Linux启动（4）

Linux2.6启动4--start_kernel篇

 

当内核与体系架构相关的汇编代码执行完毕，即跳入start_kernel。这个函数在kernel/init/main.c中。由于这部分涉及linux众多数据结构的初始化，包括内核命令行解析，内存缓冲区建立初始化，页面分配和初始化，虚拟文件系统建立，根文件系统挂载，驱动文件挂载，二进制程序文件的执行等，限于篇幅和理解水平，只能流程上的大致梳理，以上提及方面后期再做详细分析。为保证准确性，参考了一部分书籍和网上技术文档，如有疑问请及时提出，共同学习探讨。

 

asmlinkage void __init start_kernel(void)

{

       char * command_line;

       extern struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];

//这里引用两个符号，是内核编译脚本定位的内核参数起始地址

       smp_setup_processor_id();//多CPU架构的初始化，目前我们的高通linux侧是单核的，此多核不做分析

       unwind_init();//本架构中没有用

       lockdep_init();//本架构为空

       debug_objects_early_init();

       cgroup_init_early();

 

       local_irq_disable();

       early_boot_irqs_off();

       early_init_irq_lock_class();

 

       lock_kernel();//本架构为空函数

       tick_init();

//时钟中断初始化函数，调用 clockevents_register_notifier 函数向 clockevents_chain 时钟事件链注册时钟控制函数 tick_notifier。这是个回调函数，指明了当时钟事件发生变化时应该执行的哪些操作，比如时钟的挂起操作等

       boot_cpu_init();//用于多核CPU的初始化

       page_address_init();//用于高地址内存，我们都用32位CPU，此函数为空

       printk(KERN_NOTICE);

       printk(linux_banner);

       setup_arch(&command_line);

//具体看一下这个架构初始化函数完成哪些功能

void __init setup_arch(char **cmdline_p)

{

       struct tag *tags = (struct tag *)&init_tags;//定义了一个默认的内核参数列表

       struct machine_desc *mdesc;

       char *from = default_command_line;

 

       setup_processor();//汇编的CPU初始化部分已讲过，不再讨论

       mdesc = setup_machine(machine_arch_type);

       machine_name = mdesc->name;

 

       if (mdesc->soft_reboot)

              reboot_setup("s");

 

       if (__atags_pointer)

              tags = phys_to_virt(__atags_pointer);

       else if (mdesc->boot_params)

              tags = phys_to_virt(mdesc->boot_params);

//由于MMU单元已打开，此处需要而boot_params是物理地址，需要转换成虚拟地址才能访问，因为此时CPU访问的都是虚拟地址

       /*

        * If we have the old style parameters, convert them to

        * a tag list.

        */

//内核参数列表第一项必须是ATAG_CORE类型

       if (tags->hdr.tag != ATAG_CORE)//如果不是，则需要转换成新的内核参数类型，新的内核参数类型用下面struct tag结构表示

              convert_to_tag_list(tags);//此函数完成新旧参数结构转换

struct tag {

       struct tag_header hdr;

       union {

              struct tag_core             core;

              struct tag_mem32 mem;

              struct tag_videotext      videotext;

              struct tag_ramdisk       ramdisk;

              struct tag_initrd     initrd;

              struct tag_serialnr  serialnr;

              struct tag_revision revision;

              struct tag_videolfb       videolfb;

              struct tag_cmdline cmdline;

       } u;

};

