跳轉(zhuǎn)內(nèi)核前基本準備

參考./Documentation/arm64/booting.txt

Bootloader至少完成以下基本的初始化準備：

• 設(shè)置并初始化RAM（必須），引導加載程序應(yīng)找到并初始化內(nèi)核將用于系統(tǒng)中易失性數(shù)據(jù)存儲的所有RAM。它以機器相關(guān)的方式執(zhí)行此操作。（它可以使用內(nèi)部算法來自動定位和調(diào)整所有RAM的大小，或者可以使用機器中RAM的知識或引導加載程序設(shè)計者認為合適的任何其他方法。）

• 設(shè)置設(shè)備樹dtb（必須） , 設(shè)備樹blob（dtb）必須8字節(jié)對齊，并且大小不能超過2兆字節(jié)。由于dtb將使用最大2 MB的塊進行映射以可緩存，因此它不能放置在必須使用任何特定屬性進行映射的任何2M區(qū)域內(nèi)。注意：v4.2之前的版本還要求將DTB放置在512 MB區(qū)域內(nèi)，從內(nèi)核映像下方的text_offset字節(jié)開始計算。

• 解壓縮內(nèi)核映像(可選)，AArch64內(nèi)核當前不提供解壓縮器，因此如果使用壓縮的Image目標（例如Image.gz），則需要由引導加載程序執(zhí)行解壓縮（gzip等）。對于未實現(xiàn)此要求的引導加載程序，可以使用未經(jīng)壓縮內(nèi)核編譯。

• 調(diào)用內(nèi)核映像（必須）。壓縮內(nèi)核頭部如下：

  u32 code0;              /* 可執(zhí)行code   */
  u32 code1;              /* 可執(zhí)行code   */
  u64 text_offset;        /* 加載偏移，小端 */
  u64 image_size;         /* 有效映象尺寸，小端 */
  u64 flags;              /* 內(nèi)核標志, 小端    */
  u64 res2  = 0;          /* 保留 */
  u64 res3  = 0;          /* 保留 */
  u64 res4  = 0;          /* 保留 */
  u32 magic = 0x644d5241; /* 幻數(shù)，小端, "ARM\x64"  */
  u32 res5;               /* 保留（用于PE COFF偏移量） */
  

進入內(nèi)核之前，必須滿足以下條件：

• 禁止所有具有DMA功能的設(shè)備，以免內(nèi)存被虛假錯誤的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包或磁盤數(shù)據(jù)損壞。

• 主CPU通用寄存器設(shè)置：

• x0 =系統(tǒng)RAM中設(shè)備樹Blob（dtb）的物理地址。

• x1/x2/x3 = 0（保留供將來使用）

• CPU模式

• 所有形式的中斷都必須在PSTATE.DAIF中屏蔽（調(diào)試，SError，IRQ和FIQ）。

• CPU必須位于EL2（推薦使用，以便可以訪問虛擬化擴展）或非安全EL1中。

• Caches, MMUs

• MMU必須關(guān)閉。

• 指令緩存可以打開或關(guān)閉。

• 與加載的內(nèi)核映像相對應(yīng)的地址范圍必須清除到PoC。如果存在系統(tǒng)緩存或啟用了緩存的其他相關(guān)主服務(wù)器，則通常需要通過VA而不是通過設(shè)置/方式操作來維護緩存。

• 遵循VA對架構(gòu)化緩存維護的系統(tǒng)緩存。必須配置并啟用操作。

• 不遵循VA對架構(gòu)化混存維護的系統(tǒng)緩存，必須配置和禁用操作（不推薦）。

• 架構(gòu)定時器

• 必須在所有CPU上以定時器頻率設(shè)置CNTFRQ，并且必須以一致的值設(shè)置CNTVOFF。如果在EL1處進入內(nèi)核，則CNTHCTL_EL2必須在可用時設(shè)置EL1PCTEN（位0）。

• 連貫性

• 內(nèi)核啟動時，所有要由內(nèi)核引導的CPU都必須屬于同一一致性域。需要初始化定義的實現(xiàn)，才能在每個CPU上接收維護操作。

• 系統(tǒng)寄存器

• 所有將在其中輸入內(nèi)核映像的異常級別的可寫體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)寄存器都必須由更高級別的異常級別的軟件初始化，以防止在UNKNOWN狀態(tài)下執(zhí)行。

• 對CPU模式，高速緩存，MMU，架構(gòu)計時器，一致性和系統(tǒng)寄存器的要求適用于所有CPU。所有CPU必須以相同的異常級別進入內(nèi)核。

