浅谈分析Arm linux 内核移植及系统初始化的过程

学习嵌入式ARM linux，主要想必三个方向发展：
1、嵌入式linux应用软件开发
2、linux内核的剪裁和移植
3、嵌入式linux底层驱动的开发

本文就Arm linux 内核移植及系统初始化过程进行分析：咨询QQ：313807838

主 要介绍内核移植过程中涉及文件的分布及其用途，以及简单介绍系统的初始化过程。整个arm linux内核的启动可分为三个阶段：第一阶段主要是进行 cpu和体系结构的检查、cpu本身的初始化以及页表的建立等；第二阶段主要是对系统中的一些基础设施进行初始化；最后则是更高层次的初始化，如根设备和 外部设备的初始化。了解系统的初始化过程，有益于更好地移植内核。

1. 内核移植

2. 涉及文件分布介绍
2.1. 内核移植

2.2. 涉及的头文件
/linux-2.6.18.8/include
[root@localhost include]# tree -L 1
.
|-- Kbuild
|-- acpi
|-- asm -> asm-arm
|-- asm-alpha
|-- asm-arm   ------------------------------->(1)
|-- asm-sparc
|-- asm-sparc64
|-- config
|-- keys
|-- linux ------------------------------->(2)
|-- math-emu
|-- media
|-- mtd
|-- net
|-- pcmcia
|-- rdma
|-- rxrpc
|-- scsi
|-- sound
`-- video

内核移植过程中涉及到的头文件包括处理器相关的头文件(1)和处理器无关的头文件(2)。

2.3. 内核移植2.4. 涉及的源文件
/linux-2.6.18.8/arch/arm
[root@localhost arm]# tree -L 1
.
|-- Kconfig
|-- Kconfig-nommu
|-- Kconfig.debug
|-- Makefile
|-- boot  ------------------------------->(2)
|-- common
|-- configs
|-- kernel  ------------------------------->(3)
|-- lib
|-- mach-at91rm9200
……
|-- mach-omap1
|-- mach-omap2
|-- mach-realview
|-- mach-rpc
|-- mach-s3c2410   ------------------------------->(4)
|-- mach-sa1100
|-- mach-versatile
|-- mm    ------------------------------->(5)
|-- nwfpe
|-- oprofile
|-- plat-omap
|-- tools    ------------------------------->(1)
`-- vfp

(1)
/linux-2.6.18.8/arch/arm/tools
[root@localhost tools]# tree -L 1
.
|-- Makefile
|-- gen-mach-types
`-- mach-types

Mach-types 文件定义了不同系统平台的系统平台号。移植linux内核到新的平台上需要对新的平台登记系统平台号。

Mach-types文件格式如下：
# machine_is_xxx CONFIG_xxxx MACH_TYPE_xxx number
s3c2410 ARCH_S3C2410 S3C2410          182
smdk2410 ARCH_SMDK2410 SMDK2410            193

之 所以需要这些信息，是因为脚本文件linux/arch/arm/tools/gen-mach-types需要linux/arch/tools /mach-types来产生linux/include/asm-arm/mach-types.h文件，该文件中设置了一些宏定义，需要这些宏定义来 为目标系统选择合适的代码。

(2)
linux-2.6.18.8/arch/arm/boot/compressed
[root@localhost compressed]# tree -L 1
.
|-- Makefile
|-- Makefile.debug
|-- big-endian.S
|-- head-at91rm9200.S

