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Linux 2.6.34 内核启动详细分析(一)

分类：

2011-12-30 22:30:54

原文地址：Linux 2.6.34 内核启动详细分析(一) 作者：myfaxmail

Linux 2.6.34 内核启动详细分析(一)

内核编译完成后会生成zImage内核镜像文件。关于bootloader加载zImage到内核，
并且跳转到zImage开始地址运行zImage的过程，相信大家都很容易理解。但对于zImage
是如何解压的过程，就不是那么好理解了。
本文将结合部分关键代码，讲解zImage的解压过程;

先看看zImage的组成吧。在内核编译完成后会在arch/arm/boot/下生成zImage。
在arch/arm/boot/Makefile中：
  1. $(obj)/zImage: $(obj)/compressed/vmlinux FORCE
  2. $(call if_changed,objcopy)
  3. $(obj)/compressed/vmlinux: $(obj)/Image FORCE
  4. $(Q)$(MAKE) $(build)=$(obj)/compressed $@  #make obj=$(obj)/compressed $@

由此可见，zImage的是elf格式的arch/arm/boot/compressed/vmlinux二进制化得到的
在arch/arm/boot/compressed/Makefile中：

  1. $(obj)/vmlinux: $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/$(HEAD) $(obj)/piggy.$(suffix_y).o \
  2. $(addprefix $(obj)/, $(OBJS)) $(lib1funcs) FORCE
  3. $(call if_changed,ld)

  5. $(obj)/piggy.$(suffix_y): $(obj)/../Image FORCE
  6. $(call if_changed,$(suffix_y))

  8. $(obj)/piggy.$(suffix_y).o: $(obj)/piggy.$(suffix_y) FORCE
其中Image是由内核顶层目录下的vmlinux二进制化后得到的。
注意：arch/arm/boot/compressed/vmlinux是位置无关的，这个有助于理解后面的代码。
链接选项中有个 –fpic参数：
EXTRA_CFLAGS := -fpic

PIC就是position independent code 
PIC使.so文件的代码段变为真正意义上的共享 
如果不加-fPIC,则加载.so文件的代码段时,代码段引用的数据对象需要重定位, 重定位会修改代码段的内容,这就造成每个使用这个.so文件代码段的进程在内核里都会生成这个.so文件代码段的copy.每个copy都不一样,取决于 这个.so文件代码段和数据段内存映射的位置.

总结一下zImage的组成，它是由一个压缩后的内核piggy.gzip.o，连接上一段初始化及解压功能的代码（head.o misc.o）,组成的。

下面就要看内核的启动了，那么内核是从什么地方开始运行的呢？这个当然要看lds文件啦。
zImage的生成经历了两次大的链接过程：
一次是顶层vmlinux的生成，由arch/arm/boot/vmlinux.lds（这个lds文件是由arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S生成的）决定；
另一次是arch/arm/boot/compressed/vmlinux的生成，是由arch/arm/boot/compressed /vmlinux.lds（这个lds文件是由arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds.in生成的）决定。

因此，zImage的入口点应该由arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds决定。

首先，我们来看内核解压部分,这部分的代码主要存放在
1. arch/arm/boot/compressed/Makefile   
2. arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds
3. arch/arm/kernel/vmlinux.lds



