x4412开发板&ibox卡片电脑项目实战7－Linux内核的引导

linux的启动框架如下：

linux的内核映像文件zImage本身是一个压缩的文件，在arch/arm/boot/Makefile中，我们可以找到如下语句：

$(obj)/zImage:     $(obj)/compressed/vmlinux FORCE
         $(call if_changed,objcopy)
         @echo '  Kernel: $@ is ready'

可见， zImage 是由 arch\arm\boot\compressed\vmlinux 二进制文件转化而来。在 arch/arm/boot/compressed/Makefile 中，有如下语句：

$(obj)/vmlinux: $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/$(HEAD) $(obj)/piggy.$(suffix_y).o \
                 $(addprefix $(obj)/, $(OBJS)) $(lib1funcs) FORCE
         $(call if_changed,ld)
 
$(obj)/piggy.$(suffix_y): $(obj)/../Image FORCE
         $(call if_changed,$(suffix_y))
 
$(obj)/piggy.$(suffix_y).o:  $(obj)/piggy.$(suffix_y) FORCE

  由此可以分析得知，zImage 是由vmlinux.lds ，head.o ，misc.o 以及压缩的内核piggy.gzip.o 组成。也就是说，zImage 文件即包含了未压缩部分，如head.o,misc.o ，也包含了压缩的部分，如piggy.gzip.o 。那么，zImage 的程序入口在哪里呢？

        在arch\arm\boot\compressed\vmlinux.lds 中，可以看到其框架如下：

OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
……
  . = 0;
  _text = .;
 
  .text : {
    _start = .;
    *(.start)
    *(.text)
    *(.text.*)
    *(.fixup)
    *(.gnu.warning)
    *(.rodata)
    *(.rodata.*)
    *(.glue_7)
    *(.glue_7t)
    *(.piggydata)
    . = ALIGN(4);
  }
……
}

       可以看出，其入口点为 _start ，程序 arch\arm\boot\compressed\head.S 会首先被执行，在 head.S 中，程序执行了一堆准备工作后，开始调用 misc.c 中的 decompress_kernel 函数，开始解压内核。其函数如下：

void
decompress_kernel(unsigned long output_start, unsigned long free_mem_ptr_p,
                   unsigned long free_mem_ptr_end_p,
                   int arch_id)
{
         int ret;
 
         output_data                   = (unsigned char *)output_start;
         free_mem_ptr               = free_mem_ptr_p;
         free_mem_end_ptr        = free_mem_ptr_end_p;
         __machine_arch_type   = arch_id;
 
         arch_decomp_setup();
 
         putstr("Uncompressing Linux...");
         ret = do_decompress(input_data, input_data_end - input_data,
                                output_data, error);
         if (ret)
                   error("decompressor returned an error");
         else
                   putstr(" done, booting the kernel.\n");
}

这里有几句经典的打印信息：

Uncompressing Linux... done, booting the kernel.

执行完这个后，程序将会跳到 init/main.c 中，执行经典的 start_kernel 函数。 start_kernel() 会调用一系列初始化函数来设置中断，执行进一步的内存配置等，其函数原型如下：

asmlinkage void __init start_kernel(void)
{
         char * command_line;
         extern const struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];
 
         smp_setup_processor_id();//返回启动的CPU的ID号，如为单核则什么也不做
 
         /*
          * Need to run as early as possible, to initialize the
          * lockdep hash:
          */
         lockdep_init();
         debug_objects_early_init();
 
         /*
          * Set up the the initial canary ASAP:
          */
         boot_init_stack_canary();
 
         cgroup_init_early();
 
         local_irq_disable();//关闭当前CPU的中断
         early_boot_irqs_disabled = true;
 
/*
 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
 * enable them
 */
         tick_init();
         boot_cpu_init();
         page_address_init();//初始化页地址，使用链表将其链接起来
         printk(KERN_NOTICE "%s", linux_banner);//打印内核版本信息
         setup_arch(&command_line);//设置体系结构，由内核根目录的Makefile决定
         mm_init_owner(&init_mm, &init_task);
         mm_init_cpumask(&init_mm);
         setup_command_line(command_line);
         setup_nr_cpu_ids();
         setup_per_cpu_areas();
         smp_prepare_boot_cpu();      /* arch-specific boot-cpu hooks */
 
         build_all_zonelists(NULL);
         page_alloc_init();
 
         printk(KERN_NOTICE "Kernel command line: %s\n", boot_command_line);//打印命令行信息
         parse_early_param();//解析内核选项
         parse_args("Booting kernel", static_command_line, __start___param,
                      __stop___param - __start___param,
                      &unknown_bootoption);
         /*
          * These use large bootmem allocations and must precede
          * kmem_cache_init()
          */
         setup_log_buf(0);
         pidhash_init();
         vfs_caches_init_early();
         sort_main_extable();
         trap_init();
         mm_init();
 
