linux内核启动过程学习总结 （转载）

转载自：http://blog.chinaunix.net/uid-27052262-id-3404074.html


下面是学习linux内核启动过程的记录
平台是：powerpc mpc8548 + linux2.6.23 内核





通用寄存器的作用
r0 ：在函数开始时使用
r1 ：存放堆栈指针，相当于ia32架构中的esp寄存器
r2 ：存放当前进程的描述符的地址
r3 ：存放第一个参数和返回地址
r4-r10 ：存放函数的参数
r11 ：用在指针的调用和当前一些语言的环境指针
r12 ：用于存放异常处理
r13 ：保留做为系统线程ID
r14-r31 ：作为本地变量，具有非易失性

Linux启动过程描述

第一步：使用Boot Loader（一般是U-boot）加载Linux内核映像到内存，并负责目标系统的基本初始化过程，并搜集这个系统的基本信息，比如内存大小、处理器主频、外设的使用情况等一系列信息。然后把这些信息传递给linux内核。然后Boot loader把linux内核复制到从0x0000 0000 开始的物理内存处（虚拟地址一般为0xc000 0000处）开始执行。

备注：这一部分内容，本文不做重点介绍。请参考《uboot启动过程学习总结.doc》



*



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记录2：linux kernel 链接文件、入口函数和相关宏定义等

Bootstraploader过程：从文件\arch\powerpc\boot\zImage.lds中可以看出，bootstraploader的入口为_zimage_start。在代码arch\powerpc\boot\crt0.S中

D:\virtual_machine\share_folder\linux-2.6.23\arch\powerpc\boot\zImage.lds中定义的入口地址为4MB，见下面

SECTIONS

{

  . = (4*1024*1024);

  _start = .;

  .text      :

进入linux内核：从vmlinux.lds看到，内核入口为_stext，通过段.text.head 将代码定位到0xc0000000处。

在代码arch/powerpc/kernel/head_32.S中_stext之后紧接着是_start，他们之间没有代码，他们表示相同的地址。

在vmlinux.lds中将.text.head规划为.text的第一个字段（保证了地址定位到0xc0000000）。

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第二步：Linux系统的初始化

1、  bootstraploader 过程

注意：需要知道从uboot跳到此处时，r3寄存器的内容，以及其他register的内容

如果运行地址和链接地址不同，则修正got表中各个函数的指针

清零BSS段

调用platform_init()，保存bd到__res，初始化ppc_md（ppc module）中的各个函数。

调用arch\powerpc\boot\main.c中的start()

在start()中：

1.1将命令行拷贝到cmdline中

1.2调用open函数打开串口

1.3解压缩kernel代码

1.4解压缩ramdisk image

1.5最终初始化设备树

1.6跳到内核代码中执行

有两个调用语句，应该是运行了语句：kentry(ft_addr, 0, NULL); need confirm

2、  进入linux内核

入口：arch/powerpc/kernel/head_32.S中的_start。

2.1 early_init() ，arch/powerpc/kernel/setup_32.c中

计算运行地址和链接地址的差值。根据cpu型号调用do_feature_fixups函数来对__ftr_fixup段进行修复处理。

例如若HIDO寄存器的HIGH_BAT_EN位置位，另外的4组寄存器 IBATs (4–7) 和 4组 DBATs (4-7) 将会被激活，__ftr_fixup段中对这8组寄存器进行初始化的代码就会生效；否则__ftr_fixup中的这段代码就会被nop指令所代替！

early_init()函数调用identify_cpu()函数通过cpu中的pvr寄存器存放的CPU核的版本号在全局数组cpu_specs中寻找到当前cpu的详细信息，identify_cpu()函数在找到之后，会调用setup_cpu_spec()函数把上述cpu的信息所在的链接地址赋值给cur_cpu_spec变量



2.2 mmu_off() 关闭mmu

2.3 flush_tlbs() 从TLB中移除页表

2.4 call_setup_cpu()：call_setup_cpu()位于misc_32.S文件中

2.5 relocate_kernel()：把内核代码拷贝到链接地址指向的位置

2.6 turn_on_mmu()：映射了256MB内存，就可以避免调用reloc_offset()函数来显式得把虚拟地址映射到物理地址!