Linux内核解压流程
arch/arm/boot/compressed/head.S

• 对于各种Arm CPU的DEBUG输出设定，通过定义宏来统一操作；
  1. #include
  2. .macro writeb, ch, rb
  3. senduart \ch, \rb
  4. .endm
  5. #defined(CONFIG_ARCH_S3C2410)
  6. .macro loadsp, rb, tmp
  7. mov \rb, #0x50000000
  8. add \rb, \rb, #0x4000 * CONFIG_S3C_LOWLEVEL_UART_PORT
  9. .endm
  10. #endif
  12. .macro kputc,val
  13. mov r0, \val
  14. bl putc
  15. .endm
  17. .macro kphex,val,len
  18. mov r0, \val
  19. mov r1, #\len
  20. bl phex
  21. .endm
  23. .macro debug_reloc_start
  24. kputc #'\n'
  25. kphex r6, 8 /* processor id */
  26. kputc #':'
  27. kphex r7, 8 /* architecture id */
  28. kputc #':'
  29. mrc p15, 0, r0, c1, c0
  30. kphex r0, 8 /* control reg */
  31. kputc #'\n'
  32. kphex r5, 8 /* decompressed kernel start */
  33. kputc #'-'
  34. kphex r9, 8 /* decompressed kernel end */
  35. kputc #'>'
  36. kphex r4, 8 /* kernel execution address */
  37. kputc #'\n'
  39. .macro debug_reloc_end
  40. kphex r5, 8 /* end of kernel */
  41. kputc #'\n'
  42. mov r0, r4
  43. bl memdump /* dump 256 bytes at start of kernel */
  44. .endm
  46. 设置kernel开始和结束地址，保存architecture ID；
  48. Start:
  49. .type start,#function @.type 符号,类型描述(函数类型或者对象类型)
  50. .rept 8 @.rept 数据定义 .endr 重复协议操作
  51. mov r0, r0
  52. .endr
  53. b 1f
  54. .word 0x016f2818 @ Magic numbers to help the loader
  55. .word start @ absolute load/run zImage address
  56. .word _edata @ zImage end address
  57. 1:
  58. mov r7, r1 @ save architecture ID
  59. mov r8, r2 @ save atags pointer
  61. 如果在ARM2以上的CPU中，如用的是普通用户模式，则升到超级用户模式，然后关中断
  62. 这也标志着u-boot将系统完全的交给了OS，bootloader生命终止，系统已经处于SVC32模式；而利用
  63. angel进入则处于user模式，还需要额外两条指令。之后是再次确认中断关闭，并完成cpsr写入
  65. mrs r2, cpsr @ get current mode
  66. tst r2, #3 @ not user mode?
  67. bne not_angel
  68. mov r0, #0x17 @ angel_SWIreason_EnterSVC
  69. swi 0x123456 @ angel_SWI_ARM 软中断指令 进入SVC模式
  71. not_angel:
  72. mrs r2, cpsr @ turn off interrupts to
  73. orr r2, r2, #0xc0 @ prevent angel from running
  74. msr cpsr_c, r2
  77. 分析LC0结构delta offset，判断是否需要重载内核地址(r0存入偏移量，判断r0是否为零)。在LC0
  78. 地址处将分段信息导入r0-r6、r11、ip、sp等寄存器，并检查代码是否运行在与链接时相同的目标地址，
  79. 以决定是否进行处理。
  81. adr r0, LC0
  82. ldmia r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, r11, ip, sp})
  84. subs r0, r0, r1 @ calculate the delta offset
  86. @ if delta is zero, we are
  87. beq not_relocated @ running at the address we
  88. @ were linked at.
  91. .align 2
  92. .type LC0, #object
  93. LC0:
  94. .word LC0 @ r1
  95. .word __bss_start @ r2
  96. .word _end @ r3
  97. .word zreladdr @ r4
  98. .word _start @ r5
  99. .word _image_size @ r6
  100. .word _got_start @ r11
  101. .word _got_end @ ip
  102. .word user_stack+4096 @ sp
  104. 由于现在很少有人不使用loader和tags，将zImage烧写到rom直接从0x0位置执行，
  105. 所以这个处理是必须的（但是zImage的头现在也保留了不用 loader也可启动的能力）。
  106. arm架构下自解压头一般是链接在0x0地址而被加载到0x30008000运行，所以要修正这个变化。
  108. 涉及到r5寄存器存放的zImage基地址
  109. r6和r12（即ip寄存器）存放的got（global offset table）
  110. r2和r3存放的bss段起止地址
  111. sp栈指针地址
  112. 很简单，这些寄存器统统被加上一个你也能猜到的偏移地址0x30008000。该地址是s3c2410相关的
  114. 这些操作发生在代码172行开始的地方，下面只粘贴一部分
  115. /*We're running at a different address. We need to fix
  116. * up various pointers:
  117. * r5 - zImage base address ( _start )
  118. * r6 - size of decompressed image
  119. * r11 - GOT start
