linux內核啟動(dòng)流程
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該文件是內核最先執行的一個(gè)文件，包括內核入口ENTRY(stext)到start_kernel間的初始化代碼，主要作用是檢查CPU ID， Architecture Type，初始化BSS等操作，并跳到start_kernel函數。在執行前，處理器應滿(mǎn)足以下?tīng)顟B(tài)：
r0 - should be 0
r1 - unique architecture number
MMU - off
I-cache - on or off
D-cache – off
[cpp]view plaincopyprint?
- /*部分源代碼分析*/
- /*內核入口點(diǎn)*/
- ENTRY(stext)
- /*程序狀態(tài)，禁止FIQ、IRQ，設定SVC模式*/
- movr0,#F_BIT|I_BIT|MODE_SVC@makesuresvcmode
- /*置當前程序狀態(tài)寄存器*/
- msrcpsr_c,r0@andallirqsdisabled
- /*判斷CPU類(lèi)型，查找運行的CPUID值與Linux編譯支持的ID值是否支持*/
- bl__lookup_processor_type
- /*跳到__error*/
- teqr10,#0@invalidprocessor?
- moveqr0,#p@yes,errorp
- beq__error
- /*判斷體系類(lèi)型，查看R1寄存器的ArchitectureType值是否支持*/
- bl__lookup_architecture_type
- /*不支持，跳到出錯*/
- teqr7,#0@invalidarchitecture?
- moveqr0,#a@yes,errora
- beq__error
- /*創(chuàng )建核心頁(yè)表*/
- bl__create_page_tables
- adrlr,__ret@returnaddress
- addpc,r10,#12@initialiseprocessor
- /*跳轉到start_kernel函數*/
- bstart_kernel
1. start_kernel()函數分析
下面對start_kernel()函數及其相關(guān)函數進(jìn)行分析。1.1 lock_kernel()
[cpp]view plaincopyprint?
- /*Gettingthebigkernellock.
- *Thiscannothappenasynchronously,
- *soweonlyneedtoworryaboutother
- *CPUs.
- */
- extern__inline__voidlock_kernel(void)
- {
- if(!++current->lock_depth)
- spin_lock(&kernel_flag);
- }
鎖的處理器可以進(jìn)入內核，如中斷處理程序等。在任何一對 lock_kernel／unlock_kernel函數里至多可以有一個(gè)程序占用CPU。 進(jìn)程的lock_depth成員初始化為-1，在 kerenl/fork.c文件中設置。在它小于0時(shí)
（恒為 -1），進(jìn)程不擁有內核鎖；當大于或等于0時(shí)，進(jìn)程得到內核鎖。
1.2 setup_arch()
setup_arch()函數做體系相關(guān)的初始化工作，函數的定義在arch/arm/kernel/setup.c文件中，主要涉及下列主要函數及代碼。
5.2.1 setup_processor()
該函數主要通過(guò)
[cpp]view plaincopyprint?
- for(list=&__proc_info_begin;list<&__proc_info_end;list++)
- if((processor_id&list->cpu_mask)==list->cpu_val)
- break;
中設置。
1.2.2 setup_architecture(machine_arch_type)
該函數獲得體系結構的信息，返回mach-xxx/arch.c 文件中定義的machine結構體的指針，包含以下內容MACHINE_START (xxx, “xxx”)
MAINTAINER ("xxx"
BOOT_MEM (xxx, xxx, xxx)
FIXUP (xxx)
MAPIO (xxx)
INITIRQ (xxx)
MACHINE_END
1.2.3內存設置代碼
[cpp]view plaincopyprint?