2.7跳到start_here()函数中运行，可以认为是真正内核开始运行。。。

2.7.1加载0号线程上下文，全局变量init_task

注：0号线程优先级为120，从#define INIT_TASK(tsk)中可以看出。

init_task是进程0使用的进程描述符，也是Linux系统中第一个进程描述符，该进程的描述符在arch/powerpc/kernel/init_task.c中定义，代码片段如下：

struct  task_struct  init_task = INIT_TASK(init_task);

init_task描述符使用宏INIT_TASK对init_task的进程描述符进行初始化，宏INIT_TASK在include/linux/init_task.h文件中

init_task是Linux内核中的第一个线程，它贯穿于整个Linux系统的初始化过程中，该进程也是Linux系统中唯一一个没有用kernel_thread() 函数创建的进程！在init_task进程执行后期，它会调用kernel_thread()函数创建第一个核心进程kernel_init，同时init_task进程继续对Linux系统初始化。在完成初始化后，init_task会退化为cpu_idle进程，当Core 0的就绪队列中没有其它进程时，该进程将会获得CPU运行。新创建的1号进程kernel_init将会逐个启动次CPU,并最终创建用户进程！

备注：core0上的idle进程由init_task进程退化而来，而AP的idle进程则是BSP在后面调用fork()函数逐个创建的，我们会在后面详细讨论。

init_task进程使用init_thread_union数据结构描述的内存区域作为该进程的堆栈空间，并且和自身的thread_info参数公用这一内存空间空间，其数据结构的定义如下(linux- 2.6.38/include/linux/sched.h)

2.7.2 调用machine_init()分析OF树的结构，获得当前处理器的内存使用情况, 创建LMB结构，同时获得当前CPU在OF树中的硬件信息;保存命令行等，从cmd_line拷贝uboot引导kernel时使用的命令行参数到boot_command_line，并并使用parse_early_param()函数分析这些命令行参数。



2.7.3 调用MMU_init()，为LinuxPowerPC建立MMU地址映射，区分memory 的normal 区域和高端区域。（768M或896M为分界线）

注：会把也映射信息更新到init_mm. pgd，即swapper_pg_dir指向的页表中。最终应该会把init_mm填到init1 线程任务结构的mm_struct中。需要后续验证***********************

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2.7.4 调用load_up_mmu()重新装载MMU相关的寄存器，开启MMU并跳到start_kernel

再次让CPU进入是实地址模式，去运行load_up_mmu()函数。这样做的目的是让core 0在实模式下调用load_up_mmu()函数来重新装载MMU相关的寄存器，比如SDR1，BAT寄存器等。之所以要重新转载，是因为我们在<11>：bl initial_bats，创建的临时BAT块地址映射，只是启动的第一阶段用到的临时映射，现在这个临时地址映射需要舍弃了，我们需要重新初始化MMU，来建立正式的MMU地址映射。



注：从__start()到start_here()再到调用start_kernel()，主要的工作与当前目标板的硬件结构密切相关，包含对一些底层硬件进行最基本初始化操作等等，从start_kernel()开始的初始化操作与处理器的类型基本无关了。



3 start_kernel

本阶段也是有0号线程init_task中调用的，将完成Linux内核核心数据结构的初始化，最终创建1号线程kernel_init，最后由1号内核线程启动1号用户进程。需要后续确认***



3.1 关中断

3.2 调用tick_init()，初始化系统时钟滴答链

3.3 调用page_address_init()，将高端内存组织在一起。应该是为buddy初始化做准备，需要进一步确认

3.4 setup_arch()，setup_arch()函数是start_kernel()中非常重要函数，主要作用是对内存进行初始化后，调用ppc_md结构的setup_arch()函数对当前目标板系统进行基本的初始化。

3.4.1 unflatten_device_tree()，check_for_initrd();对OF Tree和initrd进行检查

3.4.2 find_legacy_serial_ports()，对串口进行检查和设置

3.4.3 register_early_udbg_console()对调试口进行检查和设置

3.4.4设置指令和数据cache的长度

3.4.5 Linux系统进入Panic后，180秒后重启系统

3.4.6设置0号进程mm_struct结构的代码段，数据段和堆栈段

3.4.7 irqstack_early_init();//初始化中断栈，需要进一步研究

3.4.8 do_init_bootmem();//初始化Boot Memory

3.4.9 ppc_md.setup_arch()对具体的处理器系统进行初始化，不同的处理器系统使用不同的ppc_md.setup_arch()函数，该函数在probe_machine()函数中设置

3.4.10 paging_init()，初始化ZONE_DMA，ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM区域的空闲页表相关，需要后续深入理解*************************************

3.5 setup_command_line(command_line)该函数对命令行参数进行处理

注：命令行参数保存到全局数组中，见定义：char cmd_buf[256];  char *cmd_line = cmd_buf;

3.6 setup_per_cpu_areas()该函数初始化每个CPU的专用数据区域



3.7 smp_prepare_boot_cpu()：它设置当前BSP有效，设置current_set数组中下标为boot_cpuid的指针指向0号进程init_task的thread_info描述符。

struct thread_info *current_set[NR_CPUS];







