Linux内核启动流程详解Linux内核启动流程详解
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：//arch/arm/kernel/head.S 代码段
/*
* 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.
.....
*/
根据⽰例代码 36.2.1.1 中的注释，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：
//arch/arm/kernel/head.S 代码段
80ENTRY(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)?
97THUMB( 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.
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
1441: b __enable_mmu
145ENDPROC(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中的定义如下：
//⽰例代码 proc_info_list 结构体
struct proc_info_list {
unsigned int cpu_val;
unsigned int cpu_mask;
unsigned long __cpu_mm_mmu_flags;/* used by head.S */
unsigned long __cpu_io_mmu_flags;/* used by head.S */
unsigned long __cpu_flush;/* used by head.S */
const char*arch_name;
const char*elf_name;
unsigned int elf_hwcap;
const char*cpu_name;
struct processor *proc;
struct cpu_tlb_fns *tlb;
struct cpu_user_fns *user;
struct cpu_cache_fns *cache;
};
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 来到对应的procinfo结构，__lookup_processor_type 函数到对应处理器的 procinfo 以后会将其保存到 r5 寄存器中。
继续回到⽰例代码 36.2.1.2 中，第 121 ⾏，调⽤函数__vet_atags 验证 atags 或设备树(dtb)的合法性。函数__vet_atags 定义在⽂件arch/arm/kernel/head-common.S 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。
__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：
//⽰例代码 __mmap_switched 函数
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
861: 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)
921: cmp r6, r7
93 strcc fp,[r6],#4
94 bcc 1b
95
96ARM( ldmia r3,{r4, r5, r6, r7, sp})
97THUMB( ldmia r3,{r4, r5, r6, r7})
98THUMB( 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
105ENDPROC(__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。
start_kernel 函数
start_kernel 通过调⽤众多的⼦函数来完成 Linux 启动之前的⼀些初始化⼯作，由于start_kernel 函数⾥⾯调⽤的⼦函数太多，⽽这些⼦函数⼜很复杂，因此我们简单的来看⼀下⼀些重要的⼦函数。精简并添加注释后的 start_kernel 函数内容如下：
//⽰例代码 start_kernel 函数
asmlinkage __visible void __init start_kernel(void){
char*command_line;
char*after_dashes;
lockdep_init();/* lockdep 是死锁检测模块，此函数会初始化
* 两个 hash 表。此函数要求尽可能早的执⾏！
*/
set_task_stack_end_magic(&init_task);/* 设置任务栈结束魔术数，
*⽤于栈溢出检测
*/
smp_setup_processor_id();/* 跟 SMP 有关(多核处理器)，设置处理器 ID。
* 有很多资料说 ARM 架构下此函数为空函数，那是因
* 为他们⽤的⽼版本 Linux，⽽那时候 ARM 还没有多
* 核处理器。
*/
debug_objects_early_init();/* 做⼀些和 debug 有关的初始化 */
boot_init_stack_canary();/* 栈溢出检测初始化 */
cgroup_init_early();/* cgroup 初始化，cgroup ⽤于控制 Linux 系统资源*/
local_irq_disable();/* 关闭当前 CPU 中断 */
early_boot_irqs_disabled = true;
/*
* 中断关闭期间做⼀些重要的操作，然后打开中断
*/
boot_cpu_init();/* 跟 CPU 有关的初始化 */
page_address_init();/* 页地址相关的初始化 */
pr_notice("%s", linux_banner);/* 打印 Linux 版本号、编译时间等信息 */
setup_arch(&command_line);/* 架构相关的初始化，此函数会解析传递进来的
* ATAGS 或者设备树(DTB)⽂件。会根据设备树⾥⾯
* 的 model 和 compatible 这两个属性值来查
* Linux 是否⽀持这个单板。此函数也会获取设备树
* 中 chosen 节点下的 bootargs 属性值来得到命令
* ⾏参数，也就是 uboot 中的 bootargs 环境变量的
* 值，获取到的命令⾏参数会保存到
*command_line 中。
*/
mm_init_cpumask(&init_mm);/* 看名字，应该是和内存有关的初始化 */
