Linux内核启动start_kernel之前逻辑分析（汇编）

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Linux

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在bootloader的帮助下，内核被载入到内存中，内核映像被加载到内存并获得控制权之后，内核启动流程开始。通常，内核映像以压缩形式存储，并不是一个可以执行的内核。因此内核的首要工作是自解压内核映像。

内核编译生成vmlinux后，通常会对其进行压缩，得到zImage(小内核，小于512KB)或者bzImage(大内核，大于512KB)，在它们的头部嵌有解压缩程序。真正的内核执行映像其实是在编译时生arch/${ARCH}/boot/文件夹中的bin文件。

以arm为例

Linxu镜像的格式：

（1）Image：直接生成并未压缩的内核，一般用于PC机。

（2）zImage：Image的压缩版，采用gzip进行压缩，比Image体积小，但启动时需要进行自解压，嵌入式系统中一般采用此方法。

（3）uImage：是u-boot专用的一种内核镜像格式，它是在zImage的基础上又添加了一个长度为0x40的标签头，在u-boot启动时会去掉此头信息，仍按zImage启动，头信息主要用于区分不同格式的内核镜像。

（4）xipImage：片上执行的未压缩内核

（5）bootpImage：将内核与根文件系统制作在一起的镜像。

内核的压缩和解压缩代码都在文件夹arch/arm/boot/compressed下，编译完毕后将产生head.o, misc.o , piggy.gzip.o, vmlinux, decompress.o这几个文件。

（1）head.o是内核的头部文件，负责初始设置。

（2）misc.o将主要负责内核的解压工作。

（3）piggy.gzip.o是一个压缩的内核（kernel/vmlinux）

（4）vmlinux是没有（zImage是压缩过后内核）压缩过的内核。它是由piggy.gzip、head.o、misc.o组成的。

（5）decompress.o是为支持很多其它的压缩格式而新引入的。

压缩过的kernel入口第一个源代码位置在arch/arm/boot/compressed/head.S，它将调用函数decompress_kernel()，这个函数在arch/arm/boot/compressed/misc.c中。decompress_kernel又调用arch_decomp_setup进行设置，decompress_kernel又调用gunzip()将内核放于指定的位置。

而gunzip位于kernel/lib/inflate.c, inflate.c是从gzip源程序中分离出来的，

启动流程分析：

1、通过linux/arch/arm/boot/compressed目录下的Makefile寻找到下面代码段：

$(obj)/vmlinux: $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/$(HEAD) $(obj)/piggy.o \
$(addprefix $(obj)/, $(OBJS)) $(lib1funcs) $(ashldi3) \
$(bswapsdi2) $(efi-obj-y) FORCE
@$(check_for_multiple_zreladdr)
$(call if_changed,ld)
@$(check_for_bad_syms)

2、从这里我们可以得知链接脚本vmlinux.lds，所以分析vmlinux.lds，根据其中ENTRY(stext)得到内核入口函数为stext，

面stext在linux/arch/arm/kernel/head.S中

3、head.S中内核引导阶段

ENTRY(stext)
。
。
。
bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid //处理器是否支持
movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)?
THUMB( it eq ) @ force fixup-able long branch encoding
beq __error_p @ yes, error 'p' //不支持则打印错误信息

。
。
。
bl __create_page_tables //创建页表

/*
* 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_processor_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, =__mmap_switched @ address to jump to after //保存MMU使能后跳转地址
@ mmu has been enabled
adr lr, BSYM(1f) @ return (PIC) address
mov r8, r4 @ set TTBR1 to swapper_pg_dir
ARM( add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC )
THUMB( add r12, r10, #PROCINFO_INITFUNC )
THUMB( mov pc, r12 )
1: b __enable_mmu

4、查找标签__mmap_switched所在位置：linux/arch/arm/kernel/head-common.S

__mmap_switched:
/*
* 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
* r2 = atags/dtb pointer
* r9 = processor ID
*/
//保存设备信息、设备树及启动参数存储地址
。
。
。
b start_kernel

从start_kernel函数开始，内核进入C语言部分，完成内核大部分初始化工作。

vmlinux.lds.S

vmlinux.lds.S是如何组织内核的每个函数存放在内核镜像文件的位置，我们知道在编译内核生成内核文件的时候，其实这个过程分两步，一个是编译，另一个是链接，vmlinux.lds.S要做的就是告诉编译器如何链接编译好的各个内核.o文件。

小知识：链接器中的entry
链接器按以下优先顺序设入口点,找到即停止
1. -e 命令行选项
2. 脚本中的entry(symbol)命令
3. 如定义了start的值,取其值为入口点
4. 如果存在.text section，使用.text section的第一字节的位置值
5. 使用值0

