Linux内核启动过程

---

本文主要是对《嵌入式Linux应用开发完全手册》中内容的整理和总结，在进行这一部分学习之前，有必要对Linux内核源码组织结构进行了解。

---

Linux内核在启动过程中执行了很多的函数，不可能像学习U-Boot时一样将所有相关的代码查看一遍，主要了解其总体的启动过程和其中的一些函数进行了解。 启动过程概述
启动过程分成两个部分，第一阶段用汇编代码编写，第二阶段是用C语言进行编写的。 第一阶段

• 检查内核是否支持CPU、开发板型号。
• 连接内核时使用的是虚拟地址，所以需要设置页表、使能MMU。
• 调用C函数start_kernel之前的常规工作，包括复制数据段、清除BBS段、调用start_kernel函数。

第二阶段 第二阶段使用C语言编写，它进行内核的初始化的全部工作，最后调用rest_init函数启动init过程，创建系统第一个进程:init进程。在第二阶段，仍有部分架构/开发板相关的代码，比如setup_arch函数用于进行架构/开发板相关的设置（比如重新设置页表、设置系统时钟、初始化串口等）。
图片摘自《嵌入式Linux应用开发完全手册》

---

第一阶段代码分析 SECTIONS { .text.head : { _stext = .; _sinittext = .; *(.text.head) } ... } 上述的代码摘自连接文件，可以看出段.text.head位于Linux内核镜像中的最前面的部分，也是最先执行的。 .section ".text.head", "ax" ENTRY(stext) setmode PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9 @ ensure svc mode @ and irqs disabled mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)? beq __error_p @ yes, error 'p' bl __lookup_machine_type @ r5=machinfo movs r8, r5 @ invalid machine (r5=0)? beq __error_a @ yes, error 'a' bl __vet_atags bl __create_page_tables 上述代码摘自head.S文件，这一部分是Linux内核镜像的入口点。 setmode PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9 首先将处理器设置为SVC模式，同时禁止FIR和IRQ。 mrc p15, 0, r9, c0, c0 bl __lookup_processor_type movs r10, r5 beq __error_p 从协处理寄存器中获得CPU的型号，然后与内核支持的CPU型号进行比较，如果没有相符合的就跳转到错误处理，错误处理会将CPU挂起来，这样只能重启CPU了。 CPU型号信息由结构体proc_info_list保存，该结构体的原型在/arch/arm/include/asm/procinfo.h中定义。 具体支持的型号在/arch/arm/mm/proc-arm920.S中 .section ".proc.info.init", #alloc, #execinstr .type __arm920_proc_info,#object __arm920_proc_info: .long 0x41009200 .long 0xff00fff0 ... 可见该结构体在连接时，将会出现在.proc.info.init段中，相应的在连接文件中有如下代码： __proc_info_begin = .; *(.proc.info.init) __proc_info_end = .; 所以在检测是否支持目标板的CPU类型时，只要将该段中的CPU逐一比较即可。 bl __lookup_machine_type movs r8, r5 beq __error_a 接下来是比较U-boot传递的开发板ID是否符合编译的内核Linux的开发板ID，如果不一致同样会进入错误代码处理，将CPU挂起，只能重启CPU。 U-boot是通过将机器ID保存在R1寄存器中进行传递的，Linux中的机器ID保存在一个machine_desc结构中，它定义了开发板相关的一些属性及函数，比如机器类型ID、起始I/O物理地址，Bootloader传入的参数的地址、中断初始化函数、I/O映射函数。该结构体和体系架构关系密切，所以定义在体系架构代码部分，比如对于SDMK2440开发板，在/arch/arm/mach-s3c2440/mach-smdk2440.c中定义，如下： MACHINE_START(S3C2440, "SMDK2440") /* Maintainer: Ben Dooks */ .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 它是以宏的形式表示的，宏的定义在arch/arm/include/asm/mach/arch.h中 #define MACHINE_START(_type,_name) static const struct machine_desc __mach_desc_##_type __used __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = { .nr = MACH_TYPE_##_type, .name = _name, #define MACHINE_END }; 展开后会有一个MACH_TYPE_S3C2440宏，该宏定义在arch/arm/tools/mach-types中定义，最后会被转换成一个头文件mach-types.h供其他文件包含。
该结构体将会被连接到一个单独的段.arch.info.init中，该段在连接文件中如下： __arch_info_begin = .; *(.arch.info.init) __arch_info_end = .; 第一阶段接下来的部分是用来创建一级页表，使能MMU的，具体的代码不分析，用到的时候再仔细研究。 第二阶段代码分析 在进入start_kernel函数之后，如果在串口上没有看到内核的启动信息，一般而言有两个原因：Bootloader传入的命令行参数不对，或者setup_arch函数针对开发板的设置不正确。 在调用setup_arch函数之前已经调用了printk(linux_banner),但是并不会立即在控制台中显示，而只是放在缓冲区中，当控制台初始化完毕之后才会显示该内容。 setup_arch函数分析 在第二阶段中，setup_arch函数是非常重要的一个函数，它完成和开发板有关的初始化。该函数在arch/arm/kernel/setup.c中定义。 上面的图片摘自《嵌入式Linux应用开发完全手册》 下面是函数setup_arch： void __init setup_arch(char **cmdline_p) { ... setup_processor(); mdesc = setup_machine(machine_arch_type); ... if (__atags_pointer) tags = phys_to_virt(__atags_pointer); else if (mdesc->boot_params) tags = phys_to_virt(mdesc->boot_params); ... if (tags->hdr.tag == ATAG_CORE) { if (meminfo.nr_banks != 0) squash_mem_tags(tags); save_atags(tags); parse_tags(tags); } ... memcpy(boot_command_line, from, COMMAND_LINE_SIZE); boot_command_line[COMMAND_LINE_SIZE-1] = '