ARM-Linux移植之（一）——核心啟動流程分析

ARM-Linux核心移植之（一）——核心啟動流程分析

K-Style

 

轉載請註明來自于衡陽師範學院08電2  K-Style  http://blog.csdn.net/ayangke,QQ:843308498 郵箱：yangkeemail@qq.com

 

       核心版本：2.6.22  為什麼要採用這樣一個較低的版本進行移植了，因為韋東山大牛說了，低版本的才能學到東西，越是高版本需要移植時做的工作量越少，學的東西越少。

       核心啟動分為三個階段，第一是運行head.S檔案和head-common.S，第三個階段是允許第二是運行main.c檔案

       對於ARM的處理器，核心第一個啟動的檔案是arc/arm/kernel下面的head.S檔案。當然arc/arm/boot/compress下面也有這個檔案，這個檔案和上面的檔案略有不同，當要產生壓縮的核心時zImage時，啟動的是後者，後者與前者不同的時，它前面的代碼是做自解壓的，後面的代碼都相同。我們這裡這分析arc/arm/kernel下面的head.S檔案。當head.S所作的工作完成後它會跳到init/目錄下跌的main.c的start_kernel函數開始執行。

 

第一階段：

 

首先截取部分head.S檔案

ENTRY(stext)

       msr  cpsr_c,#PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode

                                          @ andirqs disabled

       mrc  p15,0, r9, c0, c0           @ get processor id

       bl    __lookup_processor_type             @ r5=procinfo r9=cpuid

       movs       r10,r5                         @ invalidprocessor (r5=0)?

       beq  __error_p                     @ yes, error 'p'

       bl    __lookup_machine_type        @ r5=machinfo

       movs       r8,r5                           @ invalidmachine (r5=0)?

       beq  __error_a                     @ yes, error 'a'

       bl    __create_page_tables

 

       /*

        *The following calls CPU specific code in a position independent

        *manner.  See arch/arm/mm/proc-*.S fordetails.  r10 = base of

        *xxx_proc_info structure selected by __lookup_machine_type

        *above.  On return, the CPU will be readyfor the MMU to be

        *turned on, and r0 will hold the CPU control register value.

        */

       ldr   r13,__switch_data        @ address to jump toafter

                                          @ mmuhas been enabled

       adr   lr,__enable_mmu          @ return (PIC)address

 

第一步,執行的是__lookup_processor_type，這個函數是檢查處理器型號，它讀取你的電路板的CPU型號與核心支援的處理器進行比較看是否能夠處理。這個我們不關心它的具體實現過程，因為現在主流處理器核心都提供了支援。

       第二步，執行的是__lookup_machine_type，這個函數是來檢查機器型號的，它會讀取你bootloader傳進來的機器ID和他能夠處理的機器ID進行比較看是否能夠處理。核心的ID號定義在arc/arm/tool/mach_types檔案中MACH_TYPE_xxxx宏定義。核心究竟就如何檢查是否是它支援的機器的呢？實際上每個機器都會在/arc/arm/mach-xxxx/smdk-xxxx.c檔案中有個描述特定機器的資料結構，如下

 

MACHINE_START(S3C2440,"SMDK2440")       /* Maintainer: Ben Dooks<ben@fluff.org> */       .phys_io  =S3C2410_PA_UART,       .io_pg_offst    = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,       .boot_params  = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,        .init_irq   =s3c24xx_init_irq,       .map_io          =smdk2440_map_io,       .init_machine  = smdk2440_machine_init,       .timer             =&s3c24xx_timer,MACHINE_END 

MACHINE_START和 MACHINE_END實際上被展開成一個結構體

#defineMACHINE_START(_type,_name)                 \staticconst struct machine_desc __mach_desc_##_type       \ __used                                             \ __attribute__((__section__(".arch.info.init")))= {    \       .nr          =MACH_TYPE_##_type,           \       .name             =_name,      #defineMACHINE_END                          \};

 

於是上面的資料結構就被展開為

staticconst struct machine_desc __mach_desc_S3C2440     \ __used                                             \ __attribute__((__section__(".arch.info.init")))= {    \       .nr          =MACH_TYPE_S3C2440,          \       .name             =”SMDK2440”,};.phys_io  = S3C2410_PA_UART,       .io_pg_offst    = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,       .boot_params  = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,        .init_irq   =s3c24xx_init_irq,       .map_io          =smdk2440_map_io,       .init_machine  = smdk2440_machine_init,       .timer             =&s3c24xx_timer, }

每個機器都會有一個machine_desc__mach_desc結構，核心通過檢查每個machine_desc__mach_desc的nr號和bootloader傳上來的ID進行比較，如果相同，核心就認為支援該機器，而且核心在後面的工作中會調用該機器的machine_desc__mach_desc_結構中的方法進行一些初始化工作。

