kernel之内核启动分析

Posted on 2017-09-15 Edited on 2023-08-04 In embedded linux

如题.

总览

本文使用 linux-2.6.22.6 内核, 使用jz2440开发板.

内核引导阶段 `head.S`

由 uboot之源码分析可知, uboot最后调用的函数是

theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params), 会把一些板级参数传递给linux内核使用.

由 kernel之Makefile分析可知, 两个重要的文件如下:

第1个文件: arch/arm/kernel/head.S
链接脚本: arch/arm/kernel/vmlinux.lds

head.S 主要完成了如下工作.

内核引导阶段

__lookup_machine_type 会将 theKernel 传入的单板类型与内核支持的单板类型逐一比较.
.arch.info.init 这一个段存放的就是内核支持的单板类型.
- 定义在 ./arch/arm/kernel/vmlinux.lds
- __lookup_machine_type 会对该段进行轮询
- 该段的数据结构为 machine_desc, 定义在 ./include/asm-arm/mach/arch.h
- arch.h 文件还宏定义了 MACHINE_START MACHINE_END,
  调用该宏定义, 就会将相关数据放在 .arch.info.init 段内
./arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c: 内调用了 MACHINE_START(S3C2440, "SMDK2440")
- kernel下 grep -nr MACH_TYPE_S3C2440 可知 MACH_TYPE_S3C2440 的值为 362
- uboot下 grep -nr bi_arch_number 可知其值为 MACH_TYPE_S3C2440, 即 362
- 这样, kernel就能确定是支持当前的开发板的. (当前的开发板信息由uboot提供给kernel)

内核启动第二阶段 `init/main.c`

head-common.S 调用 start_kernel 后, 代码会转到 init/main.c, 使用的是C语言.

内核启动第二阶段

从 start_kernel 开始, 函数的基本调用关系如下:

setup_arch(&command_line); 读取uboot传过来的TAG参数
- 位于 ./arch/arm/kernel/setup.c 770 行
- uboot 的 setup_memory_tags 存放内存大小
- uboot 的 setup_commandline_tag 告知linux挂载文件系统的命令行
- uboot 的 /board/100ask24x0/100ask24x0.c 中, gd->bd->bi_boot_params = 0x30000100
- 使用了 machine_desc 结构体, .boot_params = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100, 其值就是 0x30000100
- 至此, uboot存放在内存中的TAG参数, 就能被内核读取出来了.
- 此函数还会把挂载文件系统的命令赋值给 boot_command_line, 后续会去处理.
- parse_cmdline 会去处理放在 early_param.init 段的指令.
parse_early_param, 此函数会把 boot_command_line传递给do_early_param让其执行挂载文件系统的指令.
- do_early_param
  - 搜索 .init.setup 段, 调用有early标记的函数 (大多只是设置一下参数)
unknown_bootoption (使用 parse_args 先检查参数后再执行该函数)
- obsolete_checksetup
  - 搜索 .init.setup 段, 调用非early标记的函数 (大多只是设置一下参数)
rest_init, 去做剩余的初始化工作
- kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND); 首先就是创建一个线程来做初始化工作
  - kernel_init 会调用 prepare_namespace
    - 在 do_mounts.c 文件下 prepare_namespace 调用 mount_root
    - 目的就是挂载文件系统.
  - 挂载完文件系统后, 调用 init_post, 尝试执行第一个应用程序(下述应用程序不会再返回)
    - run_init_process(execute_command);
    - run_init_process("/sbin/init");
    - run_init_process("/etc/init");
    - run_init_process("/bin/init");
    - run_init_process("/bin/sh");

以默认的启动指令为例 "root=/dev/hda1 ro init=/bin/bash console=ttySAC0"

      - `__setup("root=", root_dev_setup);` 位于 `./init/do_mounts.c`
      - `__setup("init=", init_setup);` 位于 `./init/main.c`
      - `__setup("console=", console_setup);` 位于 `./kernel/printk.c`
      - 以上命令对应的函数都会由 `obsolete_checksetup` 函数来调用. 主要是设置好相关参数.

// ./init/main.c

497 asmlinkage void __init start_kernel(void) {
520     tick_init();
521     boot_cpu_init();
522     page_address_init();
524     printk(linux_banner);                           // 打印linux版本信息
525     setup_arch(&command_line);                      // 读取uboot传过来的TAG参数
                                                        // 搜索 "early_param.init" 段, 并调用相关函数
526     setup_command_line(command_line);               // 复制一下 command_line.

