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分类: LINUX

2021-09-28 14:38:17

作者: 刘洪涛,华清远见嵌入式培训中心 讲师。

本文以linux-2.6.14内核在S3C2410平台上运行为例,讲解内核的解压过程。

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/armboot/Makefile中:

$(obj)/zImage: $(obj)/compressed/vmlinux FORCE

                    $(call if_changed,objcopy)

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/armboot/compressed/Makefile中:

$(obj)/vmlinux: $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/$(HEAD) $(obj)/piggy.o \

                                                            $(addprefix $(obj)/, $(OBJS)) FORCE

                    $(call if_changed,ld)

$(obj)/piggy.gz: $(obj)/../Image FORCE

                    $(call if_changed,gzip)

$(obj)/piggy.o: $(obj)/piggy.gz 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

总结一下zImage的组成,它是由一个压缩后的内核piggy.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。zImage的入口点应该由arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds决定。从中可以看出入口点为‘_start’

OUTPUT_ARCH(arm)

ENTRY(_start)

SECTIONS

{

        . = 0;

       _text = .;

       .text : {

       _start = .;

       *(.start)

       *(.text)

                            ……

}

在arch/arm/boot/compressed/head.S中找到入口点。

看看head.S会做些什么样的工作:

• 对于各种Arm CPU的DEBUG输出设定,通过定义宏来统一操作;

•设置kernel开始和结束地址,保存architecture ID;

• 如果在ARM2以上的CPU中,用的是普通用户模式,则升到超级用户模式,然后关中断

• 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)。

•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的绝对地址,所以其中的每一项也需要重载。

• 清空bss堆栈空间r2-r3

•建立C程序运行需要的缓存

•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

•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)。

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。

假定zImage在内存中的初始地址为0x30008000(这个地址由bootloader决定,位置不固定)

1、初始状态

.text  0x30008000 开始,包含piggydata 段(即压缩的内核段)
 
.got   ?
 
.data  ?
 
.bss   ?
 
.stack 4K 大小
 

2、head.S调用misc.c中的decompress_kernel刚解压完内核后

.text  0x30008000 开始,包含piggydata 段(即压缩的内核段)
 
. got  ?
 
. data  ?
 
.bss    ?
 
.stack  4K 大小
 
解压函数所需缓冲区   64K 大小
 
解压后的内核代码     小于4M
 

3、此时会将head.S中的部分代码重定位

.text   0x30008000 开始,包含piggydata 段(即压缩的内核段)
 
.got    ?
 
.data   ?
 
.bss    ?
 
.stack  4K 大小
 
解压函数所需缓冲区  64K 大小
 
解压后的内核代码    小于4M
 
head.S 中的部分重定位代码代码   reloc_start 至reloc_end
 

4、跳转到重定位后的reloc_start处,由reloc_start至reloc_end的代码复制解压后的内核代码到0x30008000处,并调用call_kernel跳转到0x30008000处执行。

解压后的内核    0x30008000 开始
 

在通过head.S了解了动态过程后,大家可能会有几个问题:

问题1:zImage是如何知道自己最后的运行地址是0x30008000的?

问题2:调用decompress_kernel函数时,其4个参数是什么值及物理含义?

问题3:解压函数是如何确定代码中压缩内核位置的?

先回答第1个问题

这个地址的确定和Makefile和链接脚本有关,在arch/arm/Makefile文件中的

textaddr-y := 0xC0008000 这个是内核启动的虚拟地址

TEXTADDR := $(textaddr-y)

在arch/arm/mach-s3c2410/Makefile.boot中

zreladdr-y := 0x30008000 这个就是zImage的运行地址了

在arch/arm/boot/Makefile文件中

ZRELADDR := $(zreladdr-y)

在arch/arm/boot/compressed/Makefile文件中

zreladdr=$(ZRELADDR)

在arch/arm/boot/compressed/Makefile中有

                           .word zreladdr @ r4

内核就是用这种方式让代码知道最终运行的位置的

接下来再回答第2个问题

decompress_kernel(ulg output_start, ulg free_mem_ptr_p, ulg free_mem_ptr_end_p,

int arch_id)

l output_start:指解压后内核输出的起始位置,此时它的值参考上面的图表,紧接在解压缓冲区后;

l free_mem_ptr_p:解压函数需要的内存缓冲开始地址;

l ulg free_mem_ptr_end_p:解压函数需要的内存缓冲结束地址,共64K;

l arch_id :architecture ID,对于SMDK2410这个值为193;

最后回答第3个问题

首先看看piggy.o是如何生成的,在arch/arm/boot/compressed/Makefie中

$(obj)/piggy.o: $(obj)/piggy.gz FORCE

Piggy.o是由piggy.S生成的,咱们看看piggy.S的内容:

             .section .piggydata,#alloc

             .globl input_data

input_data:

             .incbin "arch/arm/boot/compressed/piggy.gz"

             .globl input_data_end

input_data_end:

再看看misc.c中decompress_kernel函数吧,它将调用gunzip()解压内核。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。

在misc.c中

#define get_byte() (inptr < insize ? inbuf[inptr++] : fill_inbuf())

查看fill_inbuf函数

int fill_inbuf(void)

{

             if (insize != 0)

             error("ran out of input data");

             inbuf = input_data;

             insize = &input_data_end[0] - &input_data[0];

             inptr = 1;

             return inbuf[0];

}

发现什么没?这里的input_data不正是piggy.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。

时间关系,可能叙述的不够详细,大家可以集合内核代码和网上的其它相关文章,理解启动解压过程。

 

本文来自CSDN博客,转载请标明出处:http://blog.csdn.net/guopeixin/archive/2010/06/23/5689484.aspx

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