setup_command_line(command_line);/* 好像是存储命令⾏参数 */
setup_nr_cpu_ids();/* 如果只是 SMP(多核 CPU)的话，此函数⽤于获取
* CPU 核⼼数量，CPU 数量保存在变量
* nr_cpu_ids 中。
*/
setup_per_cpu_areas();/* 在 SMP 系统中有⽤，设置每个 CPU 的 per-cpu 数据 */
smp_prepare_boot_cpu();
build_all_zonelists(NULL,NULL);/* 建⽴系统内存页区(zone)链表 */
page_alloc_init();/* 处理⽤于热插拔 CPU 的页 */
/* 打印命令⾏信息 */
pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line);
parse_early_param();/* 解析命令⾏中的 console 参数 */
after_dashes =parse_args("Booting kernel",
static_command_line, __start___param,
__stop___param - __start___param,
-
1,-1,&unknown_bootoption);
if(!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))
parse_args("Setting init args", after_dashes,NULL,0,-1,-1,
set_init_arg);
jump_label_init();
setup_log_buf(0);/* 设置 log 使⽤的缓冲区*/
pidhash_init();/* 构建 PID 哈希表，Linux 中每个进程都有⼀个 ID,
* 这个 ID 叫做 PID。通过构建哈希表可以快速搜索进程
* 信息结构体。
*/
vfs_caches_init_early();/* 预先初始化 vfs(虚拟⽂件系统)的⽬录项和
* 索引节点缓存
*/
sort_main_extable();/* 定义内核异常列表 */
trap_init();/* 完成对系统保留中断向量的初始化 */
mm_init();/* 内存管理初始化 */
sched_init();/* 初始化调度器，主要是初始化⼀些结构体 */
preempt_disable();/* 关闭优先级抢占 */
if(WARN(!irqs_disabled(),/* 检查中断是否关闭，如果没有的话就关闭中断 */ "Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n"))
local_irq_disable();
idr_init_cache();/* IDR 初始化，IDR 是 Linux 内核的整数管理机
* 制，也就是将⼀个整数 ID 与⼀个指针关联起来。
*/
rcu_init();/* 初始化 RCU，RCU 全称为 Read Copy Update(读-拷贝修改) */
trace_init();/* 跟踪调试相关初始化 */
context_tracking_init();
radix_tree_init();/* 基数树相关数据结构初始化 */
early_irq_init();/* 初始中断相关初始化，主要是注册 irq_desc 结构体变
* 量，因为 Linux 内核使⽤ irq_desc 来描述⼀个中断。
*/
init_IRQ();/* 中断初始化 */
tick_init();/* tick 初始化 */
rcu_init_nohz();
init_timers();/* 初始化定时器 */
hrtimers_init();/* 初始化⾼精度定时器 */
softirq_init();/* 软中断初始化 */
timekeeping_init();
time_init();/* 初始化系统时间 */
sched_clock_postinit();
perf_event_init();
profile_init();
call_function_init();
WARN(!irqs_disabled(),"Interrupts were enabled early\n");
early_boot_irqs_disabled = false;
local_irq_enable();/* 使能中断 */
kmem_cache_init_late();/* slab 初始化，slab 是 Linux 内存分配器 */
console_init();/* 初始化控制台，之前 printk 打印的信息都存放
* 缓冲区中，并没有打印出来。只有调⽤此函数
* 初始化控制台以后才能在控制台上打印信息。
*/
if(panic_later)
panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,
panic_param);
lockdep_info();/* 如果定义了宏 CONFIG_LOCKDEP，那么此函数打印⼀些信息。*/ locking_selftest()/* 锁⾃测 */
......
page_ext_init();
debug_objects_mem_init();
kmemleak_init();/* kmemleak 初始化，kmemleak ⽤于检查内存泄漏 */
linux内核文件放在哪setup_per_cpu_pageset();
numa_policy_init();
if(late_time_init)
late_time_init();
sched_clock_init();
calibrate_delay();/* 测定 BogoMIPS 值，可以通过 BogoMIPS 来判断 CPU 的性能 * BogoMIPS 设置越⼤，说明 CPU 性能越好。
*/
pidmap_init();/* PID 位图初始化 */
anon_vma_init();/* ⽣成 anon_vma slab 缓存 */
acpi_early_init();
......
thread_info_cache_init();
cred_init();/* 为对象的每个⽤于赋予资格(凭证) */
fork_init();/* 初始化⼀些结构体以使⽤ fork 函数 */
proc_caches_init();/* 给各种资源管理结构分配缓存 */
buffer_init();/* 初始化缓冲缓存 */
key_init();/* 初始化密钥 */

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