544     printk(KERN_NOTICE "Kernel command line: %s\n", boot_command_line); // 打印文件系统挂载命令
545     parse_early_param();                            // 最终会搜索 ".init.setup" 段, 调用有early标记的函数
546     parse_args("Booting kernel", static_command_line, __start___param,
547        __stop___param - __start___param,            // 搜索 "__param" 段
548        &unknown_bootoption);                        // 最终会搜索 ".init.setup" 段, 调用非early标记的函数

575     console_init();                                 // 控制终端初始化

636     rest_init();                                    // 剩余部分的初始化
637 }

466 void __init parse_early_param(void) {
475     strlcpy(tmp_cmdline, boot_command_line, COMMAND_LINE_SIZE);
        // parse_args 会先检查参数, 最后调用函数, 此处是do_early_param,
        // 参数为 boot_command_line 启动命令, 由uboot传递进来. 实际不会在此处执行.
476     parse_args("early options", tmp_cmdline, NULL, 0, do_early_param);
478 }

450 static int __init do_early_param(char *param, char *val) {
454     for (p = __setup_start; p < __setup_end; p++)   // 遍历 ".init.setup" 段
455         if (p->early && strcmp(param, p->str) == 0) // 在段内找了匹配boot_command_line的命令, 则执行
456             if (p->setup_func(val) != 0)
463 }

258 static int __init unknown_bootoption(char *param, char *val) {
274     if (obsolete_checksetup(param))                 // 调用 obsolete_checksetup
313 }

190 static int __init obsolete_checksetup(char *line) {
195     p = __setup_start;                              // 遍历 ".init.setup" 段
196     do {
199         if (p->early) {                             // 有early标记, 跳过.
210         } else if (p->setup_func(line + n))         // 执行指令对应的函数
214     } while (p < __setup_end);24
217 }

426 static void noinline __init_refok rest_init(void) {
        kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND); // 创建一个初始化用的线程
        schedule();                                     // 调度
447 }

787 static int __init kernel_init(void * unused) {
828         prepare_namespace();                        // 调用 mount_root, 加载文件系统
836     init_post();                                    // 执行应用程序
838 }

748 static int noinline init_post(void) {               // 执行应用程序
756     if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)
                                                        // 尝试打开终端设备, 文件0->printf
757         printk(KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console.\n");
759     (void) sys_dup(0);                              // 赋值文件0, 生成文件1->scanf
760     (void) sys_dup(0);                              // 赋值文件0, 生成文件2->err
        // 以上四句作用为设置标准输入输出流, (printf, scanf, err)

744     if (execute_command) {
745         run_init_process(execute_command);
746         printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s.  Attempting "
747                 "defaults...\n", execute_command);
748     }
        // 传入的启动参数内有 "init=" 启动程序, 则执行! 执行成功的话不会再返回这里!

779     run_init_process("/sbin/init");
780     run_init_process("/etc/init");
781     run_init_process("/bin/init");
782     run_init_process("/bin/sh");
        // 没有配置过启动指令, 依次尝试上述四个默认程序. 某一个执行成功后就不会再返回!

784     panic("No init found.  Try passing init= option to kernel.");
        // 执行首个应用程序失败, 打印内核错误信息!
785 }

# 我们擦除开发板文件系统后, 来看一下打印出来的启动信息

OpenJTAG> nand erase root           # uboot 下, 擦除root块
OpenJTAG> reset                     # uboot 下, 重启系统

Booting Linux ...
NAND read: device 0 offset 0x60000, size 0x200000
## Booting image at 30007fc0 ...
...
Starting kernel ...
...
Kernel command line: noinitrd root=/dev/mtdblock3 init=/linuxrc console=ttySAC0
loop: module loaded
...
Creating 4 MTD partitions on "NAND 256MiB 3,3V 8-bit":
0x00000000-0x00040000 : "bootloader"
0x00040000-0x00060000 : "params"
0x00060000-0x00260000 : "kernel"
0x00260000-0x10000000 : "root"
...
VFS: Mounted root (yaffs filesystem).
...
Kernel panic - not syncing: No init found.  Try passing init= option to kernel.
# 此句就是由./init/main.c文件784行打印出来的. 因为没有文件系统, 第一个应用程序执行失败!