所以

OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(stext)

表明我们指定的stext作为程序的入口点。

1、.=PAGE_OFFSET+TEXT_OFFSET

arch/arm/include/asm中的memory.h文件定义了：

#define PAGE_OFFSET UL(CONFIG_PAGE_OFFSET)

CONFIG_PAGE_OFFSET是在内核配置里面配置的，PAGE_OFFSET代表的是内核image的起始虚拟地址，在arch/arm/Makefile中定义：

textofs-y := 0x00008000
TEXT_OFFSET := $(textofs-y)

TEXT_OFFSET代表的是内核的image存放在内存中地址，注意这个地址为相对内存的起始地址的偏移量，是个相对的偏移量不是实际的存放内存物理地址。而且这个偏移量必须为0xXXXX8000,XXXX为任意值。

2、简单例子

SECTIONS
{
. = 0×10000; /**把定位器符号置为0x10000（若不指定，则该符号的初始值为0）*/
.text : { *(.text) } /* 将所有输入文件的.text section合并成一个.text section，该section的地址由定位器符号的值指定*/
. = 0×8000000; /* 把定位器符号置为0x8000000*/
.data : { *(.data) } /* 将所有输入文件的.data section合并成一个.data section，该section的地址被置为0x8000000*/
.bss : { *(.bss) } /* 将所有输入文件的.bss section合并成一个.bss section，该section的地址被置为0x8000000+.data section的大小*/
/*连接器每读完一个section描述后，将定位器符号的值增加该section的大小，这里没有考虑对齐约束*/
}

.是一个特殊的符号，它是定位器，一个位置指针，指向程序地址空间内的某位置，该符号只能在SECTIONS命令内使用。

3、简单命令

INCLUDE filename: 包含其他名为filename的链接脚本，可以嵌套使用，最大深度为10
INPUT(files)：将括号内的文件做为链接过程的输入文件。ld首先在当前目录下寻找该文件，如果没找到，则在由-L指定的搜索路径下搜索。
GROUP(files)：指定需要重复搜索符号定义的多个输入文件。file必须是库文件，且file文件作为一组被ld重复扫描，直到不再有新的未定义的引用出现。
OUTPUT(filename)：定义输出文件的名字。同ld的-o选项，不过-o选项的优先级更高。
SEARCH_DIR(path)：定义搜索路径。同ld的-L选项，不过由-L指定的路径要比它定义的优先被搜索。
STARTUP(filename)：指定filename为第一个输入文件
OUTPUT_FORMAT(DEFAULT,BIG,LITTLE)：定义三种输出文件的格式，若有命令行选项-EB，则使用第2个BFD格式，若有命令行选项-EL，则使用第3鼐BFD格式，否则默认选第一个BFD格式。
TARGET(BFDNAME)：设置输入文件的BFD格式。
ASSERT(EXP,MESSAGE):如果EXP不为真，终止连接过程
EXTERN(SYMBOL SYMBOL...)：在输出文件中增加未定义的符号，如同连接器选项-u
FORCE_COMMON_ALLOCATION：为common symbol(通用符号)分配空间，即使用了-r连接选项也为其分配
NOCROSSREFS(SECTION SECTION...)：检查列出的输出secion，如果发现他们之间有相互引用，则报错。对于某些系统，特别是内存较紧张的嵌入式系统，某些section是不能同时存在内存中的，所以他们之间不能相互引用
OUtPUT_ARCH(arch)：设置输出文件的machine architecture

4、SECTIOINS命令

SECTIONS命令告诉ld如何把输入文件的sections映射到输出文件的各个section：如何将输入section合并为输出section，如何把输出section放入程序地址空间（VMA）和进程地址空间（LMA）。

（1）输出section描述

SECTION-NAME [ADDRESS] [(TYPE)] : [AT(LMA)]
{
OUTPUT-SECTION-COMMAND
OUTPUT-SECTION-COMMAND
…
} [>REGION] [AT>LMA_REGION] [:PHDR HDR ...] [=FILLEXP]

SECTION-NAME左右的空白、圆括号、冒号是必须的，ADDRESS是一个表达式，它的值用于设置VMA，如果没有该选项且有REGION选项，那么连接器将根据REGION设置VMA，哪果也没有REGION选项，那么连接器将根据定位符‘.’的值设置该section的VMA，将定位符号的值调整到满足输出section对齐要求后的值。

TYPE设置输出section的类型，如果没有指定TYPE类型，那么连接器根据输出section引用的输入section的类型设置该输出section类型。

默认情况下，LMA等于VMA，但可以通过AT（LMA）项画指定LMA。

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