3.2 内核初始化(盘古开天地)

Interrupt Pipeline系列文章大纲-CSDN博客

3.2.1 内核初始化的神话

        Linux内核的初始化流程，很多文章都有分析，自己也学习了很多次，总是感觉记忆不深刻。突发奇想，觉得整个初始化流程与中国神话传说盘古开天地特别的契合，所以尝试着更生动形象的分析一下内核初始化化流程。

        天和地还没有分开的时候，宇宙混沌一片，从外表看像一个大鸡蛋。这个蛋形混沌宇宙可以用“0”来非常形象的表示。Linux内核的初始化是从0开始的，Documentation/arm64/booting.txt里面写明了，此时中断是完全关闭的，一切似乎都是静止的。

        宇宙混沌中，开始孕育代号为0的巨人盘古，孕育的顺序是从头（head.S）开始，然后是身体（stext）。什么是宇宙？宇者，上下四方，空间为宇；宙者，古往今来，时间为宙。盘古为了开天辟地，必须分开空间和时间。在空间维度，要对内存空间进行切分，即基于MMU的空分复用。在时间维度，要对CPU的运行时间进行切分，即基于进程调度的时分复用。盘古作为0号进程，在head.S汇编代码中，沿着_head(头)->stext(身)->__primary_switch(MMU)->__primary_switched(进程)完成了上述4个步骤，之后就可以跳转到C语言函数start_kernel开始开天辟地。

        盘古开天辟地不仅仅是简单的分开天地，还要创造世间万物，就像start_kernel要进行各个子系统的初始化一样。当所有的子系统都初始化完毕，开天辟地的最后一步，就是分出天和地，start_kernel的最后一步是rest_init，也有异曲同工之妙。在rest_init中，创建”地”进程即1号进程init，它将孕育所有用户进程，是所有的用户进程的祖先；创建”天”进程为2号线程kthreadd，它将孕育所有内核线程，是所有的内核线程的祖先。

        盘古(0号进程)在完成开天辟地之后，就事了拂衣去，闲云野鹤地idle了，也被称为idle进程。只有在天地之间没有任何进程运行的时候，才被调度运行。

3.2.2 从头 (Head)开始

        Linux内核代码的执行真的是从头（Head）开始！为啥这么说？

        内核入口所在的文件名是head.S，启动代码链接时的代码段名字叫做__HEAD（即.head.text头代码），启动代码的标签是_head，全部都是用单词Head(头)，司马昭之心路人皆知哈。接下来分析具体是怎么做到的。

        根据Linux内核源码目录下的Makefile，vmlinux的链接文件是vmlinux.lds。

export KBUILD_LDS          := arch/$(SRCARCH)/kernel/vmlinux.lds

        链接文件vmlinux.lds是由vmlinux.lds.S文件生成的。以ARM64为例，vmlinux.lds.S位于目录arch/arm64/kernel/。vmlinux.lds生成的过程记录在.vmlinux.lds.cmd文件中。

        在vmlinux.lds.S文件中，与Linux内核运行入口相关的主体内容如下：

1	ENTRY(_text)
2
3	SECTIONS
4	{
5		……
6		. = KIMAGE_VADDR + TEXT_OFFSET;
7
8		.head.text : {
9			_text = .;
10			HEAD_TEXT
11		}
12		……
13		.text : {		/* Real text segment*/
14			_stext = .;	/* Text and read-only data*/
15		……
16		}
17	}

        第1行，使用ENTRY命令将符号_text的值设置为Linux运行时入口地址。

        _text在哪里定义？

        看第9行，此处定义了_text符号。咬文嚼字一下哈，为啥叫这个名字呢？追溯到commit e2f81844efa2 ARM: vmlinux.lds: use _text and _stext the same way as x86。x86使用_text来标记.head.text段的起始地址，同时也是内核镜像的运行起始地址；用_stext来标记.text段的起始地址。_text之后第10行就是HEAD_TEXT。HEAD_TEXT定义在include/asm-generic/vmlinux.lds.h：

        #define HEAD_TEXT  KEEP(*(.head.text))

        所以，只要在源码中定义了.head.text段，就会链接到_text。 这就必须说到定义在include/linux/init.h中的宏定义__HEAD。通过宏定义__HEAD就可以在源码中定义.head.text段。其中“ax”后缀的定义参考Section (Using as) (sourceware.org)：a代表allocatable，x代表executable。

#define __HEAD          .section  ".head.text","ax"

       __HEAD宏在哪里使用？

        在head.S(arch/arm64/kernel)的起始位置，使用了__HEAD宏。所以，Linux内核运行的入口位置就是head.S中的标号_head。

__HEAD _head:        /*         * DO NOT MODIFY. Image header expected by Linux boot-loaders.         */ #ifdef CONFIG_EFI        /*         * This add instruction has no meaningful effect except that         * its opcode forms the magic "MZ" signature required by UEFI.         */        add x13, x18, #0x16        b     stext #else        b     stext                            // branch to kernel start, magic        .long      0                          // reserved #endif

        回到vmlinux.lds.S文件，_text的值是多少？结合第6行和第9行，可知：

        _text = KIMAGE_VADDR + TEXT_OFFSET。

        根据生成的vmlinux.lds，可以直接看到宏定义自动展开的结果，算出来是0xFFFF 0000 0800 0000。

. = ((((((0xffffffffffffffff)) - (((1)) << (48)) + 1) + (0)) + (0x08000000))) + 0x00080000;

        也可以追一下宏定义的位置，手动展开并计算，具体过程如下：

        KIMAGE_VADDR定义在arch/arm64/include/asm/memory.h，

#define VA_BITS         (CONFIG_ARM64_VA_BITS)     //配置为48 #define VA_START        (UL(0xffffffffffffffff) - \     (UL(1) << VA_BITS) + 1) #define KIMAGE_VADDR        (MODULES_END) #define MODULES_END         (MODULES_VADDR + MODULES_VSIZE) #define MODULES_VADDR       (VA_START + KASAN_SHADOW_SIZE) #define MODULES_VSIZE       (SZ_128M) #define KASAN_SHADOW_SIZE   (0)

        TEXT_OFFSET定义arch/arm64/Makefile：

TEXT_OFFSET := 0x00080000