         /*
          * Set up the scheduler prior starting any interrupts (such as the
          * timer interrupt). Full topology setup happens at smp_init()
          * time - but meanwhile we still have a functioning scheduler.
          */
         sched_init();//进程调度器初始化
         /*
          * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely
          * fragile until we cpu_idle() for the first time.
          */
         preempt_disable();//禁止内核抢占
         if (!irqs_disabled()) {//检查中断是否已经打开，如果已经打开，则关闭中断
                   printk(KERN_WARNING "start_kernel(): bug: interrupts were "
                                     "enabled *very* early, fixing it\n");
                   local_irq_disable();
         }
         idr_init_cache();
         perf_event_init();
         rcu_init();//初始化RCU(Read-Copy Update)机制
         radix_tree_init();
         /* init some links before init_ISA_irqs() */
         early_irq_init();
         init_IRQ();//中断向量初始化
         prio_tree_init();
         init_timers();//初始化定时器相关的数据结构
         hrtimers_init();//对高精度时钟进行初始化
         softirq_init();//初始化tasklet_softirq和hi_softirq
         timekeeping_init();
         time_init();//初始化系统时钟源
         profile_init();//对内核的profile（一个内核性能调式工具）功能进行初始化
         call_function_init();
         if (!irqs_disabled())
                   printk(KERN_CRIT "start_kernel(): bug: interrupts were "
                                      "enabled early\n");
         early_boot_irqs_disabled = false;
         local_irq_enable();
 
         /* Interrupts are enabled now so all GFP allocations are safe. */
         gfp_allowed_mask = __GFP_BITS_MASK;
 
         kmem_cache_init_late();
 
         /*
          * HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before
          * we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of
          * this. But we do want output early, in case something goes wrong.
          */
         console_init();// 初始化控制台以显示printk的内容，在此之前调用的printk只是把数据存到缓冲区里
         if (panic_later)
                   panic(panic_later, panic_param);
 
         lockdep_info();
 
         /*
          * Need to run this when irqs are enabled, because it wants
          * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs
          * too:
          */
         locking_selftest();
 
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
         if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&
             page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) {
                   printk(KERN_CRIT "initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - "
                       "disabling it.\n",
                       page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),
                       min_low_pfn);
                   initrd_start = 0;
         }
#endif
         page_cgroup_init();
         enable_debug_pagealloc();
         debug_objects_mem_init();
         kmemleak_init();
         setup_per_cpu_pageset();
         numa_policy_init();
         if (late_time_init)
                   late_time_init();
         sched_clock_init();
         calibrate_delay();
         pidmap_init();
         anon_vma_init();
#ifdef CONFIG_X86
         if (efi_enabled)
                   efi_enter_virtual_mode();
#endif
         thread_info_cache_init();
         cred_init();
         fork_init(totalram_pages);
         proc_caches_init();
         buffer_init();
         key_init();
         security_init();
         dbg_late_init();
         vfs_caches_init(totalram_pages);//虚拟文件系统的初始化
         signals_init();
         /* rootfs populating might need page-writeback */
         page_writeback_init();
#ifdef CONFIG_PROC_FS
         proc_root_init();
#endif
         cgroup_init();
         cpuset_init();
         taskstats_init_early();
         delayacct_init();
 
         check_bugs();
 
         acpi_early_init(); /* before LAPIC and SMP init */
         sfi_init_late();
 
         ftrace_init();
 
         /* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
         rest_init();
}

start_kernel 函数大致执行任务如下：

输出Linux版本信息，设置与体系结构相关的环境，页表结构初始化，初始化系统IRQ，核心进程调度器初始化，时间、定时器初始化，提取并分析核心启动参数，控制台初始化，剖析器数据结构初始化，核心Cache初始化，延迟校准，内存初始化，创建文件，目录cache，创建与虚拟内存相关的cache，块设备读写缓冲区初始化，创建页cache，创建信号队列cache，初始化内存inode表，创建内存文件描述符表，检查体系结构，SMP机器除引导CPU之外的CPU初始化，创建第一个核心线程，调用init函数，调用cpu_idle()等待调度。

作为核心线程的init()函数完成外设及其驱动程序的加载和初始化，挂接根文件系统。init()打开/dev/console设备，重定向stdin、stdout和stderr到控制台。之后，它搜索文件系统中的init程序（也可以由“init=”命令行参数指定init程序），并使用execve()系统调用执行init程序。搜索init程序的顺序为/sbin/init、/etc/init、/bin/init 和/bin/sh。在嵌入式系统中，多数情况下，可以给内核传入一个简单的shell脚本来启动必需的嵌入式应用程序。

至此，漫长的 Linux 内核引导和启动过程就结束了，而init()对应的由start_kernel()

创建的第一个线程也进入用户模式。