- if(meminfo.nr_banks==0)
- {
- meminfo.nr_banks=1;
- meminfo.bank[0].start=PHYS_OFFSET;
- meminfo.bank[0].size=MEM_SIZE;
- }
meminfo結構表明內存情況，是對物理內存結構meminfo的默認初始化。 nr_banks指定內存塊的數量，
bank指定每塊內存的范圍，PHYS _OFFSET指定某塊內存塊的開(kāi)始地址，MEM_SIZE指定某塊內存塊長(cháng)度。
PHYS _OFFSET和MEM_SIZE都定義在include/asm-armnommu/arch-XXX/memory.h文件中，其中
PHYS _OFFSET是內存的開(kāi)始地址，MEM_SIZE就是內存的結束地址。這個(gè)結構在接下來(lái)內存的初始化代碼中
起重要作用。
1.2.4 內核內存空間管理
init_mm.start_code = (unsigned long) &_text; 內核代碼段開(kāi)始init_mm.end_code = (unsigned long) &_etext; 內核代碼段結束
init_mm.end_data = (unsigned long) &_edata; 內核數據段開(kāi)始
init_mm.brk = (unsigned long) &_end; 內核數據段結束
每一個(gè)任務(wù)都有一個(gè)mm_struct結構管理其內存空間，init_mm 是內核的mm_struct。其中設置成員變量
* mmap指向自己， 意味著(zhù)內核只有一個(gè)內存管理結構，設置 pgd=swapper_pg_dir，
swapper_pg_dir是內核的頁(yè)目錄，ARM體系結構的內核頁(yè)目錄大小定義為16k。init_mm定義了整個(gè)內核的
內存空間，內核線(xiàn)程屬于內核代碼，同樣使用內核空間，其訪(fǎng)問(wèn)內存空間的權限與內核一樣。
1.2.5 內存結構初始化
bootmem_init (&meminfo)函數根據meminfo進(jìn)行內存結構初始化。bootmem_init(&meminfo)函數中調用 reserve_node_zero(bootmap_pfn, bootmap_pages) 函數，這個(gè)函數的作用是保留一部分內存使之
不能被動(dòng)態(tài)分配。這些內存塊包括：
reserve_bootmem_node(pgdat, __pa(&_stext), &_end - &_stext); /*內核所占用地址空間*/
reserve_bootmem_node(pgdat, bootmap_pfn<
1.2.6 paging_init(&meminfo, mdesc)
創(chuàng )建內核頁(yè)表，映射所有物理內存和IO空間，對于不同的處理器，該函數差別比較大。下面簡(jiǎn)單描述一下ARM體系結構的存儲系統及MMU相關(guān)的概念。
在A(yíng)RM存儲系統中，使用內存管理單元(MMU)實(shí)現虛擬地址到實(shí)際物理地址的映射。利用MMU，可把SDRAM的
地址完全映射到0x0起始的一片連續地址空間，而把原來(lái)占據這片空間的FLASH或者ROM映射到其他不相沖突
的存儲空間位置。例如，FLASH的地址從0x0000 0000～0x00FFFFFF，而SDRAM的地址范圍是
0x3000 0000～0x3lFFFFFF，則可把SDRAM地址映射為0x0000 0000～0xlFFFFFF，而FLASH的地址可以
映射到0x9000 0000～0x90FFFFFF(此處地址空間為空閑，未被占用)。映射完成后，如果處理器發(fā)生異常，
假設依然為IRQ中斷，PC指針指向0xl8處的地址，而這個(gè)時(shí)候PC實(shí)際上是從位于物理地址的0x3000 0018處
讀取指令。通過(guò)MMU的映射，則可實(shí)現程序完全運行在SDRAM之中。在實(shí)際的應用中．可能會(huì )把兩片不連續的
物理地址空間分配給SDRAM。而在操作系統中，習慣于把SDRAM的空間連續起來(lái)，方便內存管理，且應用程序
申請大塊的內存時(shí)，操作系統內核也可方便地分配。通過(guò)MMU可實(shí)現不連續的物理地址空間映射為連續的虛擬
