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news 2025/6/30 23:59:18

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在学习资料满天飞的大环境下，知识变得非常零散，体系化的知识并不多，这就导致很多人每天都努力学习到感动自己，最终却收效甚微，甚至放弃学习。我的使命就是过滤掉大量的垃圾信息，将知识体系化，以短平快的方式直达问题本质，把大家从大海捞针的痛苦中解脱出来。

文章目录

- 1 内核启动总体流程
- - 1.1 核心目的
  - 1.2 总体流程
- 2 stext剖析
- - 2.1 流程分析
  - 2.2 __cpu_flush函数

1 内核启动总体流程

分析内核启动流程时一定要 抓大放小 ，千万不要上来就深入到每一个函数，每一个细节。如果这样就会只见树木不见森林，逐渐迷路。正确的做法是先掌握根本目的和大体流程，然后再逐个击破。

1.1 核心目的

无论看多少代码或写多少代码，一定不要忘记最终的目的。Linux内核启动的最终目的就是——运行应用程序。

根据这个最终目的再去理解内核启动流程中的关键步骤就容易多了。比如，运行应用程序首先要找到应用程序存储的地方吧，这就需要挂载根文件系统。再比如，运行应用程序需要加载到内存中运行吧，这就需要初始化页表并打开MMU。

1.2 总体流程

首先我们梳理一下Linux内核启动的总体流程，在脑海中建立起关键步骤的枝干，后续我会根据需要挑拣枝叶再进行详细分析。

先上图：

在这里插入图片描述

我向来不赞成死记硬背，凡事都遵循 因果报应 ，计算机也不例外，只不过这里叫逻辑。只要你想明白了，流程自然就应该是这样的。比如，bootloader给内核传递了两类参数，一个是机器ID，一个是启动参数。那既然bootloader给内核传递了这两个参数，那内核就肯定会处理对吧，那就必然有对机器ID的处理步骤和对启动参数的解析。进一步的，我们还可以 刨根问底 ，bootloader为什么要传递这两类参数，为什么不是其他的？这两类参数中机器ID是必须要传递的，那咱就先分析这个为啥必须传递。其实，原因也很简单，它们之前其实是一体的，后来才分工的，可以将bootloader理解成内核的 开道先锋 ，所以，bootloader开的道必须是内核想走的路才对，这里的路就是硬件啦。每一款硬件是用机器ID来进行区分。因此机器ID必须由bootloader传递给内核，这是他们的 接头暗号 。

2 stext剖析

该节用到的汇编指令汇总如下表：

指令	功能	说明
msr	Move register to PSR status/flags	操纵PSR寄存器时才会使用该指令
mrc	Move from coprocessor register to CPU register	读协处理器时才会使用该指令
mov(s)	Move register or constant	加s代表会影响标志位
ldr	Load register or constant	加载绝对地址（链接地址）
adr	Address of register or constant	加载小范围地址（pc+offset)
bl	Branch with link	该指令会在跳转到标号之前保存当前pc(r15)指针内容到lr(r14)寄存器中，用于函数调用返回使用
beq	Branch	该指令中eq为执行b指令的条件——CPSR中的Z=1
add	add	sum = add1 + add2

2.1 流程分析

stext是Linux内核的第一个入口函数，代码都是位置无关码（PIC）。在Linux内核启动之前bootloader已经将0放到了r0中，将机器ID放到了r1中。

Tips：在分析内核启动代码前了解当前寄存器中的值和含义是十分必要的，因为汇编语言的特点就是充分利用了 分时复用 的思想，不同的时刻，寄存器中的值是不同的，有着不同的含义。汇编语言比较繁琐的一点就在于这里——一句话不会在一行说完，想理解当前行的意思，必须查看上下文，综合去理解分析。

/** Kernel startup entry point.* ---------------------------** This is normally called from the decompressor code.  The requirements* are: MMU = off, D-cache = off, I-cache = dont care, r0 = 0,* r1 = machine nr.** This code is mostly position independent, so if you link the kernel at* 0xc0008000, you call this at __pa(0xc0008000).** See linux/arch/arm/tools/mach-types for the complete list of machine* numbers for r1.** We're trying to keep crap to a minimum; DO NOT add any machine specific* crap here - that's what the boot loader (or in extreme, well justified* circumstances, zImage) is for.*/.section ".text.head", "ax" @ 定义一个属性为“可分配可运行”的名为“.text.head”的节.type	stext, %function @ 声明stext标号为一个函数
ENTRY(stext)	@ 定义全局标号stextmsr	cpsr_c, #PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE @ ensure svc mode@ and irqs disabled 其实，这里的工作bootloader都已经做了，这里再做一遍保证万无一失。mrc	p15, 0, r9, c0, c0		@ get processor id arm9只有一个协处理器，处理器id存储在c0寄存器，将c0中的cpuid存储到r9中。bl	__lookup_processor_type		@ r5=procinfo r9=cpuid,调用函数__lookup_processor_type，该函数中会根据r9的内容匹配内核代码支持的procinfo,并把procinfo存储在r5中。movs	r10, r5				@ invalid processor (r5=0)?将r5的内容移动到r10，并且影响CPSR的Z位，如果r5=0，则Z=1，否则Z=0。beq	__error_p			@ yes, error 'p'，如果Z=1，则跳转到__error_p停止启动。bl	__lookup_machine_type		@ r5=machinfo,调用__lookup_machine_type函数，该函数中会根据r1的内容匹配内核代码支持的机器ID，并把machinfo存储在r5中。movs	r8, r5				@ invalid machine (r5=0)?，该行代码和下一行配合，用来判断r5是否为0，如果为0则跳入__error_a打印错误信息并停止执行。beq	__error_a			@ yes, error 'a'bl	__create_page_tables @ 调用创建临时一级页表函数/* 该段代码比较难以理解，下一小节展开说明* 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，将__switch_data所在地址赋值给r13@ mmu has been enabledadr	lr, __enable_mmu		@ return (PIC) address，将__enable_mmu地址赋值给lr。add	pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC

