Linux4.1.15核心啟動流程簡單分析

萬里羊發表於2020-10-06
Linux

       Linux核心是 Linux 作業系統（OS）的主要元件，也是計算機硬體與其程式之間的核心介面。它負責兩者之間的通訊，還要儘可能高效地管理資源。之所以稱為核心，是因為它在作業系統中就像果實硬殼中的種子一樣，並且控制著硬體（無論是電話、膝上型電腦、伺服器，還是任何其他型別的計算機）的所有主要功能。
       核心到底是什麼呢？其實核心就是系統上面的一個檔案而已，這個檔案包含了驅動主機各項硬體的檢測程式與驅動模組。這個核心檔案通常被放置在/boot/vmlinux-xxx，不過也不一定，因為一部主機上面可以擁有多個核心檔案，只是開機的時候僅僅能選擇一個來載入而已。而核心主要負責記憶體管理、程式管理、裝置驅動程式、系統呼叫和安全防護這四項工作。
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       連Linux的開機流程都不瞭解，怎麼好意思說自己是程式設計師？
在這裡插入圖片描述

文章目錄

       要分析Linux啟動流程，要先編譯一下Linux原始碼，因為很多檔案是需要編譯才會生成的。通過分析以下Linux核心的連線指令碼檔案arch/arm/kernel/vmlinux.lds，通過連線指令碼可以找到Linux核心的入口為stext，stext定義在arch/arm/kernel/head.S 中 ， 因 此 要 分 析 Linux 內 核 的 啟 動 流 程 ， 就 得 先 從 文 件
arch/arm/kernel/head.S 的 stext 處開始分析。

Linux核心入口stext

/*
* 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.
* /

根據程式碼的註釋，Linux核心啟動之前要求如下：

  • 關閉MMU（記憶體儲存單元）
  • 關閉D-cache
  • I-Cache無所謂
  • r0=0
  • r1=machine nr（也就是機器ID）
  • r2=atags或者裝置樹（dtb）首地址
ENTRY(stext)
 ARM_BE8(setend be )            @ ensure we are in BE8 mode

 THUMB( adr r9, BSYM(1f)    )   @ Kernel is always entered in ARM.
 THUMB( bx  r9      )   @ If this is a Thumb-2 kernel,
 THUMB( .thumb          )   @ switch to Thumb now.
 THUMB(1:           )   

#ifdef CONFIG_ARM_VIRT_EXT
    bl  __hyp_stub_install
#endif
    @ ensure svc mode and all interrupts masked
    safe_svcmode_maskall r9

    mrc p15, 0, r9, c0, c0      @ get processor id
    bl  __lookup_processor_type     @ r5=procinfo r9=cpuid
    movs    r10, r5             @ invalid processor (r5=0)?
 THUMB( it  eq )        @ force fixup-able long branch encoding
    beq __error_p           @ yes, error 'p'
#ifdef CONFIG_ARM_LPAE
    mrc p15, 0, r3, c0, c1, 4       @ read ID_MMFR0
    and r3, r3, #0xf            @ extract VMSA support
    cmp r3, #5              @ long-descriptor translation table format?
 THUMB( it  lo )                @ force fixup-able long branch encoding
    blo __error_lpae            @ only classic page table format
#endif

#ifndef CONFIG_XIP_KERNEL
    adr r3, 2f
    ldmia   r3, {r4, r8}
    sub r4, r3, r4          @ (PHYS_OFFSET - PAGE_OFFSET)
    add r8, r8, r4          @ PHYS_OFFSET
#else
    ldr r8, =PLAT_PHYS_OFFSET       @ always constant in this case
#endif

    /*
     * r1 = machine no, r2 = atags or dtb,
     * r8 = phys_offset, r9 = cpuid, r10 = procinfo
     */
    bl  __vet_atags
#ifdef CONFIG_SMP_ON_UP
    bl  __fixup_smp
#endif
#ifdef CONFIG_ARM_PATCH_PHYS_VIRT
    bl  __fixup_pv_table
#endif
    bl  __create_page_tables