2

浅谈分析Arm linux 内核移植及系统初始化的过程

|-- head.S |-- ll_char_wr.S |-- misc.c |-- ofw-shark.c |-- piggy.S `-- vmlinux.lds.in Head.s 是 内核映像的入口代码，是自引导程序。自引导程序包含一些初始化程序，这些程序都是体系结构相关的。在对系统作完初始化设置工作后，调用misc.c文件中 的decompress_kernel()函数解压缩内核映像到指定的位置，然后跳转到kernel的入口地址。 Vmlinux.lds.in用来生成内核映像的内存配置文件。 (3) linux-2.6.18.8/arch/arm/kernel [root@localhost kernel]# tree -L 1 . |-- Makefile |-- apm.c |-- armksyms.c |-- arthur.c |-- asm-offsets.c |-- bios32.c |-- calls.S |-- dma.c |-- ecard.c |-- entry-armv.S |-- entry-common.S |-- entry-header.S |-- fiq.c |-- head-common.S |-- head-nommu.S |-- head.S |-- init_task.c |-- io.c |-- irq.c |-- isa.c |-- module.c |-- process.c |-- ptrace.c |-- ptrace.h |-- semaphore.c |-- setup.c |-- smp.c |-- sys_arm.c |-- time.c |-- traps.c `-- vmlinux.lds.S 内核入口处也是由一段汇编语言实现的，由head.s和head-common.s两个文件组成。 Head.s 是 内核的入口文件， 在head.s的末尾处 ＃i nclude "head-common.S"。 经过一系列的初始化后，跳转到linux-2.6.18.8/init/main.c中的 start_kernel()函数中，开始内核的基本初始化过程。 /linux-2.6.18.8/init [root@localhost init]# tree . |-- Kconfig |-- Makefile |-- calibrate.c |-- do_mounts.c |-- do_mounts.h |-- do_mounts_initrd.c |-- do_mounts_md.c |-- do_mounts_rd.c |-- initramfs.c |-- main.c `-- version.c (4) /linux-2.6.18.8/arch/arm/mach-s3c2410 [root@localhost mach-s3c2410]# tree -L 1 . |-- Kconfig |-- Makefile |-- Makefile.boot |-- bast-irq.c |-- bast.h |-- clock.c |-- clock.h |-- common-smdk.c |-- common-smdk.h |-- cpu.c |-- cpu.h |-- devs.c |-- devs.h |-- dma.c |-- gpio.c |-- irq.c |-- irq.h |-- mach-anubis.c |-- mach-smdk2410.c |-- pm-simtec.c |-- pm.c |-- pm.h |-- s3c2400-gpio.c |-- s3c2400.h |-- s3c2410-clock.c |-- s3c2410-gpio.c |-- s3c2410.c |-- s3c2410.h |-- sleep.S |-- time.c |-- usb-simtec.c `-- usb-simtec.h 这个目录中的文件都是板级相关的，其中比较重要是如下几个： linux/arch/arm/mach-s3c2410/cpu.c  linux/arch/arm/mach-s3c2410/common-smdk.c linux/arch/arm/mach-s3c2410/devs.c linux/arch/arm/mach-s3c2410/mach-smdk2410.c linux/arch/arm/mach-s3c2410/Makefile.boot linux/arch/arm/mach-s3c2410/s3c2410.c 3. 处理器和设备4. 这里主要介绍处理器和设备的描述和操作过程。设备描述在linux/arch/arm/mach-s3c2410/devs.c和linux/arch/arm/mach-s3c2410/common-smdk.c中实现。最后以nand flash为例具体介绍。

4.1. 处理器、设备4.2. 描述
设备描述主要两个结构体完成：struct resource和struct platform_device。
先来看看着两个结构体的定义：
struct resource {
resource_size_t start;
resource_size_t end;
const char *name;
unsigned long flags;
struct resource *parent, *sibling, *child;
};

Resource结构体主要是描述了设备在系统中的起止地址、名称、标志以及为了链式描述方便指向本结构体类型的指针。Resource定义的实例将被添加到platform_device结构体对象中去。

struct platform_device {
const char * name;
u32 id;
struct device dev;
u32 num_resources;
struct resource * resource;
};

Platform_device结构体包括结构体的名称、ID号、平台相关的信息、设备的数目以及上面定义的resource信息。Platform_device结构对象将被直接通过设备操作函数注册导系统中去。具体注册和注销过程在下一节介绍。

4.3. 处理器、设备4.4. 操作
(1) int platform_device_register(struct platform_device * pdev)；    注册设备
(2) void platform_device_unregister(struct platform_device * pdev)； 注销设备
(3) int platform_add_devices(struct platform_device **devs, int num)；添加设备，通过调用上面两个函数实现。
4.5. 添加Nand flash设备4.6.
下面以nand flash 设备的描述为例，具体介绍下设备的描述和注册过程。

// resource结构体实例s3c_nand_resource 对nand flash 控制器描述，包括控制器的起止地址和标志。
static struct resource s3c_nand_resource[] = {
[0] = {
.start = S3C2410_PA_NAND,
.end   = S3C2410_PA_NAND + S3C24XX_SZ_NAND - 1,
.flags = IORESOURCE_MEM,
}
};

//platform_device结构体实例s3c_device_nand定义了设备的名称、ID号并把resource对象作为其成员之一。
struct platform_device s3c_device_nand = {
.name   = "s3c2410-nand",
.id   = -1,
.num_resources   = ARRAY_SIZE(s3c_nand_resource),
.resource   = s3c_nand_resource,
};

