Linux内核启动流程-迅为IMX6ULL开发板（一）

在前面的章节介绍了uboot和Linux内核的一些相关内容。在来看Linux内核的大致启动流程，Linux内核的启动流程要比uboot复杂的多，涉及到的内容也更多，因此在本章节大致简单的了解一下Linux内核的启动流程。有兴趣的用户可以参考其他书籍或资料进行深入了解。

嵌入式linux内核的启动全过程主要分为三个阶段。第一阶段为内核自解压过程，第二阶段主要工作是设置ARM处理器工作模式、使能MMU、设置一级页表等，而第三阶段则主要为C代码，包括内核初始化的全部工作。下面分别进行简单介绍。

基于迅为-IMX6ULL开发板

30.1 Linux内核启动（一）：Linux内核自解压过程

Linux内核有两种映像格式：一种是非压缩内核，叫Image，另一种是它的压缩版本，叫zImage。zImage是Image经过压缩形成的，所以它的大小比Image小。但为了能使用zImage，必须在它的开头加上解压缩的代码，将zImage解压缩之后才能执行，因此它的执行速度比Image要慢一些。

内核压缩和解压缩代码都在目录kernel/arch/arm/boot/compressed，编译完成后将产生head.o、misc.o、piggy.gzip.o、vmlinux、decompress.o这几个文件，head.o是内核的头部文件，负责初始设置；misc.o将主要负责内核的解压工作，它在head.o之后；piggy.gzip.o是一个中间文件，其实是一个压缩的内核(kernel/vmlinux)，只不过没有和初始化文件及解压文件链接而已；vmlinux是没有(zImage是压缩过的内核)压缩过的内核，就是由piggy.gzip.o、head.o、misc.o组成的，而decompress.o是为支持更多的压缩格式而新引入的。

在uboot完成系统引导将Linux内核加载到内存之后，调用do_bootm_linux()，这个函数将跳转到kernel的起始位置。如果kernel没有被压缩，就可以启动了。如果kernel被压缩过，则要进行解压，在压缩过的kernel头部有解压程序。压缩过的kernel入口第一个文件源码位置在arch/arm/boot/compressed/head.S。它将调用函数decompress_kernel()，这个函数在文件arch/arm/boot/compressed/misc.c中，decompress_kernel()又调用arch_decomp_setup()进行设置，然后调用gunzip()将内核放于指定的位置。

函数decompress_kernel实现的功能：解压缩代码位于kernel/lib/inflate.c，inflate.c是从gzip源程序中分离出来的，包含了一些对全局数据的直接引用，在使用时需要直接嵌入到代码中。gzip压缩文件时总是在前32K字节的范围内寻找重复的字符串进行编码， 在解压时需要一个至少为32K字节的解压缓冲区，它定义为window[WSIZE]。inflate.c使用get_byte()读取输入文件，它被定义成宏来提高效率。输入缓冲区指针必须定义为inptr，inflate.c中对之有减量操作。inflate.c调用flush_window()来输出window缓冲区中的解压出的字节串，每次输出长度用outcnt变量表示。在flush_window()中，还必须对输出字节串计算CRC并且刷新crc变量。在调用gunzip()开始解压之前，调用makecrc()初始化CRC计算表。最后gunzip()返回0表示解压成功。在内核启动时一般会看到这样的输出：

UncompressingLinux...done, booting the kernel.

当然有的内核没有这样的输出，是没有这一条打印语句。

30.2 Linux内核启动（二）：ARM处理器相关设置

当Linux内核自解压完成后，开始执行内核代码。内核的入口函数由链接脚本vmlinux.lds决定，需要编译内核源码，才会生成脚本文件。

首先分析Linux内核的链接脚本文件arch/arm/kernel/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开始执行的。vmlinux.lds文件部分代码如下：

492 OUTPUT_ARCH(arm)

493 ENTRY(stext)

494 jiffies = jiffies_64;

495 SECTIONS

496 {

497 /*

498 * XXX: The linker does not define how output sections are

499 * assigned to input sections when there are multiple statements

500 * matching the same input section name. There is no documented

501 * order of matching.

502 *

503 * unwind exit sections must be discarded before the rest of the

504 * unwind sections get included.

505 */

506 /DISCARD/ : {

507 *(.ARM.exidx.exit.text)

508 *(.ARM.extab.exit.text)

509

......