注：struct thread_info和struct task_struct间的关系，参见下面的数据结构

union thread_union {

       struct thread_info thread_info;

       unsigned long stack[THREAD_SIZE/sizeof(long)];

};

union thread_union init_thread_union;  即init_task->stack 就是init_thread_union的起始地址。

而thread_union中的前12个字是thread_info和stack共用的，其实是thread_info利用了stack（8192B）的低地址的一部分空间而已。Stack 会从高地址向低地址方向使用。

问题：只有init_task这样用？还是所有的线程都这样用法？？？need confirmation



3.8 build_all_zonelists()该函数调用__build_all_nozelists函数初始化每个CPU的存储节点，并根据Linux PowerPC提供的数据区域，如ZONE_DMA和ZONE_HIMEM来划分内存区间。这部分的初始化也被称之为存储节点的初始化。

3.9 page_alloc_init()该函数为系统设置一个page_alloc_cpu_notify回调函数，该函数用来实现CPU的关闭与使能。在一个MPP结构的处理器系统或者大型服务器中有大量的CPU，该函数可以临时打开或者关闭某些Core或者CPU，此时Linux系统会调用page_alloc_cpu_notify函数，但是在我们的针对MPC8641HPCN平台，linux-smp没有该功能，page_alloc_init()为空！

3.10 parse_early_param()和parse_args()：这两个函数解析UBoot传到给Linux内核的一些参数。



3.11 vfs_caches_init_early();初始化VFS系统使用的dentry和inode结构专用SLAB描述符，Linux使用dentry结构保存有关文件目录的信息，使用inode结构保存有关文件的信息。

3.12 sort_main_extable()该函数对异常调用表进行重新排序，Linux系统将异常调用表放在__ex_table调用表中。



3.13 mm_init():该函数是一个静态的函数,它调用mem_init()函数初始化所有的页表描述符，并初始化Buddy System；然后调用kmem_cache_init()函数初始化Linux系统的SLAB分配器。



3.14 sched_init():初始化主调度器的运行队列rq，在Linux SMP系统中每一个CPU都有自己的运行队列！

3.16 preempt_disable():正如代码注释所说的那样，现在是禁用进程抢占功能的，因为目前的调度器还比较脆弱，只有执行了cpu_idle()函数之后才能进行进程抢占功能！

3.17 idr_init_cache():该函数的初始化idr_layer_cache结构的SLAB分配器，idr ？？？？？

Linux基数树（radix tree），ID radix。IDR（ID Radix）机制是将对象的身份鉴别号整数值ID与对象指针建立关联表，完成从ID与指针之间的相互转换。IDR机制使用radix树状结构作为由id进行索引获取指针的稀疏数组，通过使用位图可以快速分配新的ID，IDR机制避免了使用固定尺寸的数组存放指针。

可以认为IDR机制是一种可伸展的数组的机制，并且带bitmask。



3.18 rcu_init():初始化Linux PowerPC的RCU部件，RCU是一种锁机制



3.19 radix_tree_init():使用idr_init_cache()分配的Slab cache初始化radix树。

3.20 init_IRQ ()，调用ppc_md.init_IRQ()初始化IRQ，需要跟进理解

3.21 init_timers():初始化linux系统使用的定时器

3.22 hrtimers_init():初始化高精度定时器，与Linux 系统提供的标准定时器相比，该定时器更为准确。

3.23 softirq_init():对Linux系统软件中断进行初始化

3.24 time_init(): 初始化Linux系统的定时器，Linux PowerPC可以使用外部RTC作为系统的定时器，也可以使用TB寄存器！

3.25 local_irq_enable():开中断

3.26 console_init():初始化控制器console，console是Linux系统用于输出一些监控信息的设备，Linux系统一般使用串口或者监视器作为console设备！

3.27 setup_per_cpu_pageset():初始化当前CPU(即BSP)每一个数据区，如ZONE_DMA,ZONE_HIMEM使用per_cpu_pageset缓冲

3.28 pidmap_init()：建立pid结构使用的专用Cache描述符表pid_cachep

3.29 fork_init(totalram_pages)：创建task_struct结构专用的Slab Cache描述符task_struct_cachep,并确定当前Linux系统所能容纳的最大进程数目max_threads

3.30 proc_caches_init():创建专用的Slab Cache描述符sighand_cachep、signal_cachep、files_cachep、fs_cachep、mm_cachep、vm_area_cachep。

3.31 buffer_init():创建buffer_head结构的专用Slab Cache描述符bh_cachep,linux的文件系统使用buffer_head结构保存来自外部设备的数据。