// nand flash 的分区情况，由mtd_partition结构体定义。
static struct mtd_partition smdk_default_nand_part[] = {
[0] = {
.name = "Boot Agent",
.size = SZ_16K,
.offset = 0,
},
[1] = {
.name = "S3C2410 flash partition 1",
.offset = 0,
.size = SZ_2M,
},
[2] = {
.name = "S3C2410 flash partition 2",
.offset = SZ_4M,
.size = SZ_4M,
},
[3] = {
.name = "S3C2410 flash partition 3",
.offset = SZ_8M,
.size = SZ_2M,
},
[4] = {
.name = "S3C2410 flash partition 4",
.offset = SZ_1M * 10,
.size = SZ_4M,
},
[5] = {
.name = "S3C2410 flash partition 5",
.offset = SZ_1M * 14,
.size = SZ_1M * 10,
},
[6] = {
.name = "S3C2410 flash partition 6",
.offset = SZ_1M * 24,
.size = SZ_1M * 24,
},
[7] = {
.name = "S3C2410 flash partition 7",
.offset = SZ_1M * 48,
.size = SZ_16M,
}
};

static struct s3c2410_nand_set smdk_nand_sets[] = {
[0] = {
.name = "NAND",
.nr_chips = 1,
.nr_partitions = ARRAY_SIZE(smdk_default_nand_part),
.partitions = smdk_default_nand_part,
},
};

/* choose a set of timings which should suit most 512Mbit
 * chips and beyond.
*/

static struct s3c2410_platform_nand smdk_nand_info = {
.tacls = 20,
.twrph0 = 60,
.twrph1 = 20,
.nr_sets = ARRAY_SIZE(smdk_nand_sets),
.sets = smdk_nand_sets,
};

/* devices we initialise */
// 最后将nand flash 设备加入到系统即将注册的设备集合中。
static struct platform_device __initdata *smdk_devs[] = {
&s3c_device_nand,
&smdk_led4,
&smdk_led5,
&smdk_led6,
&smdk_led7,
};

然后通过smdk_machine_init()函数，调用设备添加函数platform_add_devices(smdk_devs, ARRAY_SIZE(smdk_devs)) 完成设备的注册。具体过程参见系统初始化的相关部分。
5. 系统初始化
5.1. 系统初始化的主干线
Start_kernel() èsetup_arch() èreset_init() è kernel_thread(init …) è init() è do_basic_setup() èdriver_init() è do_initcall()

Start_kernel()函数负责初始化内核各个子系统，最后调用reset_init()，启动一个叫做init的内核线程，继续初始化。Start_kernel()函数在init/main.c中实现。

asmlinkage void __init start_kernel(void)
{
char * command_line;
extern struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];

smp_setup_processor_id();

/*
 * Need to run as early as possible, to initialize the
 * lockdep hash:
 */
lockdep_init();

local_irq_disable();
early_boot_irqs_off();
early_init_irq_lock_class();

/*
 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
 * enable them
 */
lock_kernel();
boot_cpu_init();
page_address_init();
printk(KERN_NOTICE);
printk(linux_banner);
setup_arch(&command_line);
 //setup processor and machine and destinate some pointers for do_initcalls() s

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 // for example init_machine pointer is initialized with smdk_machine_init() , and //init_machine() is called by customize_machine(), and the is processed by //arch_initcall(fn). Therefore  smdk_machine_init() is issured.    by edwin
setup_per_cpu_areas();
smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot-cpu hooks */

/*
 * Set up the scheduler prior starting any interrupts (such as the
 * timer interrupt). Full topology setup happens at smp_init()
 * time - but meanwhile we still have a ing scheduler.
 */
sched_init();
/*
 * Disable preemption - early bootup scheduling is extremely
 * fragile until we cpu_idle() for the first time.
 */
preempt_disable();
build_all_zonelists();
page_alloc_init();
printk(KERN_NOTICE "Kernel command line: %s\n", saved_command_line);
parse_early_param();
parse_args("Booting kernel", command_line, __start___param,
   __stop___param - __start___param,
   &unknown_bootoption);
sort_main_extable();
unwind_init();
trap_init();
rcu_init();
init_IRQ();
pidhash_init();
init_timers();
hrtimers_init();
softirq_init();
timekeeping_init();
time_init();
profile_init();
if (!irqs_disabled())
printk("start_kernel(): bug: interrupts were enabled early\n");
early_boot_irqs_on();
local_irq_enable();

/*
 * HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before
 * we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of
 * this. But we do want output early, in case something goes wrong.
 */
console_init();
if (panic_later)
panic(panic_later, panic_param);

lockdep_info();

/*
 * Need to run this when irqs are enabled, because it wants
 * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs
 * too:
 */
locking_selftest();

#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&
initrd_start < min_low_pfn << PAGE_SHIFT) {
printk(KERN_CRIT "initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - "
 