645 }

第493行的 ENTRY 指明了Linux内核入口函数为stext，因此要分析Linux内核第二阶段的启动流程，就得先从文件 arch/arm/kernel/head.S 的stext处开始分析。 

30.2.1 Linux内核入口函数stext

stext是Linux内核的入口地址，在文件arch/arm/kernel/head.S中有如下内容：

/*

* Kernel startup entry point.

* ---------------------------

*

* This is normally called from the decompressor code. The requirements

* are: MMU = off, D-cache = off, I-cache = dont care, r0 = 0,

* r1 = machine nr, r2 = atags or dtb pointer.

.....

*/

以上代码中的内容显示。Linux内核启动之前要求如下：

①　关闭MMU

②　关闭D-cache

③　不用关心I-cache

④　r0 = 0。

⑤　r1 = machine nr（机器ID号）

⑥　r2 = atags或者设备树（dts）首地址

Linux内核的入口点stext其实相当于内核的入口函数，stext函数代码如下：

80 ENTRY(stext)

......

91 @ ensure svc mode and all interrupts masked

92 safe_svcmode_maskall r9

93

94 mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id

95 bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid

96 movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)?

97 THUMB( it eq ) @ force fixup-able long branch encoding

98 beq __error_p @ yes, error 'p'

99

......

107

108 #ifndef CONFIG_XIP_KERNEL

......

113 #else

114 ldr r8, =PLAT_PHYS_OFFSET @ always constant in this case

115 #endif

116

117 /*

118 * r1 = machine no, r2 = atags or dtb,

119 * r8 = phys_offset, r9 = cpuid, r10 = procinfo

120 */

121 bl __vet_atags

......

128 bl __create_page_tables

129

130 /*

131 * The following calls CPU specific code in a position independent

132 * manner. See arch/arm/mm/proc-*.S for details. r10 = base of

133 * xxx_proc_info structure selected by __lookup_processor_type

134 * above. On return, the CPU will be ready for the MMU to be

135 * turned on, and r0 will hold the CPU control register value.

136 */

137 ldr r13, =__mmap_switched @ address to jump to after

138 @ mmu has been enabled

139 adr lr, BSYM(1f) @ return (PIC) address

140 mov r8, r4 @ set TTBR1 to swapper_pg_dir

141 ldr r12, [r10, #PROCINFO_INITFUNC]

142 add r12, r12, r10

143 ret r12

144 1: b __enable_mmu

145 ENDPROC(stext)

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，__lookup_processor_type调用结束返回原程序时，会将返回结果保存到寄存器中。其中r5寄存器返回一个用来描述处理器的结构体地址，并对r5进行判断，如果r5的值为0则说明不支持这种处理器，将进入__error_p。 procinfo 是 proc_info_list类 型 的 结 构 体 ，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。proc_info_list在文件arch/arm/include/asm/procinfo.h 中的定义如下：

struct proc_info_list {

unsigned int cpu_val;

unsigned int cpu_mask;

unsigned long __cpu_mm_mmu_flags; /* used by head.S */

unsigned long   __cpu_io_mmu_flags; /* used by head.S */

unsigned long __cpu_flush; /* used by head.S */

const char *arch_name;

const char *elf_name;

unsigned int elf_hwcap;

const char *cpu_name;

struct processor *proc;

struct cpu_tlb_fns *tlb;

struct cpu_user_fns *user;

struct cpu_cache_fns *cache;

};

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 ， __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。

30.2.2 _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：

81 __mmap_switched:

82 adr r3, __mmap_switched_data

83

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

85 cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed

86 1: cmpne r5, r6

87 ldrne fp, [r4], #4

88 strne fp, [r5], #4

89 bne 1b

90

91 mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp)

92 1: cmp r6, r7

93 strcc fp, [r6],#4

94 bcc 1b

95

96 ARM( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, sp})

97 THUMB( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7} )

98 THUMB( ldr sp, [r3, #16] )

99 str r9, [r4] @ Save processor ID

100 str r1, [r5] @ Save machine type

101 str r2, [r6] @ Save atags pointer

102 cmp r7, #0

103 strne r0, [r7] @ Save control register values

104 b start_kernel

105 ENDPROC(__mmap_switched)

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。

从start_kernel 函数开始Linux内核启动进入到下一个阶段。

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