ENTRY的展开如下：

/* /include/linux/linkage.h 文件 */#define __ALIGN		.align 4,0x90 /*4:4字节对其；0x90:NOP指令的机器码，用于填充到指定的对齐字节*/
#define ALIGN __ALIGN#ifndef ENTRY
#define ENTRY(name) \.globl name; \ /* 声明该标号为全局标号 */ALIGN; \ /* 4字节对齐，使用nop进行填充 */name: /* 定义标号 */
#endif

2.2 __cpu_flush函数

下面的代码使用的技巧性比较强，单独拿出来分析一下。

/** 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.*/
097：  ldr	r13, __switch_data		@ address to jump to after，将__switch_data所在地址赋值给r13
098：  @ mmu has been enabled
099：  adr	lr, __enable_mmu		@ return (PIC) address，将__enable_mmu地址赋值给lr。
100：  add	pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC

从第100行代码开始分析，主要意思是改变pc指针，这就意味着程序的流程会发生改变，那下一个问题就是变到哪里？

pc = r10 + PROCINFO_INITFUNC

前面的初始化保证，寄存器r10指向procinfo，在文件arch/arm/kernel/asm-offsets.c文件中宏PROCINFO_INITFUNC的定义如下：

 DEFINE(PROCINFO_INITFUNC,     offsetof(struct proc_info_list, __cpu_flush));

我们再来看一下结构体proc_info_list：

/** Note!  struct processor is always defined if we're* using MULTI_CPU, otherwise this entry is unused,* but still exists.** NOTE! The following structure is defined by assembly* language, NOT C code.  For more information, check:*  arch/arm/mm/proc-*.S and arch/arm/kernel/head.S*/
struct proc_info_list {unsigned int		cpu_val;unsigned int		cpu_mask;unsigned long		__cpu_mm_mmu_flags;	/* used by head.S */unsigned long		__cpu_io_mmu_flags;	/* used by head.S */unsigned long		__cpu_flush;		/* used by head.S *//*我们关注的字段在这里*/const char		*arch_name;const char		*elf_name;unsigned int		elf_hwcap;const char		*cpu_name;struct processor	*proc;struct cpu_tlb_fns	*tlb;struct cpu_user_fns	*user;struct cpu_cache_fns	*cache;
};

通过上面结构体的注释，我们知道，该结构体的真实定义位置是arch/arm/mm/proc-*.S。此处，我们以proc-arm920.S文件为例分析。

/* 真实的结构体定义如下 */__arm920_proc_info:.long	0x41009200.long	0xff00fff0.long   PMD_TYPE_SECT | \PMD_SECT_BUFFERABLE | \PMD_SECT_CACHEABLE | \PMD_BIT4 | \PMD_SECT_AP_WRITE | \PMD_SECT_AP_READ.long   PMD_TYPE_SECT | \PMD_BIT4 | \PMD_SECT_AP_WRITE | \PMD_SECT_AP_READb	__arm920_setup			/*和C语言中对照偏移，这个就是我们关注的字段*/.long	cpu_arch_name.long	cpu_elf_name.long	HWCAP_SWP | HWCAP_HALF | HWCAP_THUMB.long	cpu_arm920_name.long	arm920_processor_functions.long	v4wbi_tlb_fns.long	v4wb_user_fns
#ifndef CONFIG_CPU_DCACHE_WRITETHROUGH.long	arm920_cache_fns
#else.long	v4wt_cache_fns
#endif.size	__arm920_proc_info, . - __arm920_proc_info

我们发现，此数据结构中，C语言结构体中定义的__ cpu_flush成员，在汇编语言中被定义为一条调用指令：b __arm920_setup。

因此 add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC 这句指令辗转（难点就在于名字不对应，但偏移对应）调用了 __arm920_setup 函数。到此，我们不再继续跟踪。

第100行代码调用结束之后，pc = lr，也就是执行 __enable_mmu 函数。

该函数调用了 __turn_mmu_on 函数，关键点在于该函数的最后一行。

pc = r13 会返回第97行执行 __switch_data 函数。

	.align	5.type	__turn_mmu_on, %function
__turn_mmu_on:mov	r0, r0mcr	p15, 0, r0, c1, c0, 0		@ write control regmrc	p15, 0, r3, c0, c0, 0		@ read id regmov	r3, r3mov	r3, r3mov	pc, r13  /* 这里是关键，会返回第97行执行__switch_data函数*/

Tips：总结一下97行到100行代码的难度到底在那里。首先，在于C语言定义的结构体和汇编定义的同一个结构体只有偏移相同，但是名称不同；再次，在于汇编语言对寄存器的分时复用思想，当某个或某些寄存器的时间跨度过大后，对代码的可读性会产生重大破坏，比如上述的r13，中间横跨的代码太多了，不建议这么使用；最后，难度在于大量使用了函数指针，而且还是在汇编中。

不过，这种代码见得多了，有了经验，下次遇到也就不觉得繁琐了。

<完>

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http://www.jmfq.cn/news/5124205.html