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     "disabling it.\n",initrd_start,min_low_pfn << PAGE_SHIFT);
initrd_start = 0;
}
#endif
vfs_caches_init_early();
cpuset_init_early();
mem_init();
kmem_cache_init();
setup_per_cpu_pageset();
numa_policy_init();
if (late_time_init)
late_time_init();
calibrate_delay();
pidmap_init();
pgtable_cache_init();
prio_tree_init();
anon_vma_init();
#ifdef CONFIG_X86
if (efi_enabled)
efi_enter_virtual_mode();
#endif
fork_init(num_physpages);
proc_caches_init();
buffer_init();
unnamed_dev_init();
key_init();
security_init();
vfs_caches_init(num_physpages);
radix_tree_init();
signals_init();
/* rootfs populating might need page-writeback */
page_writeback_init();
#ifdef CONFIG_PROC_FS
proc_root_init();
#endif
cpuset_init();
taskstats_init_early();
delayacct_init();

check_bugs();

acpi_early_init(); /* before LAPIC and SMP init */

/* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
rest_init();
}

分析start_kernel()源码， 其中setup_arch() 和 reset_init()是两个比较关键的函数。下面将具体分析这两个函数。
5.2. setup_arch()函数分析
首先我们来分析下setup_arch()函数。
Setup_arch()函数主要工作是安装cpu和machine，并为start_kernel()后面的初始化函数指针指定值。
其中setup_processor()函数调用linux/arch/arm/kernel/head_common.S 中的lookup_processor_type函数查询处理器的型号并安装。

Setup_machine()函数调用inux/arch/arm/kernel/head_common.S 中的lookup_machine_type(__machine_arch_type)函数根据体系结构号__machine_arch_type，在 __arch_info_begin和__arch_info_end段空间查询体系结构。问题是__machine_arch_type是在什么时候赋 的初值？__arch_info_begin和__arch_info_end段空间到底放的是什么内容？
__machine_arch_type是一个全局变量，在linux/boot/decompress/misc.c的解压缩函数中得以赋值。
decompress_kernel(ulg output_start, ulg free_mem_ptr_p, ulg free_mem_ptr_end_p, int arch_id)
{
__machine_arch_type = arch_id;
}

__arch_info_begin和__arch_info_end段空间到底放的内容由链接器决定，存放是.arch.info.init段的 内容。这个段是通过段属性__attribute__指定的。Grep一下.arch.info.init 得到./include/asm/mach/arch.h:53: __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = {       \ 在linux/include/asm-arm/mach/arch.h 中发现MACHINE_START宏定义。

#define MACHINE_START(_type,_name) \
static const struct machine_desc __mach_desc_##_type \
 __attribute_used__ \
 __attribute__((__section__(".arch.info.init"))) = { \
.nr = MACH_TYPE_##_type, \
.name = _name,

#define MACHINE_END \
};

inux/arch/arm/mach-s3c2410/mach-smdk2410.c中对.arch.info.init段的初始化如下。

MACHINE_START(SMDK2410, "SMDK2410") /* @TODO: request a new identifier and switch
    * to SMDK2410 */
/* Maintainer: Jonas Dietsche */
.phys_io = S3C2410_PA_UART,
.io_pg_offst = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,
.boot_params = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,
.map_io = smdk2410_map_io,
.init_irq = s3c24xx_init_irq,
.init_machine = smdk_machine_init,
.timer = &s3c24xx_timer,
MACHINE_END

由此可见在.arch.info.init段内存放了__desc_mach_desc_SMDK2410结构体。初始化了相应的初始化函数指针。问题又来了， 这些初始化指针函数是什么时候被调用的呢？
分析发现，不一而同。
如 s3c24xx_init_irq()函数是通过start_kernel()里的init_IRQ()函数调用init_arch_irq()实现的。 因为在MACHINE_START结构体中  .init_irq = s3c24xx_init_irq，而在setup_arch()函数中init_arch_irq = mdesc->init_irq， 所以调用init_arch_irq()就相当于调用了s3c24xx_init_irq()。
又如smdk_machine_init()函数 的初始化。在MACHINE_START结构体中，函数指针赋值，.init_machine = smdk_machine_init。而init_machine()函数被linux/arch/arm/kernel/setup.c文件中的 customize_machine()函数调用并被arch_initcall(Fn)宏处 理，arch_initcall(customize_machine)。 被arch_initcall(Fn)宏处理过函数将linux/init/main.c
do_initcalls()函数调用。 具体参看下边的部分。

void __init setup_arch(char **cmdline_p)
{
struct tag *tags = (struct tag *)&init_tags;
struct machine_desc *mdesc;
char *from = default_command_line;

setup_processor();
mdesc = setup_machine(machine_arch_type);//machine_arch_type =SMDK2410  by edwin
machine_name = mdesc->name;

if (mdesc->soft_reboot)
reboot_setup("s");

if (mdesc->boot_params)
tags = phys_to_virt(mdesc->boot_params);

