Linux内核启动流程-第一阶段汇编流程简介

一.  Linux启动流程

看完 Linux 内核的顶层 Makefile 以后再来看 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。

本文中，我们就大致的了解一下 Linux 内 核的启动流程。

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。

二.  汇编流程简介

1.  链接脚本 vmlinux.lds

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执行的。 vmlinux.lds 中有如下代码：

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。

2.  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：

/*
* 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.
.....
*/

根据上面 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、 r1=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：

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.
 
原子哥在线教学:www.yuanzige.com 论坛:www.openedv.com
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I.MX6U 嵌入式 Linux 驱动开发指南
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，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。

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 到对应处器的 procinfo 以后会将其保存到 r5 寄存器中。

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。

3.   __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。