如果正常启动, 会打印如下信息, 可知第一个应用程序名字是 BusyBox, 然后启动了 /bin/sh!!!
init started: BusyBox v1.7.0 (2008-01-22 10:04:09 EST)
starting pid 764, tty '': '/etc/init.d/rcS'
Please press Enter to activate this console.
starting pid 770, tty '/dev/s3c2410_serial0': '/bin/sh'

初始化中用到的段 `vmlinux.lds`

`.init.setup` 段分析

在 ./arch/arm/kernel/vmlinux.lds 中有这么一个段
*(.init.setup), 其头尾为 __setup_start __setup_end

这一个段存放着需要通过读取命令行来执行的初始化工作, 内核称之为 unknow_xxx
定义在此段的变量通过两个宏定义实现 __setup 以及 early_param
简单理解的话, early_param 是需要先执行的命令行, __setup 则稍后执行.

# ./include/linux/init.h

148 struct obs_kernel_param {
149     const char *str;
150     int (*setup_func)(char *);
151     int early;
152 };

160 #define __setup_param(str, unique_id, fn, early)            \
161     static char __setup_str_##unique_id[] __initdata = str; \
162     static struct obs_kernel_param __setup_##unique_id  \
163         __attribute_used__              \
164         __attribute__((__section__(".init.setup"))) \
165         __attribute__((aligned((sizeof(long)))))    \
166         = { __setup_str_##unique_id, fn, early }

171 #define __setup(str, fn)                    \
172     __setup_param(str, fn, fn, 0)

179 #define early_param(str, fn)                    \
180     __setup_param(str, fn, fn, 1)

先来分析 __setup(str, fn) 这么一个宏定义, 它设置的就是命令行队列, 将字符串关联到函数.

unique_id 就是fn的函数地址
存放在 .init.setup 段内.
与数据结构 obs_kernel_param 相关. 保存的就是 str, fn, 以及early三个变量.
通过这样一种结构, 可以很方便的使用字符串来调用指定的函数.
grep -nwr __setup ./arch/arm 可找到 __setup("tft=", qt2410_tft_setup);, 很明显就是用来初始化屏幕的.
在 ./init/do_mounts.c里, 还能找到 __setup("root=", root_dev_setup), 是用来挂载文件系统的.

然后看 early_param(str, fn) 宏定义.

__setup 是一样的.
只是将标记 early 赋值为1. 表示需要较早执行的初始化工作, 一般为更底层的驱动
arm 架构几乎没有用到 early_param 的地方, 搜索的话, 可以看到 pci 的初始化就用到了 early_param

`early_param.init` 段

和 .init.setup 段类似, 其定义在
./include/asm-arm/setup.h, 220行.
关联的宏定义为 __early_param, 初始化如 initrd= mem= 之类的命令
grep -nwr __early_param 进行查询, 结果不多的.
搜索 grep -nwr __early_begin, 可知, 其处理函数为 parse_cmdline

`__param` 段

该段主要用于给驱动模块的初始化. 设置参数使用.
定义在 ./include/linux/moduleparam.h, 72 行
其调用位于 ./init/main.c 的 parse_args (grep -nwr __start___param)
关联的宏定义为 module_param_call module_param_named module_param 以及 module_param_string
查阅后, 可以发现全部是和驱动模块有关的.

linux下的分区

jz2440的启动参数为 root= /dev/mtdblock3,
linux下没有分区表的概念, 这里分区是在内核源码里写死的.
可见 ./arch/arm/plat-s3c24xx/common-smdk.c 的118行, smdk_default_nand_part
它分配了4个的分区:

分区	对应mtdblock	size
`bootloader`	mtdblock0	0x00040000
`params`	mtdblock1	0x00020000
`kernel`	mtdblock2	0x00200000
`root`	mtdblock3	MTDPART_SIZ_FULL

DRA&PHO

kernel之内核启动分析

总览

内核引导阶段 `head.S`

内核启动第二阶段 `init/main.c`

初始化中用到的段 `vmlinux.lds`

`.init.setup` 段分析

`early_param.init` 段

`__param` 段

linux下的分区

更多参考

总览

内核引导阶段 head.S

内核启动第二阶段 init/main.c

初始化中用到的段 vmlinux.lds

.init.setup 段分析

early_param.init 段

__param 段

linux下的分区

更多参考

内核引导阶段 `head.S`

内核启动第二阶段 `init/main.c`

初始化中用到的段 `vmlinux.lds`

`.init.setup` 段分析

`early_param.init` 段

`__param` 段