/*
 * If we have the old style parameters, convert them to
 * a tag list.
 */
if (tags->hdr.tag != ATAG_CORE)
convert_to_tag_list(tags);
if (tags->hdr.tag != ATAG_CORE)
tags = (struct tag *)&init_tags;

if (mdesc->fixup)
mdesc->fixup(mdesc, tags, &from, &meminfo);

if (tags->hdr.tag == ATAG_CORE) {
if (meminfo.nr_banks != 0)
squash_mem_tags(tags);
parse_tags(tags);
}

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;

memcpy(saved_command_line, from, COMMAND_LINE_SIZE);
 
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 saved_command_line[COMMAND_LINE_SIZE-1] = '\0';
parse_cmdline(cmdline_p, from);
paging_init(&meminfo, mdesc);
request_standard_resources(&meminfo, mdesc);

#ifdef CONFIG_SMP
smp_init_cpus();
#endif

cpu_init();

/*
 * Set up various architecture-specific pointers
 */
init_arch_irq = mdesc->init_irq;
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
}
5.3. rest_init()函数分析
下面我们来分析下rest_init()函数。
Start_kernel() 函数负责初始化内核各子系统，最后调用reset_init()，启动一个叫做init的内核线程，继续初始化。在init内核线程中，将执行下列 init()函数的程序。Init()函数负责完成根文件系统的挂接、初始化设备驱动程序和启动用户空间的init进程等重要工作。

static void noinline rest_init(void)
__releases(kernel_lock)
{
kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);
numa_default_policy();
unlock_kernel();

/*
 * The boot idle thread must execute schedule()
 * at least one to get things moving:
 */
preempt_enable_no_resched();
schedule();
preempt_disable();

/* Call into cpu_idle with preempt disabled */
cpu_idle();
}

static int init(void * unused)
{
lock_kernel();
/*
 * init can run on any cpu.
 */
set_cpus_allowed(current, CPU_MASK_ALL);
/*
 * Tell the world that we're going to be the grim
 * reaper of innocent orphaned children.
 *
 * We don't want people to have to make incorrect
 * assumptions about where in the task array this
 * can be found.
 */
child_reaper = current;

smp_prepare_cpus(max_cpus);

do_pre_smp_initcalls();

smp_init();
sched_init_smp();

cpuset_init_smp();

/*
 * Do this before initcalls, because some drivers want to access
 * firmware files.
 */
populate_rootfs();   //挂接根文件系统

do_basic_setup();   //初始化设备驱动程序

/*
 * check if there is an early userspace init.  If yes, let it do all
 * the work        //启动用户空间的init进程
 
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  */

if (!ramdisk_execute_command)
ramdisk_execute_command = "/init";

if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) {
ramdisk_execute_command = NULL;
prepare_namespace();
}

/*
 * Ok, we have completed the initial bootup, and
 * we're essentially up and running. Get rid of the
 * initmem segments and start the user-mode stuff..
 */
free_initmem();
unlock_kernel();
mark_rodata_ro();
system_state = SYSTEM_RUNNING;
numa_default_policy();

if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)
printk(KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console.\n");

(void) sys_dup(0);
(void) sys_dup(0);

if (ramdisk_execute_command) {
run_init_process(ramdisk_execute_command);
printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s\n",
ramdisk_execute_command);
}

/*
 * We try each of these until one succeeds.
 *
 * The Bourne shell can be used instead of init if we are
 * trying to recover a really broken machine.
 */
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");

panic("No init found.  Try passing init= option to kernel.");
}

5.3.1. 挂接根文件系统
Linux/init/ramfs.c
void __init populate_rootfs(void)
{
char *err = unpack_to_rootfs(__initramfs_start,
 __initramfs_end - __initramfs_start, 0);
if (err)
panic(err);
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
if (initrd_start) {
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_RAM
int fd;
printk(KERN_INFO "checking if image is initramfs...");
err = unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,
initrd_end - initrd_start, 1);
if (!err) {
printk(" it is\n");
unpack_to_rootfs((char *)initrd_start,
initrd_end - initrd_start, 0);
free_initrd();
return;
}
printk("it isn't (%s); looks like an initrd\n", err);