//旧的内核参数列表用下面结构表示

struct param_struct {

    union {

       struct {

           unsigned long page_size;           /*  0 */

           unsigned long nr_pages;            /*  4 */

           unsigned long ramdisk_size;             /*  8 */

           unsigned long flags;            /* 12 */

。。。。。。。。。。。。//较长，省略

}

 

       if (tags->hdr.tag != ATAG_CORE)//如果没有内核参数

              tags = (struct tag *)&init_tags;//则选用默认的内核参数

 

       if (mdesc->fixup)

              mdesc->fixup(mdesc, tags, &from, &meminfo);//用内核参数列表填充meminfo

 

       if (tags->hdr.tag == ATAG_CORE) {

              if (meminfo.nr_banks != 0)

                     squash_mem_tags(tags);

              save_atags(tags);

              parse_tags(tags);//解析内核参数列表，然后调用内核参数列表的处理函数对这些参数进行处理。比如，如果列表为命令行，则最终会用parse_tag_cmdlin函数进行解析，这个函数用_tagtable编译连接到了内核里

__tagtable(ATAG_CMDLINE, parse_tag_cmdline);

       }

//下面是记录内核代码的起始，结束虚拟地址

       init_mm.start_code = (unsigned long) &_text;

       init_mm.end_code   = (unsigned long) &_etext;

       init_mm.end_data   = (unsigned long) &_edata;

       init_mm.brk      = (unsigned long) &_end;

//下面是对命令行的处理，刚才在参数列表处理parse_tag_cmdline函数已把命令行拷贝到了from空间

       memcpy(boot_command_line, from, COMMAND_LINE_SIZE);

       boot_command_line[COMMAND_LINE_SIZE-1] = '\0';

       parse_cmdline(cmdline_p, from);//解析出命令行，命令行解析出以后，同样会调用相关处理函数进行处理。系统用__early_param宏在编译阶段把处理函数编译进内核。

 

       paging_init(&meminfo, mdesc);

//这个函数完成页表初始化，具体的方法为建立线性地址划分后每个地址空间的标志；清除在boot阶段建立的内核映射空间，也即把页表项全部清零；调用bootmem_init，禁止无效的内存节点，由于我们的物理内存都是连续的空间，因此，内存节点为1个。接下来判断INITRD映像是否存在，若存在则检查其所在的地址是否在一个有效的地址内，然后返回此内存节点号。

先看两个数据结构。

struct meminfo表示内存的划分情况。Linux的内存划分为bank。每个bank用

struct membank表示，start表示起始地址，这里是物理地址，size表示大小，node表示此bank所在的节点号，对于只有一个节点的内存，所有bank节点都相等

struct membank {

       unsigned long start;

       unsigned long size;

       int           node;

};

 

struct meminfo {

       int nr_banks;

       struct membank bank[NR_BANKS];

};

 

//在page_init函数中比较重要的是bootmem_init函数，此函数在完成原来映射页表的清除后，最终调用bootmem_init_node如下：

bootmem_init_node(int node, int initrd_node, struct meminfo *mi)

{

       unsigned long zone_size[MAX_NR_ZONES], zhole_size[MAX_NR_ZONES];

       unsigned long start_pfn, end_pfn, boot_pfn;

       unsigned int boot_pages;

       pg_data_t *pgdat;// 每个节点用pg_data_t描述，这个结构用在非一致性内存中，我们的内存只有一个，地址是连续的

       int i;

 

       start_pfn = -1UL;

       end_pfn = 0;

       for_each_nodebank(i, mi, node) {

              struct membank *bank = &mi->bank[i];

              unsigned long start, end;

 

              start = bank->start >> PAGE_SHIFT;//计算出页表号，实际也表示第几个物理页号

              end = (bank->start + bank->size) >> PAGE_SHIFT;

 

              if (start_pfn > start)

                     start_pfn = start;

              if (end_pfn < end)

                     end_pfn = end;

 

              map_memory_bank(bank);//将每个节点的每个bank重新映射，比如重新映射内核空间

       }

       if (end_pfn == 0)

              return end_pfn;

