一、鏈接腳本 vmlinux.lds

Linux 內(nèi)核的鏈接腳本文件 arch/arm/kernel/vmlinux.lds 中有如下代碼：

ENTRY 指明了了 Linux 內(nèi)核入口，入口為 stext，stext 定義在文件 arch/arm/kernel/head.S 中。

二、Linux 內(nèi)核啟動(dòng)流程分析

1、Linux 內(nèi)核入口 stext

stext 是 Linux 內(nèi)核的入口地址，在文件 arch/arm/kernel/head.S 中有如下所示提示內(nèi)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.

.....

Linux 內(nèi)核啟動(dòng)之前要求如下：

①、關(guān)閉 MMU。

②、關(guān)閉 D-cache。

③、I-Cache 無(wú)所謂。

④、r0=0。

⑤、r1=machine nr(也就是機(jī)器 ID)。

⑥、r2=atags 或者設(shè)備樹(shù)(dtb)首地址。

Linux 內(nèi)核的入口點(diǎn) stext 其實(shí)相當(dāng)于內(nèi)核的入口函數(shù)，stext 函數(shù)內(nèi)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.

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：調(diào)用函數(shù) safe_svcmode_maskall 確保 CPU 處于 SVC 模式，并關(guān)閉所有中斷，定義arch/arm/include/asm/assembler.h 中。

第 94 行：讀處理器 ID，ID 值保存在 r9 寄存器中。

第 95 行：調(diào)用函數(shù)__lookup_processor_type 檢查當(dāng)前系統(tǒng)是否支持此 CPU，如果支持就獲取 procinfo 信息。 procinfo 是 proc_info_list 類型的結(jié)構(gòu)體，在 arch/arm/include/asm/procinfo.h 中的定義如下：

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 內(nèi)核將每種處理器都抽象為一個(gè) proc_info_list 結(jié)構(gòu)體，每種處理器都對(duì)應(yīng)一個(gè)procinfo。因此可以通過(guò)處理器 ID 來(lái)找到對(duì)應(yīng)的 procinfo 結(jié)構(gòu)，__lookup_processor_type 函數(shù)找到對(duì)應(yīng)處理器的 procinfo 以后會(huì)將其保存到 r5 寄存器中。

第 121 行：調(diào)用函數(shù)__vet_atags 驗(yàn)證 atags 或設(shè)備樹(shù)(dtb)的合法性。函數(shù)__vet_atags 定義在文件 arch/arm/kernel/head-common.S 中。

第 128 行：調(diào)用函數(shù)__create_page_tables 創(chuàng)建頁(yè)表。

第 137 行：將函數(shù)__mmap_switched 的地址保存到 r13 寄存器中。定義在文件 arch/arm/kernel/head-common.S中，函數(shù)__mmap_switched 最終會(huì)調(diào)用 start_kernel 函數(shù)。

第 144 行：調(diào)用__enable_mmu函數(shù)使能 MMU ，__enable_mmu 定義在文件 arch/arm/kernel/head.S 中。__enable_mmu 會(huì)通過(guò)調(diào)用__turn_mmu_on來(lái)打開(kāi) MMU，__turn_mmu_on 最后會(huì)執(zhí)行 r13 里面保存的__mmap_switched 函數(shù)。

2、__mmap_switched 函數(shù)

__mmap_switched 函數(shù)定義在文件 arch/arm/kernel/head-common.S 中，最終調(diào)用 start_kernel 來(lái)啟動(dòng) Linux 內(nèi)核。

3、start_kernel 函數(shù)

start_kernel 函數(shù)定義在文件 init/main.c 中。start_kernel 里面調(diào)用了大量的函數(shù)來(lái)啟動(dòng) Linux 內(nèi)核，最后調(diào)用了 rest_init。

4、rest_init 函數(shù)

rest_init 函數(shù)定義在文件 init/main.c 中，函數(shù)內(nèi)容如下:

383 static noinline void __init_refok rest_init(void)

384 {

385     int pid;

386

387     rcu_scheduler_starting();

388     smpboot_thread_init();

389     /*

390     * We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however

391     * the init task will end up wanting to create kthreads, which,

392     * if we schedule it before we create kthreadd, will OOPS.

393     */

394     kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);

395     numa_default_policy();

396     pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);

397     rcu_read_lock();

398     kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);

399     rcu_read_unlock();

400     complete(&kthreadd_done);

401

402     /*

403     * The boot idle thread must execute schedule()

404     * at least once to get things moving:

405     */

406     init_idle_bootup_task(current);

407     schedule_preempt_disabled();

408     /* Call into cpu_idle with preempt disabled */

409     cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);

410 }

第 387 行：調(diào)用函數(shù) rcu_scheduler_starting，啟動(dòng) RCU 鎖調(diào)度器

第 394 行：調(diào)用函數(shù) kernel_thread 創(chuàng)建 kernel_init 進(jìn)程，也就是 init 內(nèi)核進(jìn)程。init 進(jìn)程的 PID 為 1。