地址空間。操作系統內核或者一些比較關(guān)鍵的代碼，一般是不希望被用戶(hù)應用程序訪(fǎng)問(wèn)。通過(guò)MMU可以控制地
址空間的訪(fǎng)問(wèn)權限，從而保護這些代碼不被破壞。
MMU的實(shí)現過(guò)程，實(shí)際上就是一個(gè)查表映射的過(guò)程。建立頁(yè)表是實(shí)現MMU功能不可缺少的一步。頁(yè)表位于系統的
內存中，頁(yè)表的每一項對應于一個(gè)虛擬地址到物理地址的映射。每一項的長(cháng)度即是一個(gè)字的長(cháng)度(在A(yíng)RM中，
一個(gè)字的長(cháng)度被定義為4Bytes)。頁(yè)表項除完成虛擬地址到物理地址的映射功能之外，還定義了訪(fǎng)問(wèn)權限和緩
沖特性等。
MMU的映射分為兩種，一級頁(yè)表的變換和二級頁(yè)表變換。兩者的不同之處就是實(shí)現的變換地址空間大小不同。
一級頁(yè)表變換支持1 M大小的存儲空間的映射，而二級可以支持64 kB，4 kB和1 kB大小地址空間的映射。
動(dòng)態(tài)表(頁(yè)表)的大?。奖眄棓担總€(gè)表項所需的位數，即為整個(gè)內存空間建立索引表時(shí)，需要多大空間存放索
引表本身。
表項數＝虛擬地址空間/每頁(yè)大小
每個(gè)表項所需的位數＝Log(實(shí)際頁(yè)表數)+適當控制位數
實(shí)際頁(yè)表數 ＝物理地址空間/每頁(yè)大小
1.3 parse_options()
分析由內核引導程序發(fā)送給內核的啟動(dòng)選項，在初始化過(guò)程中按照某些選項運行，并將剩余部分傳送給init進(jìn)程。這些選項可能已經(jīng)存儲在配置文件中，也可能是由用戶(hù)在系統啟動(dòng)時(shí)敲入的。但內核并不關(guān)心這些，這些
細節都是內核引導程序關(guān)注的內容，嵌入式系統更是如此。
1.4 trap_init() （/kernel/traps.c do_trap）
這個(gè)函數用來(lái)做體系相關(guān)的中斷處理的初始化，在該函數中調用__trap_init((void *)vectors_base())函數將exception vector設置到vectors_base開(kāi)始的地址上。 __trap_init函數位于entry-armv.S文
件中，對于A(yíng)RM處理器，共有復位、未定義指令、SWI、預取終止、數據終止、IRQ和FIQ 幾種方式。SWI主要
用來(lái)實(shí)現系統調用，而產(chǎn)生了IRQ之后，通過(guò)exception vector進(jìn)入中斷處理過(guò)程，執行do_IRQ函數。
armnommu的trap_init（）函數在arch/armnommu/kernel/traps.c文件中。vectors_base是寫(xiě)中斷向
量的開(kāi)始地址，在include/asm-armnommu/proc-armv/system.h文件中設置，地址為0或0XFFFF0000。
[plain]view plaincopyprint?
- ENTRY(__trap_init)
- stmfdsp!,{r4-r6,lr}
- mrsr1,cpsr@codefrom2.0.38
- bicr1,r1,#MODE_MASK@clearmodebits/*設置svc模式，disableIRQ,FIQ*/
- orrr1,r1,#I_BIT|F_BIT|MODE_SVC@setSVCmode,disableIRQ,FIQ
- msrcpsr,r1
- adrr1,.LCvectors@setupthevectors
- ldmiar1,{r1,r2,r3,r4,r5,r6,ip,lr}
- stmiar0,{r1,r2,r3,r4,r5,r6,ip,lr}/*拷貝異常向量*/
- addr2,r0,#0x200
- adrr0,__stubs_start@copystubsto0x200
- adrr1,__stubs_end
- 1:ldrr3,[r0],#4
- strr3,[r2],#4
- cmpr0,r1
- blt1b
- LOADREGS(fd,sp!,{r4-r6,pc})
1.5 init_IRQ()
[cpp]view plaincopyprint?
