分类： LINUX
2011-05-17 14:58:30
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