第 396 行：調(diào)用函數(shù) kernel_thread 創(chuàng)建 kthreadd 內(nèi)核進(jìn)程，此內(nèi)核進(jìn)程的 PID 為 2。kthreadd 進(jìn)程負(fù)責(zé)所有內(nèi)核進(jìn)程的調(diào)度和管理。

第 409 行：最后調(diào)用函數(shù) cpu_startup_entry 來(lái)進(jìn)入 idle 進(jìn)程。

在 Linux 終端中輸入“ps -A”就可以打印出當(dāng)前系統(tǒng)中的所有進(jìn)程

5、init 進(jìn)程

kernel_init 函數(shù)就是 init 進(jìn)程具體做的工作，定義在文件 init/main.c 中，函數(shù)內(nèi)容如下：

928 static int __ref kernel_init(void *unused)

929 {

930   int ret;

931

932   kernel_init_freeable(); /* init 進(jìn)程的一些其他初始化工作 */

933   /* need to finish all async __init code before freeing the memory */

934   async_synchronize_full(); /* 等待所有的異步調(diào)用執(zhí)行完成 */

935   free_initmem(); /* 釋放 init 段內(nèi)存 */

936   mark_rodata_ro();

937   system_state = SYSTEM_RUNNING; /* 標(biāo)記系統(tǒng)正在運(yùn)行 */

938   numa_default_policy();

939

940   flush_delayed_fput();

941

942   if (ramdisk_execute_command) {

943     ret = run_init_process(ramdisk_execute_command);

944     if (!ret)

945       return 0;

946     pr_err('Failed to execute %s (error %d)n',

947     ramdisk_execute_command, ret);

948   }

949

950   /*

951   * We try each of these until one succeeds.

952   *

953   * The Bourne shell can be used instead of init if we are

954   * trying to recover a really broken machine.

955   */

956   if (execute_command) {

957     ret = run_init_process(execute_command);

958     if (!ret)

959     return 0;

960     panic('Requested init %s failed (error %d).',

961     execute_command, ret);

962   }

963   if (!try_to_run_init_process('/sbin/init') ||

964       !try_to_run_init_process('/etc/init') ||

965       !try_to_run_init_process('/bin/init') ||

966       !try_to_run_init_process('/bin/sh'))

967     return 0;

968

969   panic('No working init found. Try passing init= option to kernel. '

970         'See Linux Documentation/init.txt for guidance.');

971 }

第 932 行：kernel_init_freeable 用于完成 init 進(jìn)程的一些初始化工作。

第 940 行：ramdisk_execute_command 是一個(gè)全局的 char 指針變量，此變量值為“/init”，也就是根目錄下的 init 程序。ramdisk_execute_command 也可以通過(guò) uboot 傳遞，在 bootargs 中使用“rdinit=xxx”即可，xxx 為具體的 init 程序名字。

第 943 行：如果存在“/init”程序就通過(guò)函數(shù) run_init_process 運(yùn)行此程序。

第 956 行：如果 ramdisk_execute_command 為空就看 execute_command 是否為空，不管如何一定要在根文件系統(tǒng)中找到一個(gè) init 程序。execute_command 的值是通過(guò) uboot 傳遞，在 bootargs 中用“init=xxxx”就可以了，比如 “init=/linuxrc” 表示根文件系統(tǒng)中的 linuxrc 為要執(zhí)行的用戶空間init程序。

第 963~966 行：如果 ramdisk_execute_command 和 execute_command 都為空，那么就依次查找“/sbin/init”、“/etc/init”、“/bin/init”和“/bin/sh”，這四個(gè)相當(dāng)于備用 init 程序，如果這四個(gè)也不存在，那么 Linux 啟動(dòng)失??！

第 969 行：如果以上步驟都沒(méi)有找到用戶空間的 init 程序，那么就提示錯(cuò)誤發(fā)生！

kernel_init_freeable 定義在文件 init/main.c 中，縮減后內(nèi)容如下：

973 static noinline void __init kernel_init_freeable(void)

974 {

975     /*

976     * Wait until kthreadd is all set-up.

977     */

978     wait_for_completion(&kthreadd_done);/* 等待 kthreadd 進(jìn)程準(zhǔn)備就緒 */

......

998

999     smp_init(); /* SMP 初始化 */

1000     sched_init_smp(); /* 多核(SMP)調(diào)度初始化 */

1001

1002     do_basic_setup(); /* 設(shè)備初始化都在此函數(shù)中完成 */

1003

1004     /* Open the /dev/console on the rootfs, this should never fail */

1005     if (sys_open((const char __user *) '/dev/console', O_RDWR, 0) < 0)

1006         pr_err('Warning: unable to open an initial console.n');

1007

1008     (void) sys_dup(0);

1009     (void) sys_dup(0);

1010     /*

1011     * check if there is an early userspace init. If yes, let it do

1012     * all the work

1013     */

1014

1015     if (!ramdisk_execute_command)

1016         ramdisk_execute_command = '/init';

1017

1018     if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {

1019         ramdisk_execute_command = NULL;

1020         prepare_namespace();

1021     }

1022

1023     /*

1024     * Ok, we have completed the initial bootup, and

1025     * we're essentially up and running. Get rid of the