Android系统启动流程（三）Linux系统启动

1 Linux系统启动主要分为三个阶段

• Linux系统启动主要分为三个阶段
• 1.第一个阶段是自解压过程
• 2.第二个是设置ARM处理器的工作模式、设置一级页表等
• 3.第三个阶段主要是C代码，包括Android的初始化的全部工作。

2 自解压过程

• BootLoader完成系统的引导以后并将Linux内核调入内核之后，调用do_bootm_linux()，这个函数将跳转到kernel的其实位置。
• 如果kernel没有被压缩，就可以启动了。如果kernel被压缩过，就要进行压缩了，在压缩过的kernel头部有解压缩程序。
• 压缩过的kernel入口第一个文件源位置正在arch/arm/boot/compressed/head.S。它将调用函数decompress_kernel()函数，这个函数在文件的arch/arm/boot/compressed/misc.c中，decompress_kernel()又调用proc_decomp_setup()，arch_decomp_setup()进行设置，然后打印gunzip()将内核放于指定的位置。

• 内核压缩和解压缩代码都在目录kernel/arch/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缩文件链接而已；
• 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
• decompress.o是未支持更多的压缩格式而新引入的。

解压缩的过程(函数decompress_kernel的实现功能)

• 解压缩的代码位置与kernel/lib/inflate.c，inflate.c是从gzip源程序中分离出来的，包含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字节的解压缩缓冲区，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位inptr，inflate.c中对之有减量操作。inflate.c调用flush_window()来输出window缓冲区的解压出的字节串，每次输出长度用outcnt变量表示。
• 在flushwindow()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。

3 Linux初始化

Linux初始化又分为三个阶段

3.1 第一阶段

本阶段就是上面说的到的内核解压缩完成后的阶段。

• 该部分的代码实现在arch/arm/kernel的 head.S中，该文件的汇编代码通过查找处理内和类型的机器码类型调用相应的初始化函数，再建立页表，最后跳转到start_kernel()函数开始内核的初始化工作。
• 检查处理器是汇编子函数__lookup_processor_type中完成的
• 检查机器码类型是汇编函数__lookup_machine_type中完成
• 当检测处理器类型和机器码类型结束后，将调用__create_page_tables子函数来建立页表，它所要做的工作就是将RAM地址开始的1M空间物理地址映射到0xC0000000开始的虚拟地址处。
• 对本项目的开发板DM3730而言，RAM挂接到物理地址0x80000000处，当调用__create_page_tables结束后0x80000000 ～ 0x80100000物理地址将映射到0xC0000000～0xC0100000虚拟地址处。
• 当所有的初始化结束之后，使用如下代码来跳到C程序的入口函数start_kernel()处，开始之后的内核初始化共工作。

Head.S核心代码如下

ENTRY(stext)
setmode PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9 @设置SVC模式关中断
      mrc p15, 0, r9, c0, c0        @ 获得处理器ID，存入r9寄存器
      bl    __lookup_processor_type        @ 返回值r5=procinfo r9=cpuid
      movs      r10, r5                       
 THUMB( it eq )        @ force fixup-able long branch encoding
      beq __error_p                   @如果返回值r5=0，则不支持当前处理器'
      bl    __lookup_machine_type         @ 调用函数，返回值r5=machinfo
      movs      r8, r5            @ 如果返回值r5=0，则不支持当前机器（开发板）
THUMB( it   eq )             @ force fixup-able long branch encoding
      beq __error_a                   @ 机器码不匹配，转__error_a并打印错误信息
      bl    __vet_atags
#ifdef CONFIG_SMP_ON_UP    @ 如果是多核处理器进行相应设置
      bl    __fixup_smp
#endif
      bl    __create_page_tables  @最后开始创建页表

3.2 第二阶段

• 从start_kernel函数开始
• Linux内核启动的第一个阶段是从start_kernel函数开始的。
• start_kernel是所有Linux平台进入系统内核初始化后的入口函数，它主要完成剩余与硬件平台的相关初始化工作，在进行一些系列的与内核相关的初始后，调用第一个用户进程——init进程并等待用户进程的执行，这样整个Linux内核便启动完毕。

• 该函数位于init/main.c文件中。

  
  
  