- void__initinit_IRQ(void)
- {
- externvoidinit_dma(void);
- intirq;
- for(irq=0;irq
- irq_desc[irq].probe_ok=0;
- irq_desc[irq].valid=0;
- irq_desc[irq].noautoenable=0;
- irq_desc[irq].mask_ack=dummy_mask_unmask_irq;
- irq_desc[irq].mask=dummy_mask_unmask_irq;
- irq_desc[irq].unmask=dummy_mask_unmask_irq;
- }
- CSR_WRITE(AIC_MDCR,0x7FFFE);/*disableallinterrupts*/
- CSR_WRITE(CAHCNF,0x0);/*CloseCache*/
- CSR_WRITE(CAHCON,0x87);/*FlushCache*/
- while(CSR_READ(CAHCON)!=0);
- CSR_WRITE(CAHCNF,0x7);/*OpenCache*/
- init_arch_irq();
- init_dma();
- }
一個(gè)irq_desc結構，組成了一個(gè)數組。NR_IRQS代表中斷數目，這里只是對中斷結構irq_desc進(jìn)行了初始
化。在默認的初始化完成后調用初始化函數init_arch_irq，先執行arch/armnommu/kernel/irq-
arch.c文件中的函數genarch_init_irq()，然后就執行 include/asm-armnommu/arch-xxxx/irq.h中
的inline函數irq_init_irq，在這里對irq_desc進(jìn)行了實(shí)質(zhì)的初始化。其中mask用阻塞中斷；unmask用
來(lái)取消阻塞；mask_ack的作用是阻塞中斷，同時(shí)還回應ack給硬件表示這個(gè)中斷已經(jīng)被處理了，否則硬件將再
次發(fā)生同一個(gè)中斷。這里，不是所有硬件需要這個(gè)ack回應，所以很多時(shí)候mask_ack與mask用的是同一個(gè)函
數。
接下來(lái)執行init_dma（）函數，如果不支持DMA，可以設置include/asm-armnommu/arch-xxxx/dma.h中
的 MAX_DMA_CHANNELS為0，這樣在arch/armnommu/kernel/dma.c文件中會(huì )根據這個(gè)定義使用不同的函
數。
1.6 sched_init()
初始化系統調度進(jìn)程，主要對定時(shí)器機制和時(shí)鐘中斷的Bottom Half的初始化函數進(jìn)行設置。與時(shí)間相關(guān)的初始化過(guò)程主要有兩步：（1）調用 init_timervecs()函數初始化內核定時(shí)器機制；（2）調用init_bh()函
數將BH向量TIMER_BH、TQUEUE_BH和 IMMEDIATE_BH所對應的BH函數分別設置成timer_bh()、
tqueue_bh()和immediate_bh()函數
1.7 softirq_init()
內核的軟中斷機制初始化函數。調用tasklet_init初始化tasklet_struct結構，軟中斷的個(gè)數為32個(gè)。用于bh的 tasklet_struct結構調用tasklet_init()以后，它們的函數指針func全都指向bh_action()。
bh_action就是tasklet實(shí)現bh機制的代碼，但此時(shí)具體的bh函數還沒(méi)有指定。
HI_SOFTIRQ用于實(shí)現bottom half，TASKLET_SOFTIRQ用于公共的tasklet。
open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action, NULL); /* 初始化公共的tasklet_struct要
用到的軟中斷 */
open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action, NULL); /* 初始化tasklet_struct實(shí)現的
bottom half調用 */
1.8 time_init()
這個(gè)函數用來(lái)做體系相關(guān)的timer的初始化，armnommu的在arch/armnommu/kernel/time.c。這里調用了在 include/asm-armnommu/arch-xxxx/time.h中的inline函數setup_timer，setup_timer（）函數
的設計與硬件設計緊密相關(guān)，主要是根據硬件設計情況設置時(shí)鐘中斷號和時(shí)鐘頻率等。
[cpp]view plaincopyprint?