• 主CPU必須直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核映像的第一條指令。此CPU傳遞的設(shè)備樹Blob必須為每個cpu節(jié)點包含一個“啟用方法”屬性。支持的啟用方法如下所述。引導加載程序?qū)⑸蛇@些設(shè)備樹屬性，并將其插入內(nèi)核入口之前的blob中。

• 具有“旋轉(zhuǎn)表”啟用方法的CPU在其cpu節(jié)點中必須具有“ cpu-release-addr”屬性。此屬性標識自然對齊的64位零初始化內(nèi)存位置。

• 具有“ psci”啟用方法的CPU應(yīng)該保留在內(nèi)核之外（即，在內(nèi)存節(jié)點中描述給內(nèi)核的內(nèi)存區(qū)域之外，或者在內(nèi)核中通過/ memreserve /描述給內(nèi)核描述的內(nèi)存保留區(qū)域之外）。設(shè)備樹）。內(nèi)核將按照ARM文檔編號ARM DEN 0022A（“ ARM處理器上的電源狀態(tài)協(xié)調(diào)接口系統(tǒng)軟件”）中的說明發(fā)出CPU_ON調(diào)用，以將CPU帶入內(nèi)核。設(shè)備樹應(yīng)包含一個“ psci”節(jié)點，參考/bindings/arm/psci.txt.

• 第二CPU通用寄存器設(shè)置的x0/x1/x2/x3都為0，保留。

內(nèi)核啟動init總過程

內(nèi)核啟動有兩種方式，壓縮格式或不壓縮格式，壓縮模式所不同的就是其入口位于arch/ /boot/compressed/head.S,為與該路徑下的代碼主要負責執(zhí)行執(zhí)行前期的初始化為解壓內(nèi)核做準備。當完成解壓內(nèi)核后，就跳轉(zhuǎn)到./arm/kernel/head.S開始啟動內(nèi)核。

本文僅分析不壓縮方式啟動內(nèi)核，通過分析內(nèi)核代碼，整理出內(nèi)核啟動過程的部分順序如下：

內(nèi)核的啟動與U-Boot一樣，前面一段是匯編代碼，然后跳轉(zhuǎn)到C代碼。匯編的入口在

./arm/kernel/head.S中，符號名為__HEAD，該文件包含了head-common.S。

所以從啟動用戶首進程init而言，我將其分成大致分為四大步：

• head.S ,初始化通用部分環(huán)境，與芯片無關(guān)

• start_kernel, head.S完成后，調(diào)準到start_kernel，進入C函數(shù)執(zhí)行，該函數(shù)為于./init/main.c中

• rest_init,創(chuàng)建init進程，以及kthredd進程，其中Init進程號為1，kthredd為內(nèi)核進程。

• 啟動調(diào)度器，執(zhí)行kernel_init，該函數(shù)將調(diào)用根文件系統(tǒng)中的init執(zhí)行文件，至此用戶空間的init進程就啟動起來了。

head.S/head-common.S作用

剖析匯編代碼比較枯燥，這里就不進行描述了。僅就其作用進行總結(jié)：

• 檢查架構(gòu)，處理器和機器類型。

• 配置MMU，創(chuàng)建頁表條目并啟用虛擬內(nèi)存。

• 在init / main.c中調(diào)用start_kernel函數(shù)。

• 所有架構(gòu)的代碼相同。這也是為什么采用匯編代碼的原因，規(guī)避針對不同芯片管理大量重復代碼。

start_kernel階段

該函數(shù)主要完成以下以下工作：

• lockdep 死鎖檢測模塊初始化，

• RCU機制初始化：RCU(Read-Copy Update)，顧名思義就是讀-拷貝修改，它是基于其原理命名的。對于被RCU保護的共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，讀者不需要獲得任何鎖就可以訪問它，但寫者在訪問它時首先拷貝一個副本，然后對副本進行修改，最后使用一個回調(diào)（callback）機制在適當?shù)臅r機把指向原來數(shù)據(jù)的指針重新指向新的被修改的數(shù)據(jù)。這個時機就是所有引用該數(shù)據(jù)的CPU都退出對共享數(shù)據(jù)的操作。

