分析。(有些指令不影响初始化，暂时略去不分析)

代码位置在/arch/arm/boot/compressed/head.S中： 

start:

.type start,#function   /*uboot跳转到内核后执行的第一条代码*/

.rept 8            /*重复定义8次下面的指令，也就是空出中断向量表的位置*/

 mov r0, r0            /*就是nop指令*/

.endr

b 1f                   @ 跳转到后面的标号1处

.word 0x016f2818 @ 辅助引导程序的幻数，用来判断镜像是否是zImage

.word start @ 加载运行zImage的绝对地址，start表示赋的初值

.word _edata @ zImage结尾地址，_edata是在vmlinux.lds.S中定义的，表示init,text,data三个段的结束位置

1:

mov r7, r1 @ save architecture ID 保存体系结构ID 用r1保存

mov r8, r2 @ save atags pointer 保存r2寄存器 参数列表，r0始终为0

mrs r2, cpsr @ get current mode  得到当前模式

tst r2, #3 @ not user?，tst实际上是相与,判断是否处于用户模式

bne not_angel            @ 如果不是处于用户模式，就跳转到not_angel标号处

/*如果是普通用户模式，则通过软中断进入超级用户权限模式*/

mov r0, #0x17 @ angel_SWIreason_EnterSVC，向SWI中传递参数

swi 0x123456 @ angel_SWI_ARM这个是让用户空间进入SVC空间

not_angel:                                /*表示非用户模式，可以直接关闭中断*/

mrs r2, cpsr @ turn off interrupts to 读出cpsr寄存器的值放到r2中

orr r2, r2, #0xc0 @ prevent angel from running关闭中断

msr cpsr_c, r2           @ 把r2的值从新写回到cpsr中

/*读入地址表。因为我们的代码可以在任何地址执行，也就是位置无关代码（PIC），所以我们需要加上一个偏移量。下面有每一个列表项的具体意义。

LC0是表的首项，它本身就是在此head.s中定义的

.typeLC0, #object

LC0:.wordLC0@ r1 LC0表的起始位置

.word__bss_start@ r2 bss段的起始地址在vmlinux.lds.S中定义

.word_end@ r3 zImage（bss）连接的结束地址在vmlinux.lds.S中定义

.wordzreladdr@ r4 zImage的连接地址，我们在arch/arm/mach-s3c2410/makefile.boot中定义的

.word_start@ r5 zImage的基地址，bootp/init.S中的_start函数，主要起传递参数作用

.word_got_start@ r6 GOT（全局偏移表）起始地址，_got_start是在compressed/vmlinux.lds.in中定义的

.word_got_end@ ip GOT结束地址

.worduser_stack+4096@ sp 用户栈底 user_stack是紧跟在bss段的后面的，在compressed/vmlinux.lds.in中定义的

@ 在本head.S的末尾定义了zImag的临时栈空间，在这里分配了4K的空间用来做堆栈。

.section ".stack", "w"

user_stack:.space4096

GOT表的初值是连接器指定的，当时程序并不知道代码在哪个地址执行。如果当前运行的地址已经和表上的地址不一样，还要修正GOT表。*/

.text

adr r0, LC0                              /*把地址表的起始地址放入r0中*/

ldmia r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp} /*加载地址表中的所有地址到相应的寄存器*/

@r0是运行时地址，而r1则是链接时地址，而它们两都是表示LC0表的起始位置，这样他们两的差则是运行和链接的偏移量，纠正了这个偏移量才可以运行与”地址相关的代码“

subs r0, r0, r1 @ calculate the delta offset 计算偏移量，并放入r0中

beq not_relocated @ if delta is zero, we are running at the address we  were linked at.

@ 如果为0，则不用重定位了，直接跳转到标号not_relocated处执行

/*

 *   偏移量不为零，说明运行在不同的地址，那么需要修正几个指针 

        *   r5 – zImage基地址 

        *   r6 – GOT（全局偏移表）起始地址 

        *   ip – GOT结束地址 

*/

add r5, r5, r0 /*加上偏移量修正zImage基地址*/

add r6, r6, r0 /*加上偏移量修正GOT（全局偏移表）起始地址*/

add ip, ip, r0 /*加上偏移量修正GOT（全局偏移表）结束地址*/

              /*

 * 这时需要修正BSS区域的指针，我们平台适用。 

         *   r2 – BSS 起始地址 

           *   r3 – BSS 结束地址 

           *   sp – 堆栈指针 

*/

add r2, r2, r0 /*加上偏移量修正BSS 起始地址*/

add r3, r3, r0 /*加上偏移量修正BSS 结束地址*/

add sp, sp, r0 /*加上偏移量修正堆栈指针*/

/*

* 重新定位GOT表中所有的项.