    /*
     * The following calls CPU specific code in a position independent
     * manner.  See arch/arm/mm/proc-*.S for details.  r10 = base of
     * xxx_proc_info structure selected by __lookup_processor_type
     * above.  On return, the CPU will be ready for the MMU to be
     * turned on, and r0 will hold the CPU control register value.
     */
    ldr r13, =__mmap_switched       @ address to jump to after
                        @ mmu has been enabled
	adr lr, BSYM(1f)            @ return (PIC) address
    mov r8, r4              @ set TTBR1 to swapper_pg_dir
    ldr r12, [r10, #PROCINFO_INITFUNC]
    add r12, r12, r10
    ret r12
1:  b   __enable_mmu
ENDPROC(stext)

       通過分析上述程式碼，第12行，呼叫safe_svcmode_maskall 確保 CPU 處於 SVC 模式，並且關閉了所有的中斷。 關閉後讀取處理器的ID，ID值儲存在r9暫存器中。然後呼叫__lookup_processor_type 檢查當前系統是否支援此 CPU，如果支援的就獲 取 procinfo 信 息 。 procinfo 是 proc_info_list 類 型 的 結 構 體 ，proc_info_list 在 文 件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核心將每種處理器都抽象為一個proc_info_list的結構體，每種處理器對應一個procinfo。因此可以通過處理器ID來找到對應的procinfo結構， __lookup_processor_type 函式找到對應處理器的 procinfo 以後會將其儲存到 r5 暫存器中。
       第41行程式碼中，呼叫函式__vet_atags 驗證 atags 或裝置樹(dtb)的合法性。第48行，呼叫函式__create_page_tables 建立頁表。第57行，將函式__mmap_switched 的地址儲存到 r13 暫存器中。 __mmap_switched 定義在檔案 arch/arm/kernel/head-common.S， __mmap_switched 最終會呼叫 start_kernel 函式。第 64 行 ， 調 用 __enable_mmu 函 數 使 能 MMU ， __enable_mmu 定 義 在 文 件arch/arm/kernel/head.S 中。 __enable_mmu 最終會通過呼叫__turn_mmu_on 來開啟 MMU，__turn_mmu_on 最後會執行 r13 裡面儲存的__mmap_switched 函式。

__mmap_switched 函式

       __mmap_switched 函式定義在檔案 arch/arm/kernel/head-common.S 中，函式程式碼如下：

__mmap_switched:
	 adr r3, __mmap_switched_data
	
	 ldmia r3!, {r4, r5, r6, r7}
	 cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed
	 1: cmpne r5, r6
	 ldrne fp, [r4], #4
	 strne fp, [r5], #4
	 bne 1b
	
	 mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp)
	 1: cmp r6, r7
	 strcc fp, [r6],#4
	 bcc 1b
	
	 ARM( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, sp})
	 THUMB( ldmia r3, {r4, r5, r6, r7} )
	 THUMB( ldr sp, [r3, #16] )
	 str r9, [r4] @ Save processor ID
	 str r1, [r5] @ Save machine type
	 str r2, [r6] @ Save atags pointer
	 cmp r7, #0
	 strne r0, [r7] @ Save control register values
	 b start_kernel
	 ENDPROC(__mmap_switched)

       該函式最終通過呼叫start_kernel來啟動Linux核心

start_kernel 函式

       start_kernel通過呼叫眾多的子函式來完成Linux啟動之前的一些初始化工作，由於start_kernel函式裡面呼叫的函式太多，而且這些子函式又很複雜，我們只是簡單的瞭解一下Linux核心的啟動流程，只需要簡單瞭解一些比較重要的函式就可以啦！

asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
	char *command_line;
	char *after_dashes;
	lockdep_init(); /* lockdep 是死鎖檢測模組，此函式會初始化
					* 兩個 hash 表。此函式要求儘可能早的執行！
					*/
	set_task_stack_end_magic(&init_task);/* 設定任務棧結束魔術數，
										*用於棧溢位檢測
										*/
	smp_setup_processor_id(); /* 跟 SMP 有關(多核處理器)，設定處理器 ID。
								* 有很多資料說 ARM 架構下此函式為空函式，那是因
								* 為他們用的老版本 Linux，而那時候 ARM 還沒有多
								* 核處理器。
								*/
	debug_objects_early_init(); /* 做一些和 debug 有關的初始化 */
	boot_init_stack_canary(); /* 棧溢位檢測初始化 */
	cgroup_init_early(); /* cgroup 初始化， cgroup 用於控制 Linux 系統資源*/
	local_irq_disable(); /* 關閉當前 CPU 中斷 */
	early_boot_irqs_disabled = true;
	/*
	* 中斷關閉期間做一些重要的操作，然後開啟中斷
	*/
	boot_cpu_init(); /* 跟 CPU 有關的初始化 */
	page_address_init(); /* 頁地址相關的初始化 */
	pr_notice("%s", linux_banner);/* 列印 Linux 版本號、編譯時間等資訊 */
	setup_arch(&command_line); /* 架構相關的初始化，此函式會解析傳遞進來的
								* ATAGS 或者裝置樹(DTB)檔案。會根據裝置樹裡面
								* 的 model 和 compatible 這兩個屬性值來查詢
								* Linux 是否支援這個單板。此函式也會獲取裝置樹
								* 中 chosen 節點下的 bootargs 屬性值來得到命令
								* 行引數，也就是 uboot 中的 bootargs 環境變數的
								* 值，獲取到的命令列引數會儲存到
								*command_line 中。
								*/
	mm_init_cpumask(&init_mm); /* 看名字，應該是和記憶體有關的初始化 */
	setup_command_line(command_line); /* 好像是儲存命令列引數 */
	setup_nr_cpu_ids(); /* 如果只是 SMP(多核 CPU)的話，此函式用於獲取
							* CPU 核心數量， CPU 數量儲存在變數
							* nr_cpu_ids 中。
						*/
	setup_per_cpu_areas(); /* 在 SMP 系統中有用，設定每個 CPU 的 per-cpu 資料 */
	smp_prepare_boot_cpu();
	build_all_zonelists(NULL, NULL); /* 建立系統記憶體頁區(zone)連結串列 */
	page_alloc_init(); /* 處理用於熱插拔 CPU 的頁 */
	/* 列印命令列資訊 */
	pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line);
	parse_early_param(); /* 解析命令列中的 console 引數 */
	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); /* 設定 log 使用的緩衝區*/
	pidhash_init(); /* 構建 PID 雜湊表， Linux 中每個程式都有一個 ID,
					* 這個 ID 叫做 PID。通過構建雜湊表可以快速搜尋程式
					* 資訊結構體。
					*/
	vfs_caches_init_early(); /* 預先初始化 vfs(虛擬檔案系統)的目錄項和
							* 索引節點快取
							*/
	sort_main_extable(); /* 定義核心異常列表 */
	trap_init(); /* 完成對系統保留中斷向量的初始化 */
	mm_init(); /* 記憶體管理初始化 */
	sched_init(); /* 初始化排程器，主要是初始化一些結構體 */
	preempt_disable(); /* 關閉優先順序搶佔 */
	if (WARN(!irqs_disabled(), /* 檢查中斷是否關閉，如果沒有的話就關閉中斷 */
	"Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n"))
		local_irq_disable();
	idr_init_cache(); /* IDR 初始化， IDR 是 Linux 核心的整數管理機
						* 制，也就是將一個整數 ID 與一個指標關聯起來。
					 */
	rcu_init(); /* 初始化 RCU， RCU 全稱為 Read Copy Update(讀-拷貝修改) */
	trace_init(); /* 跟蹤除錯相關初始化 */
	context_tracking_init();
	radix_tree_init(); /* 基數樹相關資料結構初始化 */
	early_irq_init(); /* 初始中斷相關初始化,主要是註冊 irq_desc 結構體變
						* 量，因為 Linux 核心使用 irq_desc 來描述一箇中斷。
					*/
	init_IRQ(); /* 中斷初始化 */
	tick_init(); /* tick 初始化 */
	rcu_init_nohz();
	init_timers(); /* 初始化定時器 */
	hrtimers_init(); /* 初始化高精度定時器 */
	softirq_init(); /* 軟中斷初始化 */
	timekeeping_init();
	time_init(); /* 初始化系統時間 */
	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(); /* 使能中斷 */
	kmem_cache_init_late(); /* slab 初始化， slab 是 Linux 記憶體分配器 */
	console_init(); /* 初始化控制檯，之前 printk 列印的資訊都存放
					* 緩衝區中，並沒有列印出來。只有呼叫此函式
					* 初始化控制檯以後才能在控制檯上列印資訊。
					*/
	if (panic_later)
		panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,panic_param);
	lockdep_info();/* 如果定義了巨集 CONFIG_LOCKDEP，那麼此函式列印一些資訊。 */
	locking_selftest() /* 鎖自測 */
	......
	page_ext_init();
	debug_objects_mem_init();
	kmemleak_init(); /* kmemleak 初始化， kmemleak 用於檢查記憶體洩漏 */
	setup_per_cpu_pageset();
	numa_policy_init();
	if (late_time_init)
		late_time_init();
	sched_clock_init();
	calibrate_delay(); /* 測定 BogoMIPS 值，可以通過 BogoMIPS 來判斷 CPU 的效能
						* BogoMIPS 設定越大，說明 CPU 效能越好。
						*/
	pidmap_init(); /* PID 點陣圖初始化 */
	anon_vma_init(); /* 生成 anon_vma slab 快取 */
	acpi_early_init();
	......
	thread_info_cache_init();
	cred_init(); /* 為物件的每個用於賦予資格(憑證) */
	fork_init(); /* 初始化一些結構體以使用 fork 函式 */
	proc_caches_init(); /* 給各種資源管理結構分配快取 */
	buffer_init(); /* 初始化緩衝快取 */
	key_init(); /* 初始化金鑰 */
	security_init(); /* 安全相關初始化 */
	dbg_late_init();
	vfs_caches_init(totalram_pages); /* 為 VFS 建立快取 */
	signals_init(); /* 初始化訊號 */
	page_writeback_init(); /* 頁回寫初始化 */
	proc_root_init(); /* 註冊並掛載 proc 檔案系統 */
	nsfs_init();
	cpuset_init(); /* 初始化 cpuset， cpuset 是將 CPU 和記憶體資源以邏輯性
	* 和層次性整合的一種機制，是 cgroup 使用的子系統之一
	*/
	cgroup_init(); /* 初始化 cgroup */
	taskstats_init_early(); /* 程式狀態初始化 */
	delayacct_init();
	check_bugs(); /* 檢查寫緩衝一致性 */
	acpi_subsystem_init();
	sfi_init_late();
	if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) {
		efi_late_init();
		efi_free_boot_services();
	}
	ftrace_init();
	rest_init(); /* rest_init 函式 */
}