  5713484-fb928231e6856610.png

这个函数内部的具体工作如下：

• 调用setup_arch()函数进行与体系结构相关的第一个初始化工作；对于不同的体系结构来说该函数有不同的定义。对于ARM平台而言，该函数定义在arch/arm/kernel/setup.c。它首先通过检测出来的处理器类型进行处理其内核的初始化，然后通过bootmem_init()函数根据系统定义的meminfo结构进行内存结构的初始化，最后调用 paging_init()开启MMU，创建内核页表，映射所有的物理内存和IO空间。
• 创建异常向量表和初始化中断处理函数
• 初始化系统核心进程调度器和时钟中断处理机制
• 初始化串口控制台
• 创建初始化系统cache，为各种内存调用机制提供缓存，包括动态内存分配，虚拟文件系统(VirtuaFile System)及页缓存。
• 初始化内存管理，检测内存大小及被内核占用的内存情况。
• 初始化系统的进程间通信机制(IPC)；当以上所有的初始化工作结束后，start_kernel()函数会调用rest_init()函数来进行最后的初始化，包括创建系统的第一个进程——init进程来结束内核的启动

• Linux内核启动的最后一个阶段就是挂载根文件系统，因为启动第一个init进程，必须以根文件系统为载体。

3.3 第三阶段

根文件系统至少包括以下目录：

• /etc/：存储重要的配置文件
• /bin/：存储常用且开机时必须用到的执行文件。
• /sbin/：存储着开机过程中所需的系统执行文件。
• /lib/：存储/bin/及/sbin/的执行文件所需要的链接库，以及Linux的内核模块
• /dev/：存储设备文件
  上面五大目录必须存储在跟文件系统上，缺一不可。

1、为什么以只读的方式
以只读的方式挂载根文件系统，之所以采用只读的方式挂载根文件系统是因为：此时Linux内核仍在启动阶段，还不是很稳定，如果采用可读可写的方式挂载跟文件系统，万一Linux不小心宕机了，一来可能破坏根文件系统上的数据，再者Linux下次开机时得花上很长时间来检查并修复根文件系统。

2、挂载根文件系统的目的：

• 安装适当的内核模块，以便驱动某些硬件设备或启动某些功能
• 启动存储于文件系统中的init服务，以便让init服务接手后续的启动工作。

3、执行init服务的顺序：
Linxu内核启动的最后一个动作，就是从根文件系统上找出并执行init服务。Linux内核会依照下列的顺序寻找init服务：

• 第一步检查 /sbin/是否有init服务
• 第二步检查/etc/是否有init服务
• 第三步检查/bin/是否有init服务
• 如果都找不到你最后执行/bin/sh

找到init服务后，Linux会让init服务负责后续初始化系统使用环境的工作，init启动后，就代表系统已经顺利地启动了Linux内核。启动init服务时，init服务会读取/etc/inittab文件，根据/etc/inittab中的设置数据进行初始化系统环境工作。

4、/etc/inittab：
/ect/inittabl定义init服务在Linux启动过程中必须执行以下几个脚本：

• /etc/rc.d/rc.sysinit
  主要功能是设置系统的基本环境，当init服务执行rc.sysinit时，要依次完成下面一系列工作：

• 启动udev
• 设置内核参数：执行sysctl -p，以便从/etc/sysctl.conf设置内核参数
• 设置系统时间：将硬件时间设置为系统时间
• 启动交换内存空间：执行swpaon -a -e，以便根据、etc/fstab的设置启动所有的交互内存空间。
• 检查并挂载所有文件系统：检查所有需要挂载的文件系统，以确保这些文件系统的完整性。检查完毕后可读可写的方式挂载文件系统。
• 初始化硬件设备：Linux除了在启动内核时以静态驱动部分的硬件外，在执行rc.sysinit时，也会试着驱动剩余的硬件设备。
• 初始化串行端口设备：Init服务会管理所有的串行端口设备，比如调制解调器、不断电系统、串行端口控制台等。Init服务则通过rc.sysinit来初始化Linux串行端口设备。当rc.sysinit发现Linux才能在这/etc/rc.serial时，才会执行/etc/rc.serial，借以初始化所有的串行端口设备。因此，你可以在/etc/rc.serial中定义如何初始化Linux所有的串行端口设备。
• 清除过程的锁定文件与IPC文件
• 建立用户接口
• 建立虚拟控制台

• /etc/rc.d/rc
• /etc/rc.d/rc.local
  这里简单说一下建立虚拟控制台
• init会在若干个虚拟控制台中执行/bin/login，以便用户可以从虚拟控制台登录Linux。Linux默认在前6个虚拟控制台，也就tty1~tty6，执行/bin/login登录程序。当所有的初始化工作结束后，cpu-idle()函数会被调用来使用系统处于闲置(idle)状态并等待用户程序的执行。至此，整个Linux内核启动完毕

参考

Android启动流程——1序言、bootloader引导与Linux启动