• SMP初始化，對稱多處理"（Symmetrical Multi-Processing）簡稱SMP，完成CPU ID的創(chuàng)建。

• debug_objects_early_init，負責調(diào)試對象初始化，以便于內(nèi)核調(diào)試

• lockdep死鎖檢測模塊初始化，lockdep的工作方式是在內(nèi)核中的鎖定調(diào)用包起來。每次采用或釋放特定類型的鎖時，都會記錄該事實以及輔助詳細信息，例如處理器當時是否正在處理中斷。Lockdep還記錄了使用新鎖時還持有哪些其他鎖；這是lockdep能夠執(zhí)行的許多檢查的關(guān)鍵。

• 調(diào)用setup_arch(&command_line)，該函數(shù)位于arch/

  /kernel/setup.c，用于解析從bootloader傳入的引導命令行。

• 初始化控制臺，以打印啟動日志。

• 初始化其他各子系統(tǒng)，如VFS,trace,內(nèi)存管理子系統(tǒng)，F(xiàn)ORK子系統(tǒng)，cgroup,acpi，proc文件系統(tǒng)，內(nèi)核服務(wù)，緩存等等。

• ……

• 調(diào)用rest_init，以創(chuàng)建init進程以及內(nèi)核進程，并啟動內(nèi)核調(diào)度器。

rest_init階段

代碼如下，其注釋如下，主要作用就是先創(chuàng)建init進程使其進程號為1，這是第一個用戶空間進程，該進程執(zhí)行后在衍生出一系列的應(yīng)用進程。具體取決于啟動腳本或者Init的具體實現(xiàn)。然后創(chuàng)建內(nèi)核進程kthreadd，該進程用于管理內(nèi)核進程。該進程進程號為2。所有內(nèi)核進程都是kthreadd的后代， kthreadd枚舉其他內(nèi)核線程；它提供了接口例程，內(nèi)核服務(wù)可以在運行時動態(tài)生成其他內(nèi)核進程。通過kthread_create_list維護其他內(nèi)核進程?？梢允褂胮s -ef命令從命令行查看內(nèi)核線程-它們顯示在[方括號]中：

static noinline void __init_refok rest_init(void)
{
    int pid;

    rcu_scheduler_starting();
    smpboot_thread_init();

    /*創(chuàng)建init進程，第一個用戶空間進程我們
    *需要首先生成init，以便它獲得pid 1，但是
    *init任務(wù)最終將要創(chuàng)建kthread，如果在創(chuàng)建
    *kthreadd之前對其進行調(diào)度，則OOPS。*/
    kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
    numa_default_policy();

    /*創(chuàng)建kthreadd用于管理內(nèi)核線程*/
    pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);

    /*RCU 鎖*/
    rcu_read_lock();
    kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
    rcu_read_unlock();
    /*讓內(nèi)核進程kthreadd處于就緒態(tài)TASK_NORMAL*/
    complete(&kthreadd_done);

    /* 啟動調(diào)度器      */
    init_idle_bootup_task(current);
    schedule_preempt_disabled();
    /* 禁用搶占的情況下調(diào)用cpu_idle */
    cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
}

kernel_init階段

當內(nèi)核調(diào)度器運行后，就會執(zhí)行kernel_init函數(shù)：

static int __ref kernel_init(void *unused)
{
    int ret;

    kernel_init_freeable();
    /* 同步完成所有初始化操作 */
    async_synchronize_full();
#ifndef CONFIG_INITCALLS_THREAD
    free_initmem();
#endif
    mark_readonly();
    system_state = SYSTEM_RUNNING;
    numa_default_policy();

    flush_delayed_fput();

    /*如果使能了ramdisk執(zhí)行命令啟動init*/
    if (ramdisk_execute_command) {
        ret = run_init_process(ramdisk_execute_command);
        if (!ret)
            return 0;
        pr_err("Failed to execute %s (error %d)\n",
               ramdisk_execute_command, ret);
    }

    /* 如果execute_command使能，則按命令啟動init*/
    if (execute_command) {
        ret = run_init_process(execute_command);
        if (!ret)
            return 0;
        panic("Requested init %s failed (error %d).",
              execute_command, ret);
    }

    /*如果前面兩項都沒有使能，則依次在根文件系統(tǒng)下尋找并啟動Init*/
    if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") ||
        !try_to_run_init_process("/etc/init") ||
        !try_to_run_init_process("/bin/init") ||
        !try_to_run_init_process("/bin/sh"))
        return 0;

    panic("No working init found.  Try passing init= option to kernel. "
          "See Linux Documentation/init.txt for guidance.");
}

從而init用戶進程就啟動起來了，至于最終執(zhí)行的是哪一個Init可執(zhí)行文件，取決于系統(tǒng)移植的配置，如前文描述，常見的有busybox init，systemV init，systemD init等等。

—END—