ARM處理器上的linux內核是怎麼啟動的

對於ARM的處理器，內核第一個啟動的文件是arc/arm/kernel下面的head.S文件。當然arc/arm/boot/compress下面也有這個文件，這個文件和上面的文件略有不同，當要生成壓縮的內核時zImage時，啟動的是後者，後者與前者不同的時，它前面的代碼是做自解壓的，後面的代碼都相同。我們這裡這分析arc/arm/kernel下面的head.S文件。當head.S所作的工作完成後它會跳到init/目錄下跌的main.c的start_kernel函數開始執行。

第一階段

首先截取部分head.S文件，將後面重點要分析的代碼高亮顯示。

ENTRY(stext)

msr cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode

@ and irqs disabled

mrc p15, 0, r9, c0, c0 @ get processor id

bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid

movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)?

beq __error_p @ yes, error "p"

bl __lookup_machine_type @ r5=machinfo

movs r8, r5 @ invalid machine (r5=0)?

beq __error_a @ yes, error "a"

bl __create_page_tables

/*

* The following calls CPU specific code in a position independent

* manner. See arch/arm/mm/proc-*.S for details. r10 = base of

* xxx_proc_info structure selected by __lookup_machine_type

* above. On return, the CPU will be ready for the MMU to be

* turned on, and r0 will hold the CPU control register value.

*/

ldr r13, __switch_data @ address to jump to after

@ mmu has been enabled

adr lr, __enable_mmu @ return (PIC) address

第一步，執行的是__lookup_processor_type，這個函數是檢查處理器型號，它讀取你的電路板的CPU型號與內核支持的處理器進行比較看是否能夠處理。這個我們不關心它的具體實現過程，因為現在主流處理器內核都提供了支持。

第二步，執行的是__lookup_machine_type，這個函數是來檢查機器型號的，它會讀取你bootloader傳進來的機器ID和他能夠處理的機器ID進行比較看是否能夠處理。內核的ID號定義在arc/arm/tool/mach_types文件中MACH_TYPE_xxxx宏定義。內核究竟就如何檢查是否是它支持的機器的呢？實際上每個機器都會在/arc/arm/mach-xxxx/smdk-xxxx.c文件中有個描述特定機器的數據結構，如下

MACHINE_START(S3C2440, "SMDK2440")

.phys_io = S3C2410_PA_UART,

.io_pg_offst = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,

.boot_params = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,

.init_irq = s3c24xx_init_irq,

.map_io = smdk2440_map_io,

.init_machine = smdk2440_machine_init,

.timer = &s3c24xx_timer,

MACHINE_END

MACHINE_START 和 MACHINE_END實際上被展開成一個結構體

#define MACHINE_START(_type,_name)

static const struct machine_desc __mach_desc_##_type

__used

.nr = MACH_TYPE_##_type,

.name = _name,

#define MACHINE_END

};

於是上面的數據結構就被展開為

static const struct machine_desc __mach_desc_S3C2440

__used

.nr = MACH_TYPE_S3C2440,

.name =」 SMDK2440」,};

.phys_io = S3C2410_PA_UART,

.io_pg_offst = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,

.boot_params = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,

.init_irq = s3c24xx_init_irq,

.map_io = smdk2440_map_io,

.init_machine = smdk2440_machine_init,

.timer = &s3c24xx_timer,

}

每個機器都會有一個machine_desc __mach_desc結構，內核通過檢查每個machine_desc __mach_desc的nr號和bootloader傳上來的ID進行比較，如果相同，內核就認為支持該機器，而且內核在後面的工作中會調用該機器的machine_desc __mach_desc_結構中的方法進行一些初始化工作。

第三步，創建一級頁表。

第四步，在R13中保存__switch_data 這個函數的地址，在第四步使能mmu完成後會跳到該函數執行。

第五步，執行的是__enable_mmu，它是使能MMU，這個函數調用了__turn_mmu_on函數，讓後在_turn_mmu_on在最後將第三步賦給R13的值傳給了PC指針 （mov pc, r13），於是內核開始跳到__switch_data這個函數開始執行。

我們再來看arch/arm/kenel/head-common.S這個文件中的__switch_data函數

__switch_data:

.long __mmap_switched

.long __data_loc @ r4

.long __data_start @ r5

.long __bss_start @ r6

.long _end @ r7

.long processor_id @ r4

.long __machine_arch_type @ r5

.long cr_alignment @ r6

.long init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp

/*

* The following fragment of code is executed with the MMU on in MMU mode,

* and uses absolute addresses; this is not position independent.

*

* r0 = cp#15 control register

* r1 = machine ID

* r9 = processor ID

*/

.type __mmap_switched, %function

__mmap_switched:

adr r3, __switch_data + 4

ldmia r3!,

cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed

1: cmpne r5, r6

ldrne fp, [r4], #4

strne fp, [r5], #4

bne 1b

mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp)

1: cmp r6, r7

strcc fp, [r6],#4

bcc 1b

ldmia r3,

str r9, [r4] @ Save processor ID

str r1, [r5] @ Save machine type

bic r4, r0, #CR_A @ Clear "A" bit

stmia r6, @ Save control register values

b start_kernel

這個函數做的工作是，複製數據段清楚BBS段，設置堆在指針，然後保存處理器內核和機器內核等工作，最後跳到start_kernel函數。於是內核開始執行第二階段。

第二階段

我們再來看init/目錄下的main.c的start_kernel函數，這裡我只截圖了部分。

asmlinkage void __init start_kernel(void)

{

…………………….

……………………..

printk(KERN_NOTICE);

printk(linux_banner);

setup_arch(&command_line);

setup_command_line(command_line);

parse_early_param();

parse_args("Booting kernel", static_command_line, __start___param,

__stop___param - __start___param,

&unknown_bootoption);

……………………

…………………………

init_IRQ();

pidhash_init();

init_timers();

hrtimers_init();

softirq_init();

timekeeping_init();

time_init();

profile_init();

…………………………

……………………………

console_init();

………………………………

………………………………

ssssss;

}

從上面可以看出start_kernel首先是列印內核信息，然後對bootloader傳進來的一些參數進行處理，再接著執行各種各樣的初始化，在這其中會初始化控制台。最後會調用rest_init();這個函數會啟動掛接根文件系統並且啟動init進程。

綜上，內核啟動的過程大致為以下幾步：

1.檢查CPU和機器類型

2.進行堆棧、MMU等其他程序運行關鍵的東西進行初始化

3.列印內核信息

4.執行各種模塊的初始化

5.掛接根文件系統

6.啟動第一個init進程

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