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linux内核启动分析

2013年10月18日 ⁄ 综合 ⁄ 共 5425字 ⁄ 字号 评论关闭

本文着重分析 FS_S5PC100 平台 linux-2.6.35 内核启动的详细过程,主要包括: zImage 解压缩阶段、 vmlinux 启动汇编阶段、 startkernel 到创建第一个进程阶段三个部分,一般将其称为 linux 内核启动一、二、三阶段,本文也将采用这种表达方式。本文参考了许多技术大牛的博文,感谢他们的无私奉献。

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1 Linux内核启动第一阶段:内核解压缩和重定位

该阶段是从u-boot引导进入内核执行的第一阶段,我们知道u-boot引导内核启动的最后一步是:通过一个函数指针thekernel()带三个参数跳转到内核(zImage)入口点开始执行,此时,u-boot的任务已经完成,控制权完全交给内核(zImage)。

稍作解释,在u-boot的文件lib_arm/bootm.c(u-boot-2010.03)中定义了thekernel,并在do_bootm_linux的最后执行thekernel,如下:

void (*theKernel)(int zero, int arch, uint params);

theKernel = void (*)(int, int, uint))images->ep;

// images->ep指定的内核入口点,这里是0x20008000

theKernel (0, bd->bi_arch_number, bd->bi_boot_params);其中第二个参数为机器ID,第三参数为u-boot传递给内核参数存放在内存中的首地址,此处是0x20000100

由上述zImage的生成过程我们可以知道,第一阶段运行的内核映像实际就是arch/arm/boot/compressed/vmlinux,而这一阶段所涉及的文件也只有三个:  

arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds

arch/arm/boot/compressed/head.S
 arch/arm/boot/compressed/misc.c

 

 

我们的分析集中在 arch/arm/boot/compressed/head.S,适当参考
vmlinux.lds

arch/arm/boot/compressed/vmlinux的反汇编代码可一看出,内核执行的第一个代码段位
start,

*****start

vmlinux:    file format elf32-littlearm

Disassembly of section .text:

00000000 <start>:

      0: e1a00000      nop               
(mov r0,r0)

          .         .          ..

     1c: e1a00000      nop               (mov r0,r0)

       20: ea000002      b    30 <.text+0x30>

           .         .          ..

*****保存参数

     30: e1a07001     mov r7, r1

u-boot向内传递参数分析

//thekernel传递的三个参数分别保存在r0,r1,r2中。

//将机器ID保存在r7

     34: e3a08000      mov r8, #0     
; 0x0

//保存 r0,这里似乎没有太大的意义,

这里没有保存 r2,也就是
u-boot
传递给内核参数的首地址 0x20000100,看来
linux-2.6.35
启动时是不需要传递该参数的而是通过 struct machine_descarch/arm/include/asm/mach/arch.h)来确定,但是这个文件只是该结构的定义,真正的参数赋值在哪呢?实际上,这就是在内核移植是需要做的工作了,内核移植最主要的一个文件就是
arch/arm/mach-s5pc100/mach-smdkc100.c
,通过下面的宏来实现对 machine_desc结构体的赋值,并且在该文件中对所涉及到的函数进行了具体的代码实现,这是内核移植方面的内容,与我们的主题无关,这里不再多说。

 

下面是宏定义:

下面我们采用汇编代码来进行分析: arch/arm/boot/compressed/head.S

             .align

start:    //u-boot first jump to this execute

             .type      start,#function

             .rept 8

             mov r0, r0

             .endr

 

             b    1f

             .word     0x016f2818          
@ Magic numbers to help the loader

             .word     start              
@ absolute load/run zImage address

             .word     _edata                  
@ zImage end address

1:           mov r7, r1                   @ save architecture ID

             mov r8, #0                   @ save r0

*****判定是否是超级用户模式

             mrs r2, cpsr         
@ get current mode

             tst   r2, #3         
@ not user?  //
判断当前是否为普通用户模式

             bne not_angel   
//
如果不是普通用户模式, jump to not_angel

             mov r0, #0x17             @ angel_SWIreason_EnterSVC  如果是普通用户模式,则通过软中断进入超级用户权限模式

             swi 0x123456             
@ angel_SWI_ARM

*****关中断

not_angel:

             mrs r2, cpsr         
@ turn off interrupts to  //
关中断

             orr  r2, r2, #0xc0        
@ prevent angel from running

             msr cpsr_c, r2

*****将编译时指定的一些变量加载到相应的寄存器中

/* some architecture specific code can be inserted by the linker here, but it should preserve r7 and r8.   zImage的连接首地址为
0x0 zImage
的运行时首地址一般为 0x30008000,当然可以不同  */