        //一个字节代表8个页，因此找到一个

        //可放置这些所有自己的页面即可。用一个bit位表示一个页是否已占用，那么一个字节为8个页，比如4096个页需要4096/8=512字节，容纳这个位图需要一个页

       boot_pages = bootmem_bootmap_pages(end_pfn - start_pfn);

       boot_pfn = find_bootmap_pfn(node, mi, boot_pages);//在node节点内存的bank中找到一个可以放置位图的页面的页面序列，然后返回这个页面序列的首个页面号

       node_set_online(node);//设置本节点有效

       pgdat = NODE_DATA(node);//获取节点描述符pgdat

       init_bootmem_node(pgdat, boot_pfn, start_pfn, end_pfn);//设置本节点内所有映射页的位图，即每个字节全部置为0xff，表示已经映射使用。然后填充pgdat结构

 

       for_each_nodebank(i, mi, node)

              free_bootmem_node(pgdat, mi->bank[i].start, mi->bank[i].size);//设置每个映射的页面空闲，实际是对位图的操作，对每个bit清零

        

       reserve_bootmem_node(pgdat, boot_pfn << PAGE_SHIFT,

                          boot_pages << PAGE_SHIFT, BOOTMEM_DEFAULT);

//标示位图所占的页面被占用

       if (node == 0)

              reserve_node_zero(pgdat);

 

#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD

       /*

        * If the initrd is in this node, reserve its memory.

        */

       if (node == initrd_node) {

              int res = reserve_bootmem_node(pgdat, phys_initrd_start,

                                 phys_initrd_size, BOOTMEM_EXCLUSIVE);

//INITRD映像占用的空间需要标示占用，INITRD是虚拟根文件系统，此时还未加载，因此挂载之前这个物理空间不能再被分配使用

              if (res == 0) {

                     initrd_start = __phys_to_virt(phys_initrd_start);

                     initrd_end = initrd_start + phys_initrd_size;

              } else {

                     printk(KERN_ERR

                            "INITRD: 0x%08lx+0x%08lx overlaps in-use "

                            "memory region - disabling initrd\n",

                            phys_initrd_start, phys_initrd_size);

              }

       }

#endif

 

       /*

        * initialise the zones within this node.

        */

       memset(zone_size, 0, sizeof(zone_size));

       memset(zhole_size, 0, sizeof(zhole_size));

 

       /*

        * The size of this node has already been determined.  If we need

        * to do anything fancy with the allocation of this memory to the

        * zones, now is the time to do it.

        */

       zone_size[0] = end_pfn - start_pfn;

       zhole_size[0] = zone_size[0];

       for_each_nodebank(i, mi, node)

              zhole_size[0] -= mi->bank[i].size >> PAGE_SHIFT;

//计算共有多少页空洞，注意，有些bank的起始结束地址并不是刚好4K对齐的，因此，可能存在某些空白页框。用节点总的物理页框减去每个bank页框，就得到页空洞

       //这个函数里面主要完成zone区的初始化，linux内存管理将内存节点又分为ZONE区管理，比如ZONE_DMA和ZONE_NORMAL等，因此需要初始化。由于平台只针对一致性内存管理，即物理内存空间只包含DDR部分，此处很多函数是空的，再次略过

       arch_adjust_zones(node, zone_size, zhole_size);

 

       free_area_init_node(node, zone_size, start_pfn, zhole_size);

 

       return end_pfn;

}

//在page_init的最后完成devicemaps_init初始化，比如中断向量的映射。映射的大致过程是，申请一个物理框，然后调用creat_map将此物理页框映射到0xffff0000.最后再调用struct machine_desc的map_io完成IO设备的映射

//在完成内存页映射后即进入request_standard_resources，这个函数比较简单，主要完成从iomem_resource空间申请所需的内存资源，比如内核代码和视频所需的资源等

       request_standard_resources(&meminfo, mdesc);

 

#ifdef CONFIG_SMP

       smp_init_cpus();

#endif

 

       cpu_init();//此函数为空

       init_arch_irq = mdesc->init_irq;//初始化与硬件体系相关的指针

       system_timer = mdesc->timer;

       init_machine = mdesc->init_machine;

 

#ifdef CONFIG_VT

#if defined(CONFIG_VGA_CONSOLE)

       conswitchp = &vga_con;