       start_kernel 裡面呼叫了大量的函式，每一個函式都是一個龐大的知識點，如果想要學習Linux 核心，那麼這些函式就需要去詳細的研究。本篇文章只是簡單介紹 Linux核心啟動流程，因此不會去講太多關於 Linux 核心的知識。 start_kernel 函式最後呼叫了 rest_init

rest_init 函式

       rest_init 函式定義在檔案 init/main.c 中，函式內容如下：

static noinline void __init_refok rest_init(void)
{
	 int pid;	
	 rcu_scheduler_starting();
	 smpboot_thread_init();
	 /*
	 * We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however
	 * the init task will end up wanting to create kthreads, which,
	 * if we schedule it before we create kthreadd, will OOPS.
	 */
	 kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
	 numa_default_policy();
	 pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
	 rcu_read_lock();
	 kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
	 rcu_read_unlock();
	 complete(&kthreadd_done);
	/*
	 * The boot idle thread must execute schedule()
	 * at least once to get things moving:
	 */
	 init_idle_bootup_task(current);
	 schedule_preempt_disabled();
	 /* Call into cpu_idle with preempt disabled */
	 cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
 }

       在第三行，通過呼叫函式rcu_scheduler_starting，來啟動 RCU 鎖排程器。

       第十行，呼叫函式 kernel_thread 建立 kernel_init 執行緒，也就是大名鼎鼎的 init 核心程式。init 程式的 PID 為 1。 init 程式一開始是核心程式(也就是執行在核心態)，後面 init 程式會在根檔案系統中查詢名為“init”這個程式，這個“init”程式處於使用者態，通過執行這個“init”程式， init 程式就會實現從核心態到使用者態的轉變。

       第十二行，呼叫函式 kernel_thread 建立 kthreadd 核心程式，此核心程式的 PID 為 2。kthreadd程式負責所有核心程式的排程和管理。

       第二十五行，呼叫函式cpu_startup_entry 來進入 idle 程式， cpu_startup_entry 會呼叫cpu_idle_loop， cpu_idle_loop 是個 while 迴圈，也就是 idle 程式程式碼。 idle 程式的 PID 為 0， idle程式叫做空閒程式，如果學過 FreeRTOS 或者 UCOS 的話應該聽說過空閒任務。 idle 空閒程式就和空閒任務一樣，當 CPU 沒有事情做的時候就在 idle 空閒程式裡面“瞎逛遊”，反正就是給CPU 找點事做。當其他程式要工作的時候就會搶佔 idle 程式，從而奪取 CPU 使用權。其實大家應該可以看到 idle 程式並沒有使用 kernel_thread 或者 fork 函式來建立，因為它是有主程式演變而來的。