- void__inline__setup_timer(void)
- {
- /*-----disabletimer-----*/
- CSR_WRITE(TCR0,xxx);
- CSR_WRITE(AIC_SCR7,xxx);/*settingpriorityleveltohigh*/
- /*timer0:100ticks/sec*/
- CSR_WRITE(TICR0,xxx);
- timer_irq.handler=xxxxxx_timer_interrupt;
- setup_arm_irq(IRQ_TIMER,&timer_irq);/*IRQ_TIMERistheinterruptnumber*/
- INT_ENABLE(IRQ_TIMER);
- /*Clearinterruptflag*/
- CSR_WRITE(TISR,xxx);
- /*enabletimer*/
- CSR_WRITE(TCR0,xxx);
- }
1.9 console_init()
控制臺初始化?？刂婆_也是一種驅動(dòng)程序，由于其特殊性，提前到該處完成初始化，主要是為了提前看到輸出信息，據此判斷內核運行情況。很多嵌入式Linux操作系統由于沒(méi)有在/dev目錄下正確配置console設備，造
成啟動(dòng)時(shí)發(fā)生諸如unable to open an initial console的錯誤。
/*******************************************************************************/
init_modules()函數到smp_init()函數之間的代碼一般不需要作修改，
如果平臺具有特殊性，也只需對相關(guān)函數進(jìn)行必要修改。
這里簡(jiǎn)單注明了一下各個(gè)函數的功能，以便了解。
/*******************************************************************************/
1.10 init_modules()
模塊初始化。如果編譯內核時(shí)使能該選項，則內核支持模塊化加載/卸載功能1.11 kmem_cache_init()
內核Cache初始化。1.12 sti()
使能中斷，這里開(kāi)始，中斷系統開(kāi)始正常工作。1.13 calibrate_delay()
近似計算BogoMIPS數字的內核函數。作為第一次估算，calibrate_delay計算出在每一秒內執行多少次__delay循環(huán)，也就是每個(gè)定時(shí)器滴答（timer tick）―百分之一秒內延時(shí)循環(huán)可以執行多少次。這種計算只
是一種估算，結果并不能精確到納秒，但這個(gè)數字供內核使用已經(jīng)足夠精確了。
BogoMIPS的數字由內核計算并在系統初始化的時(shí)候打印。它近似的給出了每秒鐘CPU可以執行一個(gè)短延遲循環(huán)
的次數。在內核中，這個(gè)結果主要用于需要等待非常短周期的設備驅動(dòng)程序――例如，等待幾微秒并查看設備的
某些信息是否已經(jīng)可用。
計算一個(gè)定時(shí)器滴答內可以執行多少次循環(huán)需要在滴答開(kāi)始時(shí)就開(kāi)始計數，或者應該盡可能與它接近。全局變
量jiffies中存儲了從內核開(kāi)始保持跟蹤時(shí)間開(kāi)始到現在已經(jīng)經(jīng)過(guò)的定時(shí)器滴答數， jiffies保持異步更
新，在一個(gè)中斷內——每秒一百次，內核暫時(shí)掛起正在處理的內容，更新變量，然后繼續剛才的工作。
1.14 mem_init()
內存初始化。本函數通過(guò)內存碎片的重組等方法標記當前剩余內存, 設置內存上下界和頁(yè)表項初始值。1.15 kmem_cache_sizes_init()
內核內存管理器的初始化，也就是初始化cache和SLAB分配機制。1.16 pgtable_cache_init()
頁(yè)表cache初始化。1.17 fork_init()
這里根據硬件的內存情況，如果計算出的max_threads數量太大，可以自行定義。1.18 proc_caches_init();
為proc文件系統創(chuàng )建高速緩沖1.19 vfs_caches_init(num_physpages);
為VFS創(chuàng )建SLAB高速緩沖1.20 buffer_init(num_physpages);
初始化buffer1.21 page_cache_init(num_physpages);
頁(yè)緩沖初始化1.22 signals_init();
創(chuàng )建信號隊列高速緩沖1.23 proc_root_init();
在內存中創(chuàng )建包括根結點(diǎn)在內的所有節點(diǎn)1.24 check_bugs();
檢查與處理器相關(guān)的bug1.25 smp_init();
1.26 rest_init(); 此函數調用kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGNAL)函數。
1.26.1 kernel_thread()函數分析
這里調用了arch/armnommu/kernel/process.c中的函數kernel_thread，kernel_thread函數中通過(guò)__syscall(clone) 創(chuàng )建新線(xiàn)程。__syscall(clone)函數參見(jiàn)armnommu/kernel目錄下的entry- common.S文件。
1.26.2 init()完成下列功能：
Init()函數通過(guò)kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGNAL)的回調函數執行，完成下列功能。
do_basic_setup()
在該函數里，sock_init()函數進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )相關(guān)的初始化，占用相當多的內存，如果所開(kāi)發(fā)系統不支持網(wǎng)絡(luò )功
能，可以把該函數的執行注釋掉。
do_initcalls()實(shí)現驅動(dòng)的初始化, 這里需要與vmlinux.lds聯(lián)系起來(lái)看才能明白其中奧妙。
[cpp]view plaincopyprint?