  120. * ip - GOT end*/
  122. add r5, r5, r0
  123. add r11, r11, r0
  124. add ip, ip, r0
  126. 需要重载内核地址，将r0的偏移量加到BSS region和GOT table中的每一项。对于位置无关
  127. 的代码，程序是通过GOT表访问全局数据目标的，也就是说GOT表中中记录的是全局数据目标
  128. 的绝对地址，所以其中的每一项也需要重载。
  130. /* If we're running fully PIC === CONFIG_ZBOOT_ROM = n,
  131. * we need to fix up pointers into the BSS region.
  132. * r2 - BSS start
  133. * r3 - BSS end
  134. * sp - stack pointer*/
  136. add r2, r2, r0
  137. add r3, r3, r0
  138. add sp, sp, r0
  140. /*Relocate all entries in the GOT table.*/
  141. 1:
  142. ldr r1, [r11, #0] @ relocate entries in the GOT
  143. add r1, r1, r0 @ table. This fixes up the
  144. str r1, [r11], #4 @ C references.
  145. cmp r11, ip
  146. blo 1b
  148. 清空bss堆栈空间r2－r3
  150. not_relocated:
  151. mov r0, #0
  152. 1:
  153. str r0, [r2], #4 @ clear bss
  154. str r0, [r2], #4
  155. str r0, [r2], #4
  156. str r0, [r2], #4
  157. cmp r2, r3
  158. blo 1b
  160. 打开cache,建立C程序运行需要的64KB的临时malloc空间
  162. bl cache_on
  163. mov r1, sp @ malloc space above stack
  164. add r2, sp, #0x10000 @ 64k max 接下来238行进行检查，确定内核解压缩后的
  165. @Image目标地址是否会覆盖到zImage头，如果是则准备
  166. @将zImage头转移到解压出来的内核后面
  168. 这时r2是缓存的结束地址，r4是kernel的最后执行地址，r5是kernel境象文件的开始地址
  169. /*
  170. * Check to see if we will overwrite ourselves.
  171. * r4 = final kernel address
  172. * r5 = start of this image
  173. * r6 = size of decompressed image
  174. * r2 = end of malloc space (and therefore this image)
  175. * We basically want:
  176. * r4 >= r2 -> OK
  177. * r4 + image length <= r5 -> OK
  178. */
  180. cmp r4, r2
  181. bhs wont_overwrite
  182. sub r3, sp, r5 @ > compressed kernel size
  183. add r0, r4, r3, lsl #2 @ allow for 4x expansion
  184. cmp r0, r5
  185. bls wont_overwrite
  187. 用文件misc.c的函数decompress_kernel()，解压内核于缓存结束的地方(r2地址之后)。
  189. mov r5, r2 @ decompress after malloc space
  190. mov r0, r5
  191. mov r3, r7
  192. bl decompress_kernel
  194. 可能大家看了上面的文字描述还是不清楚解压的动态过程。还是先用图表的方式描述下
  195. 代码的搬运解压过程。然后再针对中间的一些关键过程阐述。
  197. 真实情况在大多数的应用中，内核编译都会把压缩的zImage和非压缩的Image链接到同样的地
  198. 址，s3c2410平台下即是0x30008000。这样做的好处是，人们不用关心内核是Image还是zImage，
  199. 放到这个位置执行就OK，所以在解压缩后zImage头必须为真正的内核让路。在250行解压完毕，
  200. 内核长度返回值存放在r0寄存器里。
  202. 在内核末尾空出128字节的栈空间用，并且使其长度128字节对齐。
  204. add r0, r0, #127 + 128 @ alignment + stack
  205. bic r0, r0, #127 @ align the kernel length
  207. 算出搬移代码的参数：计算内核末尾地址并存放于r1寄存器，需要搬移代码原来地址放在r2，需要搬移
  208. 的长度放在r3。然后执行搬移，并设置好sp指针指向新的栈（原来的栈也会被内核覆盖掉）
  209. * r0 = decompressed kernel length
  210. * r1-r3 = unused
  211. * r4 = kernel execution address
  212. * r5 = decompressed kernel start
  213. * r7 = architecture ID
  214. * r8 = atags pointer
  215. * r9-r12,r14 = corrupted
  217. add r1, r5, r0 @ end of decompressed kernel
  218. adr r2, reloc_start
  219. ldr r3, LC1
  220. add r3, r2, r3
  221. 1:
  222. ldmia r2!, {r9 - r14} @ copy relocation code
  223. stmia r1!, {r9 - r14}
  224. ldmia r2!, {r9 - r14}
  225. stmia r1!, {r9 - r14}
  226. cmp r2, r3
  227. blo 1b
  228. add sp, r1, #128 @ relocate the stack
  230. 搬移完成后刷新cache，因为代码地址变化了不能让cache再命中被内核覆盖的老地址。
  231. 然后跳转到新的地址继续执行
  233. bl cache_clean_flush
  234. add pc, r5, r0 @ call relocation code(reloc_start:)
  236. 注意:zImage在解压后的搬移和跳转会给gdb调试内核带来麻烦。因为用来调试的符号表是在编译