       第三步，建立一級頁表。

       第四步，在R13中儲存__switch_data 這個函數的地址，在第四步使能mmu完成後會跳到該函數執行。

第五步，執行的是__enable_mmu，它是使能MMU，這個函數調用了__turn_mmu_on函數，讓後在_turn_mmu_on在最後將第三步賦給R13的值傳給了PC指標 （mov    pc, r13），於是核心開始跳到__switch_data這個函數開始執行。

 

我們再來看arch/arm/kenel/head-common.S這個檔案中的__switch_data函數

 

__switch_data:       .long       __mmap_switched       .long       __data_loc                    @ r4       .long       __data_start                  @ r5       .long       __bss_start                    @ r6       .long       _end                            @ r7       .long       processor_id                 @ r4       .long       __machine_arch_type           @ r5       .long       cr_alignment                 @ r6       .long       init_thread_union+ THREAD_START_SP @ sp /* * The following fragment of code is executedwith the MMU on in MMU mode, * and uses absolute addresses; this is notposition independent. * *  r0  =cp#15 control register * r1  = machine ID * r9  = processor ID */       .type       __mmap_switched,%function__mmap_switched:       adr   r3,__switch_data + 4        ldmia      r3!,{r4, r5, r6, r7}       cmp r4,r5                           @ Copy datasegment if needed1:    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        ldmia      r3,{r4, r5, r6, sp}       str    r9, [r4]                  @ Save processor ID       str    r1, [r5]                  @ Save machine type       bic   r4,r0, #CR_A               @ Clear 'A' bit       stmia       r6,{r0, r4}                   @ Save controlregister values       b     start_kernel

 

這個函數做的工作是，複製資料區段清楚BBS段，設定堆在指標，然後儲存處理器核心和機器核心等工作，最後跳到start_kernel函數。於是核心開始執行第二階段。

 

第二階段：

 

       我們再來看init/目錄下的main.c的start_kernel函數，這裡我只了部分。

asmlinkage void __init start_kernel(void){       …………………….       ……………………..       printk(KERN_NOTICE);       printk(linux_banner);       setup_arch(&command_line);       setup_command_line(command_line);                   parse_early_param();       parse_args("Booting kernel",static_command_line, __start___param,                __stop___param - __start___param,                &unknown_bootoption);………………………………………………             init_IRQ();       pidhash_init();       init_timers();       hrtimers_init();       softirq_init();       timekeeping_init();       time_init();       profile_init();………………………………………………………       console_init();………………………………………………………………       rest_init();}

從上面可以看出start_kernel首先是列印核心資訊，然後對bootloader傳進來的一些參數進行處理，再接著執行各種各樣的初始化，在這其中會初始化控制台。最後會調用rest_init();

我們再來看rest_init()函數

static void noinline __init_refok rest_init(void)__releases(kernel_lock){int pid;kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);............} 

 他啟動了kernel_init這個函數，再來看kerne_init函數

static int __init kernel_init(void * unused){..............................if (!ramdisk_execute_command)ramdisk_execute_command = "/init";if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {ramdisk_execute_command = NULL;prepare_namespace();}/* * Ok, we have completed the initial bootup, and * we're essentially up and running. Get rid of the * initmem segments and start the user-mode stuff.. */init_post();return 0;}

kernel_init先調用了prepare_namespace();然後調用了init_post函數

void __init prepare_namespace(void){..........................mount_root();.....................}

可以看出prepare_namespace調用了mount_root掛接根檔案系統。接著kernel_init再執行init_post

static int noinline init_post(void){......................................./*開啟dev/console控制台，並設定為標準輸入、輸出*/if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)printk(KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console.\n");(void) sys_dup(0);(void) sys_dup(0);if (ramdisk_execute_command) {run_init_process(ramdisk_execute_command);printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s\n",ramdisk_execute_command);}/* * 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. *///如果bootloader指定了init參數，則啟動init參數指定的進程if (execute_command) {run_init_process(execute_command);printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s.  Attempting ""defaults...\n", execute_command);}//如果沒有指定init參數，則分別帶sbin、etc、bin目錄下啟動init進程run_init_process("/sbin/init");run_init_process("/etc/init");run_init_process("/bin/init");run_init_process("/bin/sh");panic("No init found.  Try passing init= option to kernel.");}

注意上面的run_init_process的會等待init進程返回才往後面執行，所有它一旦找到一個init可執行檔檔案它將一去不複返。

綜上，核心啟動的過程大致為以下幾步：

1.檢查CPU和機器類型

2.進行堆棧、MMU等其他程式運行關鍵的東西進行初始化

3.列印核心資訊

4.執行各種模組的初始化

5.掛接根檔案系統

6.啟動第一個init進程