.text

adr  r0, LC0 //
读取 LC0的当前运行时地址,应当为
zImage
的运行时起始地址 +(LC0
zImage
链接地址的首地址 (0x0)的偏移
)

ldmia r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp}//
LC0
中的变量值加载到 r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp

subs r0, r0, r1       @ calculate the delta offset //计算当前运行地址与链接地址的偏移

beq  not_relocated @ if delta is zero, we are running at the address we were linked at.

//如果运行地址等于链接地址,则跳过重定位部分代码,否则继续执行
relocate

 

/* We're running at a different address. We need to fix up various pointers:

     *  r5 - zImage base address

     *  r11 - GOT start

     *  ip - GOT end

这段代码的作用的是将LC0标号后面的地址,传到各个寄存器中,经过这段代码后,r1保存的是链接zImageLC0标号处的地址,r2中保存的是bss段的起始地址,r4中保存的是内核加载的物理地址,r5保存的是镜像的起始地址,r6保存的是解压内核镜像后的大小,

GOTglobal
offset table

GOT是一个数组,存在ELF
image
的数据段中,他们是一些指向objects 的指针(通常

是数据objects).动态连接器将重新修改那些编译时还没有确定下来地址的符号的

GOT入口。所以说GOTi386动态连接中扮演着重要的角色。*/

*****将上面的变量进行重定位,转换为当前的运行时地址

       add r5, r5, r0  
//zImage
的链接时首地址重定位为运行时的首地址

       add r11, r11, r0  
//GOT
的链接时首地址重定位为运行时的首地址

       add ip, ip, r0

#ifndef CONFIG_ZBOOT_ROM

       /* If we're running fully PIC === CONFIG_ZBOOT_ROM = n,

        * we need to fix up pointers into the BSS region.

        *  r2 - BSS start

        *  r3 - BSS end

        *  sp - stack pointer 
*/

       add r2, r2, r0  
//__bss_start
的链接时首地址重定位为运行时的首地址

       add r3, r3, r0  
//_end
的链接时地址重定位为运行时的地址

       add sp, sp, r0 //user_stack+4096
的链接时地址重定位为运行时的地址

       /* Relocate all entries in the GOT table.

         重定位
GOT
中的所有链接地址为当前运行时的地址 */

1:     ldr  r1, [r6, #0]      
     @ relocate entries in the GOT

       add r1, r1, r0       
@ table. This fixes up the

       str  r1, [r6], #4           
@ C references.

       cmp r6, ip

       blo  1b

#else

       /* Relocate entries in the GOT table. We only relocate

        * the entries that are outside the (relocated) BSS region.

         重定位
GOT
中的所有链接地址为当前运行时地址但是不重定位

        BSS_START
BSS_END
部分  */

1:     ldr  r1, [r6, #0]           
@ relocate entries in the GOT

       cmp r1, r2                   @ entry < bss_start ||

       cmphs    r3, r1                   
@ _end < entry

       addlo      r1, r1, r0       
@ table.  This fixes up the

       str  r1, [r6], #4           
@ C references.

       cmp r6, ip

       blo  1b

#endif

*****重定位已经完成,清零BSS

not_relocated: mov r0, #0

1:            str  r0, [r2], #4           
@ clear bss

       str  r0, [r2], #4

       str  r0, [r2], #4

       str  r0, [r2], #4

       cmp r2, r3

       blo  1b

*****准备进入C程序的相关设置,开启cache,设置一些指针

/* The C runtime environment should now be setup sufficiently. Turn the cache on, set up some pointers, and start decompressing. */

       cache on是一个相当复杂的过程,这里简单描述其流程,如有兴趣可参考
Arm linux
启动第一阶段 cache on分析

bl     cache_on -------
call_cache_fn---- ---

通过查表 proc_types调用
__armv4_cache_on

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