  237. 生成的，并不知道以后会被搬移到何处去，只有在内核解压缩完成之后，根据计算出来的参数“告诉”
  238. 调试器这个变化。以撰写本文时使用的zImage为例，内核自解压头重定向后，reloc_start地址由0x30008360变为 0x30533e60。故我们要把vmlinux的符号表也相应的从0x30008000后移到0x30533b00开始，这样gdb就可以正确的对应源 代码和机器指令。随着头部代码移动到新的位置，
  239. 不会再和内核的目标地址冲突，可以开始内核自身的搬移了。此时r0寄存器存放的是内核长度（严格
  240. 的说是长度外加128Byte的栈），r4存放的是内核的目的地址0x30008000，r5是目前内核存放地
  241. 址，r6是CPU ID，r7是machine ID，r8是atags地址。
  243. * All code following this line is relocatable. It is relocated by the above code to the
  244. * end of the decompressed kernel image and executed there.
  245. * During this time, we have no stacks.
  246. * r0 = decompressed kernel length
  247. * r1-r3 = unused
  248. * r4 = kernel execution address
  249. * r5 = decompressed kernel start
  250. * r7 = architecture ID
  251. * r8 = atags pointer
  252. * r9-r12,r14 = corrupted
  254. reloc_start:
  255. add r9, r5, r0
  256. sub r9, r9, #128 @ do not copy the stack
  257. debug_reloc_start
  258. mov r1, r4
  259. 1:
  260. .rept 4
  261. ldmia r5!, {r0, r2, r3, r10 - r14} @ relocate kernel
  262. stmia r1!, {r0, r2, r3, r10 - r14}
  263. .endr
  264. cmp r5, r9
  265. blo 1b
  266. add sp, r1, #128 @ relocate the stack
  268. 接下来在566行清除并关闭cache，清零r0，将machine ID存入r1，atags指针存入r2，
  269. 再跳入0x30008000执行真正的内核Image
  271. call_kernel:
  272. bl cache_clean_flush
  273. bl cache_off
  274. mov r0, #0 @ must be zero
  275. mov r1, r7 @ restore architecture number
  276. mov r2, r8 @ restore atags pointer
  277. mov pc, r4 @ call kernel
  279. 至此，开始正式跳到内核代码执行！
  281. 遗留问题解决：
  282. 问题1：zImage是如何知道自己最后的运行地址是0x30008000的？
  283. 这个地址的确定和Makefile和链接脚本有关
  284. 在arch/arm/mach-s3c2410/Makefile.boot中
  285. zreladdr-y := 0x30008000 这个就是zImage的运行地址了
  286. 在arch/arm/boot/Makefile文件中
  287. ZRELADDR := $(zreladdr-y)
  288. 在arch/arm/boot/compressed/Makefile文件中
  289. zreladdr=$(ZRELADDR)
  290. 在arch/arm/boot/compressed/head.S中有
  291. .word zreladdr @ r4
  292. 内核就是用这种方式让代码知道最终运行的位置的
  294. 问题2：调用decompress_kernel函数时，其4个参数是什么值及物理含义？
  296. decompress_kernel(ulg output_start,
  297. ulg free_mem_ptr_p,
  298. ulg free_mem_ptr_end_p,
  299. int arch_id)
  301. output_start：指解压后内核输出的起始位置，紧接在解压缓冲区后；
  302. free_mem_ptr_p：解压函数需要的内存缓冲开始地址；
  303. free_mem_ptr_end_p：解压函数需要的内存缓冲结束地址，共64K；
  304. arch_id ：architecture ID，对于SMDK2410这个值为193；
  307. 问题3：解压函数是如何确定代码中压缩内核位置的？
  309. 首先看看piggy.o是如何生成的，在arch/arm/boot/compressed/Makefie中
  310. $(obj)/piggy.$(suffix_y): $(obj)/../Image FORCE
  311. Piggy.gzip.o是由piggy.gzip.S生成的，咱们看看piggy.gzip.S的内容：
  312. .section .piggydata,#alloc
  313. .globl input_data
  314. input_data:
  315. .incbin "arch/arm/boot/compressed/piggy.gzip"
  316. .globl input_data_end
  317. input_data_end:
  318. 再看看misc.c中decompress_kernel函数吧，它将调用gunzip()解压内核。
  319. gunzip()在lib/inflate.c中定义，它将调用NEXTBYTE()，进而调用get_byte()来获取压缩内核代码。
  321. 在misc.c中
  322. #define get_byte() (inptr < insize ? inbuf[inptr++] : fill_inbuf())
  324. 查看fill_inbuf函数
  325. int fill_inbuf(void)
  326. {
  327. if (insize != 0)
  328. error("ran out of input data");
  329. inbuf = input_data;
  330. insize = &input_data_end[0] - &input_data[0];
  331. inptr = 1;
  332. return inbuf[0];
  333. }
发现什么没？这里的input_data不正是piggy.gzip.S里的input_data吗？这个时候应该
明白内核是怎样确定piggy.gz在zImage中的位置了吧。
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