*/

1: ldr r1, [r6, #0] @ relocate entries in the GOT

add r1, r1, r0 @ table.  This fixes up the

str r1, [r6], #4 @ C references.

cmp r6, ip

blo 1b

not_relocated: mov r0, #0 

1: str r0, [r2], #4 @ clear bss 清除bss段

str r0, [r2], #4

str r0, [r2], #4

str r0, [r2], #4

cmp r2, r3

blo 1b

bl cache_on        /* 开启指令和数据Cache ，为了加快解压速度*/

@ 这里的 r1,r2 之间的空间为解压缩内核程序所使用，也是传递给 decompress_kernel 的第二和第三的参数

mov r1, sp @ malloc space above stack

add r2, sp, #0x10000 @ 64k max解压缩的缓冲区

@下面程序的意义就是保证解压地址和当前程序的地址不重叠。上面分配了64KB的空间来做解压时的数据缓存。

/*

 *   检查是否会覆盖内核映像本身 

 *   r4 = 最终解压后的内核首地址 

 *   r5 = zImage 的运行时首地址，一般为 0x30008000

 *   r2 = end of malloc space分配空间的结束地址（并且处于本映像的前面） 

 * 基本要求：r4 >= r2 或者 r4 + 映像长度 <= r5 

(1)vmlinux 的起始地址大于 zImage 运行时所需的最大地址（ r2 ） , 那么直接将 zImage 解压到 vmlinux 的目标地址

cmp r4, r2

bhs wont_overwrite /*如果r4大于或等于r2的话*/

(2)zImage 的起始地址大于 vmlinux 的目标起始地址加上 vmlinux 大小（ 4M ）的地址，所以将 zImage 直接解压到 vmlinux 的目标地址

add r0, r4, #4096*1024 @ 4MB largest kernel size

cmp r0, r5

bls wont_overwrite /*如果r4 + 映像长度 <= r5 的话*/

@ 前两种方案通常都不成立，不会跳转到wont_overwrite标号处，会继续走如下分支，其解压后的内存分配示意图如下：

mov r5, r2 @ decompress after malloc space

mov r0, r5          /*解压程序从分配空间后面存放 */

mov r3, r7

bl decompress_kernel

/******************************进入decompress_kernel***************************************************/

@ decompress_kernel共有4个参数，解压的内核地址、缓存区首地址、缓存区尾地址、和芯片ID，返回解压缩代码的长度。

decompress_kernel(ulg output_start, ulg free_mem_ptr_p, ulg free_mem_ptr_end_p,

  int arch_id)

{

output_data = (uch *)output_start;/* Points to kernel start */

free_mem_ptr = free_mem_ptr_p;     /*保存缓存区首地址*/

free_mem_ptr_end = free_mem_ptr_end_p;/*保存缓冲区结束地址*/

__machine_arch_type = arch_id;           

arch_decomp_setup();  

makecrc();                             /*镜像校验*/

putstr("Uncompressing Linux...");

gunzip();                            /*通过free_mem_ptr来解压缩*/

putstr(" done, booting the kernel.\n");

return output_ptr;                     /*返回镜像的大小*/

}

/******************************从decompress_kernel函数返回*************************************************/

add r0, r0, #127 + 128

bic r0, r0, #127 @ align the kernel length对齐内核长度

/*

 * r0     = 解压后内核长度

 * r1-r3  = 未使用 

 * r4     = 真正内核执行地址 0x30008000

 * r5     = 临时解压内核Image的起始地址 

 * r6     = 处理器ID        

 * r7     = 体系结构ID        

 * r8     = 参数列表              0x30000100

 * r9-r14 = 未使用

 */

@ 完成了解压缩之后，由于内核没有解压到正确的地址，最后必须通过代码搬移来搬到指定的地址0x30008000。搬运过程中有

@ 可能会覆盖掉现在运行的重定位代码，所以必须将这段代码搬运到安全的地方，

@ 这里搬运到的地址是解压缩了的代码的后面r5+r0的位置。

add r1 , r5, r0 @ end of decompressed kernel 解压内核的结束地址

adr r2, reloc_start

ldr r3, LC1             @ LC1: .word reloc_end - reloc_start 表示reloc_start段代码的大小

add r3, r2, r3

1: ldmia r2!, {r9 - r14}     @ copy relocation code

stmia r1!, {r9 - r14}

ldmia r2!, {r9 - r14}

stmia r1!, {r9 - r14}

cmp r2, r3

blo 1b

bl cache_clean_flush  @清 cache

ARM(add pc, r5, r0)                     @ call relocation code 跳转到重定位代码开始执行

@ 在此处会调用重定位代码reloc_start来将Image 的代码从缓冲区r5帮运到最终的目的地r4:0x30008000处

reloc_start: add r9, r5, r0         @r9中存放的是临时解压内核的末尾地址

sub r9, r9, #128      @ 不拷贝堆栈

mov r1, r4      @r1中存放的是目的地址0x30008000

1:

.rept 4

ldmia r5!, {r0, r2, r3, r10 - r14} @ relocate kernel

stmia r1!, {r0, r2, r3, r10 - r14} /*搬运内核Image的过程*/

.endr

cmp r5, r9

blo 1b

mov sp, r1                            /*留出堆栈的位置*/

add sp, sp, #128              @ relocate the stack

call_kernel: bl cache_clean_flush    @清除cache             

bl cache_off            @关闭cache

mov r0, #0 @ must be zero

mov r1, r7 @ restore architecture number

mov r2, r8 @ restore atags pointer

@ 这里就是最终我们从zImage跳转到Image的伟大一跳了，跳之前准备好r0,r1,r2

mov  pc, r4@ call kernel

到此kernel的第一阶段zImage 解压缩阶段已经执行完。