       在 Linux 終端中輸入ps -A就可以列印出當前系統中的所有程式，其中就能看到 init 進
程和 kthreadd 程式：
在這裡插入圖片描述
       從圖中可以看出， init 程式的 PID 為 1， kthreadd 程式的 PID 為 2。之所以圖中沒有顯示 PID 為 0 的 idle 程式，那是因為 idle 程式是核心程式。

init 程式

       kernel_init 函式就是 init 程式具體做的工作，定義在檔案 init/main.c 中，函式內容如下：

static int __ref kernel_init(void *unused)
{
	int ret;
	
	 kernel_init_freeable(); /* init 程式的一些其他初始化工作 */
	 /* need to finish all async __init code before freeing the
	memory */
	 async_synchronize_full(); /* 等待所有的非同步呼叫執行完成 */
	 free_initmem(); /* 釋放 init 段記憶體 */
	 mark_rodata_ro();
	 system_state = SYSTEM_RUNNING; /* 標記系統正在執行 */
	 numa_default_policy();
	
	 flush_delayed_fput();
	
	 if (ramdisk_execute_command) {
		 ret = run_init_process(ramdisk_execute_command);
		 if (!ret)
		 return 0;
		 pr_err("Failed to execute %s (error %d)\n",
		 ramdisk_execute_command, ret);
	}

	 /*
	 * We try each of these until one succeeds.
	 *
	 * The Bourne shell can be used instead of init if we are
	 * trying to recover a really broken machine.
	 */
	 if (execute_command) {
		 ret = run_init_process(execute_command);
		 if (!ret)
		 	return 0;
		 panic("Requested init %s failed (error %d).",
		 execute_command, ret);
	 }
	 if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") ||
	 !try_to_run_init_process("/etc/init") ||
	 !try_to_run_init_process("/bin/init") ||
	 !try_to_run_init_process("/bin/sh"))
	 	return 0;
	
	 panic("No working init found. Try passing init= option to kernel. "
	 "See Linux Documentation/init.txt for guidance.");
 }

       第五行，kernel_init_freeable 函式用於完成 init 程式的一些其他初始化工作。

       第十三行，ramdisk_execute_command 是一個全域性的 char 指標變數，此變數值為“/init”，
也就是根目錄下的 init 程式。 ramdisk_execute_command 也可以通過 uboot 傳遞，在 bootargs 中使用“rdinit=xxx”即可， xxx 為具體的 init 程式名字。

       第十六行，如果存在“/init”程式的話就通過函式 run_init_process 來執行此程式。

       第三十九行，如果 ramdisk_execute_command 為空的話就看 execute_command 是否為空，反正不管如何一定要在根檔案系統中找到一個可執行的 init 程式。 execute_command 的值是通過uboot 傳遞，在 bootargs 中使用“init=xxxx”就可以了，比如“init=/linuxrc”表示根檔案系統中的 linuxrc 就是要執行的使用者空間 init 程式。

       第四十六~四十九行，如果 ramdisk_execute_command 和 execute_command 都為空，那麼就依次查詢“/sbin/init”、“/etc/init”、“/bin/init”和“/bin/sh”，這四個相當於備用 init 程式，如果這四個也不存在，那麼 Linux 啟動失敗！

       第五十二行，如果以上步驟都沒有找到使用者空間的 init 程式，那麼就提示錯誤發生！

       Linux 核心最終是需要和根檔案系統打交道的，需要掛載根檔案系統，並且執行根檔案系統中的 init 程式，以此來進去使用者態。這裡就正式引出了根檔案系統，根檔案系統也是我們系統移植的最後一片拼圖。 Linux 移植三巨頭： uboot、 Linux kernel、 rootfs(根檔案系統)。

注意:
       由於作者技術能力有限，文中大部分內容借鑑正點原子官方提供的 I.MX6ULL嵌入式Linux驅動開發指南，如果出現些許理解錯誤希望大家理解。 本文版權歸萬里羊所有，有需要轉載請宣告文章連結和出處。

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