- staticvoid__initdo_initcalls(void)
- {
- initcall_t*call;
- call=&__initcall_start;
- do{
- (*call)();
- call++;
- }while(call<&__initcall_end);
- /*Makesurethereisnopendingstufffromtheinitcallsequence*/
- flush_scheduled_tasks();
- }
[cpp]view plaincopyprint?
- __initcall_start=.;
- .initcall.init:{*(.initcall.init)}
- __initcall_end=.;
do_initcalls所作的是系統中有關(guān)驅動(dòng)部分的初始化工作，那么這些函數指針數據是怎樣放到了.initcall.init節呢？在include/linux/init.h文件中有如下3個(gè)定義：
1. #define __init_call __attribute__ ((unused,__section__ (".initcall.init" ))
__attribute__的含義就是構建一個(gè)在.initcall.init節的指向初始函數的指針。
2. #define __initcall(fn) static initcall_t __initcall_##fn __init_call = fn
##意思就是在可變參數使用宏定義的時(shí)候構建一個(gè)變量名稱(chēng)為所指向的函數的名稱(chēng)，并且在前面加上__initcall_
3. #define module_init(x) __initcall(x);
很多驅動(dòng)中都有類(lèi)似module_init(usb_init)的代碼，通過(guò)該宏定義逐層解釋存放到.initcall.int節
中。
blkmem相關(guān)的修改(do_initcalls()初始化驅動(dòng)時(shí)執行此代碼)
在blkmem_init ()函數中，調用了blk_init_queue()函數，blk_init_queue()函數調用了blk_init_free_list()函數， blk_init_free_list()函數又調用了blk_grow_request_list()函
數，在這個(gè)函數中會(huì ) kmem_cache_alloc出nr_requests個(gè)request結構體。
這里如果nr_requests的值太大，則將占用過(guò)多的內存，將造成硬件內存不夠，因此可以根據實(shí)際情況將其替
換成了較小的值，比如32、16等。
free_initmem
這個(gè)函數在arch/armnommu/mm/init.c文件中，其作用就是對init節的釋放，也可以通過(guò)修改代碼指定為
不釋放。
1.26.3 init執行過(guò)程
在內核引導結束并啟動(dòng)init之后，系統就轉入用戶(hù)態(tài)的運行，在這之后創(chuàng )建的一切進(jìn)程，都是在用戶(hù)態(tài)進(jìn)行。這里先要清楚一個(gè)概念：就是init進(jìn)程雖然是從內核開(kāi)始的，即在前面所講的init/main.c中的init()函數
在啟動(dòng)后就已經(jīng)是一個(gè)核心線(xiàn)程，但在轉到執行init程序（如 /sbin/init）之后，內核中的init()就變成
了/sbin/init程序，狀態(tài)也轉變成了用戶(hù)態(tài)，也就是說(shuō)核心線(xiàn)程變成了一個(gè)普通的進(jìn)程。這樣一來(lái)，內核中
的init函數實(shí)際上只是用戶(hù)態(tài)init進(jìn)程的入口，它在執行execve("/sbin/init",argv_init,
envp_init)時(shí)改變成為一個(gè)普通的用戶(hù)進(jìn)程。這也就是exec函數的乾坤大挪移法，在exec函數調用其他程
序時(shí)，當前進(jìn)程被其他進(jìn)程“靈魂附體”。
除此之外，它們的代碼來(lái)源也有差別，內核中的init()函數的源代碼在/init/main.c中，是內核的一部
分。而/sbin/init程序的源代碼是應用程序。
init程序啟動(dòng)之后，要完成以下任務(wù)：檢查文件系統，啟動(dòng)各種后臺服務(wù)進(jìn)程，最后為每個(gè)終端和虛擬控制臺
啟動(dòng)一個(gè)getty進(jìn)程供用戶(hù)登錄。由于所有其它用戶(hù)進(jìn)程都是由init派生的，因此它又是其它一切用戶(hù)進(jìn)程的
父進(jìn)程。
init進(jìn)程啟動(dòng)后，按照/etc/inittab的內容進(jìn)程系統設置。很多嵌入式系統用的是BusyBox的init，
它與一般所使用的init不一樣，會(huì )先執行/etc/init.d/rcS而非/etc/rc.d/rc.sysinit。
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