#elif defined(CONFIG_DUMMY_CONSOLE)

       conswitchp = &dummy_con;

#endif

#endif

       early_trap_init();//重定位中断向量，将中断向量代码拷贝到中断向量页，并把信号处理代码指令拷贝到向量页中

}

       mm_init_owner(&init_mm, &init_task);//空函数

       setup_command_line(command_line);//保存命令行，以备后用，此保存空间需申请

//这个函数调用完了，就开始执行下面初始化函数

       unwind_setup();//空函数

       setup_per_cpu_areas();//设置每个CPU信息，单核CPU为空函数

       setup_nr_cpu_ids();//空函数

       smp_prepare_boot_cpu();  //设置启动的CPU为在线状态.在多CPU架构下

//第一个启动的cpu启动到一定阶段后，开始启动其它的cpu，它会为每个后来启动的cpu创建一个0号进程，而这些0号进程的堆栈的thread_info结构中的cpu成员变量则依次被分配出来（利用alloc_cpu_id()函数）并设置好，这样当这些cpu开始运行的时候就有了自己的逻辑cpu号。

       sched_init();//初始化调度器，对调度机制进行初始化，对每个CPU的运行队列

      

       preempt_disable();//启动阶段系统比较脆弱，禁止进程调度

       build_all_zonelists();//建立内存区域链表

       page_alloc_init();//内存页初始化，此处无执行

       printk(KERN_NOTICE "Kernel command line: %s\n", boot_command_line);

       parse_early_param();

       parse_args("Booting kernel", static_command_line, __start___param,

                 __stop___param - __start___param,

                 &unknown_bootoption);

       //执行命令行解析，若参数不存在，则调用unknown_bootoption

       if (!irqs_disabled()) {

              printk(KERN_WARNING "start_kernel(): bug: interrupts were "

                            "enabled *very* early, fixing it\n");

              local_irq_disable();

       }

       sort_main_extable();//对异常处理函数进行排序

       trap_init();//空函数

       rcu_init();//linux2.6的一种互斥访问机制

       init_IRQ();//中断向量初始化

       pidhash_init();//进程嘻哈表初始化

       init_timers();//定时器初始化

       hrtimers_init();//高精度时钟初始化

       softirq_init();//软中断初始化

       timekeeping_init();//系统时间初始化

       time_init();

       sched_clock_init();

       profile_init();//空函数

       if (!irqs_disabled())

              printk("start_kernel(): bug: interrupts were enabled early\n");

       early_boot_irqs_on();

       local_irq_enable();

       console_init();//打印终端初始化

       if (panic_later)

              panic(panic_later, panic_param);

 

       lockdep_info();

       locking_selftest();

 

#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD

       if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&

           page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) {

              printk(KERN_CRIT "initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - "

                  "disabling it.\n",

                  page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),

                  min_low_pfn);

              initrd_start = 0;

       }

#endif

       vfs_caches_init_early();//建立节点嘻哈表和数据缓冲嘻哈表

       cpuset_init_early();//空函数

       mem_init();//对全局的物理页变量初始化，对没有分配的页面初始化

       enable_debug_pagealloc();

       cpu_hotplug_init();//没有热插拔CPU，此函数为空

       kmem_cache_init();//内核内存缓冲区初始化

       debug_objects_mem_init();

       idr_init_cache();//创建idr缓冲区

       setup_per_cpu_pageset();//采用的是一致性内存，此函数为空

       numa_policy_init();//采用的是一致性内存，此函数为空

       if (late_time_init)

              late_time_init();

       calibrate_delay();//校准延时函数的精确度，实际上是校准loops_per_jiffy全局变量，即每个时钟滴答内CPU执行的指令数

       pidmap_init();//进程号位图初始化，一般用一个page来指示所有的进程PID占用情况

       pgtable_cache_init();//空函数

       prio_tree_init();//初始化优先级数组

       anon_vma_init();//空函数