3.32 vfs_caches_init(totalram_pages)：创建专用的Slab cache描述符names_cachep和filp_cachep,然后调用   dcache_init()、inode_init()、files_init(mempages)、mnt_init()、bdev_cache_init()和chrdev_init()函数对Linux文件系统的各个子系统进行初始化。

3.33 signals_init()：创建信号专用的Slab cache描述符sigqueue_cachep，并初始化Linux系统的信号机制

3.34 page_writeback_init()：初始化文件系统的回调函数，Linux文件系统中会有很多“脏”页，这些页不会立即和存储系统中的数据进行同步，只有在需要进行同步时才调用这些回调函数进行同步。

3.35 proc_root_init()：创建根文件系统，其实是根据数据结构proc_fs_type，mount 文件系统，并创建相应的文件夹。没看到根文件系统相关，从注释到函数名都显示是proc文件系统。不知何故？？？？？

3.36 调用rest_init()函数。





4. rest_init()函数。





4.1 调用kernel_thread()创建1号内核线程。

4.2 调用kernel_thread()创建kthreadd内核线程。尚不明作用。

4.3 init_idle_bootup_task()：当前0号进程init_task最终会退化成idle进程，所以这里调用init_idle_bootup_task()函数，让init_task进程隶属到idle调度类中。即选择idle的调度相关函数。

4.4 调用schedule()函数切换当前进程，在调用该函数之前，Linux系统中只有两个进程，即0号进程init_task和1号进程kernel_init，其中kernel_init进程也是刚刚被创建的。调用该函数后，1号进程kernel_init将会运行！

4.5 调用cpu_idle()，0号线程进入idle函数的循环，在该循环中会周期性地检查。



5 kernel_init 1号线程初始化

主要包括三方面

第一：引导SMP系统中的其它CPU(即AP(Aplication Processor))

第二：调用do_basic_setup()函数，完成Linux系统其它模块的初始化；

第三：更换核心进程kernel_init为普通进程之后，完成对Linux系统的二次引导，即对Linux系统应用程序的引导！



5.1设置当前1号线程所允许的BSP(即core 0)在cpu_all_mask中的对应bit位

5.2 init_pid_ns.child_reaper = current; 设置1号线程回收orphan 线程。1号进程在Linux系统中相当于一个收容所，专门用于处理那些孤儿进程。

5.3 smp_prepare_cpus(setup_max_cpus)该函数的作用是首先探测我们的目标系统中有多少个CPU，该函数为每个CPU创建一个idle进程。

5.4 smp_init()是我们的linux-smp映像中启动另外一个核的最重要的代码，该函数主要是引导SMP系统中的AP，该函数会依次调用:smp_init()-> cpu_up()-> _cpu_up()-> __cpu_up()-> smp_ops-> kick_cpu(kick_cpu是一个函数指针，指向smp_86xx_kick_cpu，故会执行smp_86xx_kick_cpu()函数)smp_86xx_kick_cpu()->  smp_86xx_release_core()-> __secondary_start_mpc86xx()-> __secondary_start()来启动core 1，并调用set_cpu_online()函数将次CPU加入到cpu_online_map变量中,用以向主CPU通知该次CPU已经被激活。

5.5 sched_init_smp()该函数的作用，有待遇进一步的分析！

5.6 do_basic_setup()：到目前为止，内核已经初始化了，memory管理和process scheduler 已经开始运行。但尚未注册设备。在本函数中将初始化workqueue，初始化device drivers，初始化中断处理，最后调用do_initcalls()进行静态安装所有模块，其中包括驱动人员最关心的用device_initcall声明的设备模块的安装。



5.7 调用init_post()创建用户模式1号进程。



第三步：Linux的应用程序的初始化

1号kernel_init进程完成linux的各项配置(包括启动AP)后，就会在/sbin,/etc,/bin寻找init程序来运行。该init程序会替换kernel_init进程（注意：并不是创建一个新的进程来运行init程序，而是一次变身，使用sys_execve函数改变核心进程的正文段，将核心进程kernel_init转换成用户进程init），此时处于内核态的1号kernel_init进程将会转换为用户空间内的1号进程init。户进程init将根据/etc/inittab中提供的信息完成应用程序的初始化调用。然后init进程会执行/bin/sh产生shell界面提供给用户来与Linux系统进行交互。

调用init_post()创建用户模式1号进程。

在init_post()中最终调用下面的任何一个入口（按顺序，第一个执行成功后将不返回）

       if (execute_command) {

              run_init_process(execute_command);

              printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s.  Attempting "

                                   "defaults...\n", execute_command);

       }

       run_init_process("/sbin/init");

       run_init_process("/etc/init");

       run_init_process("/bin/init");

       run_init_process("/bin/sh");