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linux内核启动流程分析1

  • *简单分析启动过程中的初始化内容

1. 寻找执行入口

  • 和之前找uboot的执行入口一样，在编译时查看编译文件的顺序和链接文件发现入口为arch/armc/kernel/head.S

“arch/arm/kernel/vmlinux.lds”
…
. = 0xC0000000 + 0x00008000
.head.text : {
text = .;
*(.head.text)
}
…

“arch/arm/kernel/head.S”
…
.arm
__HEAD
ENTRY(stext)
…

“include/linux/init.h”
…
#define __HEAD .section “.head.text”, “ax”
#define __INIT .section “.init.text”, “ax”
#define __FINIT .previous
…

2. head.S

  1. 确定 CPU 类型和启动模式（ARM/Thumb、SVC 模式）

  2. 关闭中断

  3. 检查处理器是否支持必要功能

  4. 初始化物理地址偏移

  5. 验证 ATAGs/DTB 参数

  6. 创建初始页表（identity mapping）

  7. 初始化 CPU 特定功能

  8. 开启 MMU（启用虚拟地址空间）

  9. 跳转到 __mmap_switched 进入内核下一阶段

  10. 段和入口定义

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.arm
__HEAD               // 定义在 .head.text 段
ENTRY(stext)         // 内核入口符号 stext
  • .head.text 段：用于放置启动代码。
  • stext 是 ARM Linux 的 第一个执行入口（在物理地址 0xC0008000，即 PAGE_OFFSET + TEXT_OFFSET）。
  1. 检查 ARM/Thumb 模式并切换
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THUMB( adr r9, BSYM(1f) )
THUMB( bx  r9 )
THUMB( .thumb )
THUMB(1: )
  • 如果内核是 Thumb-2 格式(一种ARM的嵌入式格式)，先跳转并切换到 Thumb 状态。
  • 否则继续 ARM 模式。
  1. 设置 CPU 为 SVC 模式，关闭 IRQ/FIQ
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setmode PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE, r9
  • PSR_F_BIT：屏蔽 FIQ
  • PSR_I_BIT：屏蔽 IRQ
  • SVC_MODE：进入管理模式（Supervisor mode）

保证启动过程不会被中断打断。

  1. 获取 CPU ID 并匹配处理器类型
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mrc p15, 0, r9, c0, c0     @ 获取 CP15 c0：主 ID 寄存器
bl  __lookup_processor_type @ 查找 CPU 类型表，返回 r5=procinfo
movs r10, r5               @ 如果 r5=0，说明不支持该 CPU
beq __error_p              @ 出错处理
  • 读取 CPU ID（ARM 架构寄存器）。
  • 检查是否在 内核支持的 CPU 列表里。
  1. LPAE（ARMv7+）检查
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mrc p15, 0, r3, c0, c1, 4   @ 读取 ID_MMFR0
and r3, r3, #0xf
cmp r3, #5                  @ 检查是否支持长描述符页表
blo __error_p
  • 如果是 ARM LPAE 模式，检查是否支持 64-bit 页表。
  1. 计算 PHYS_OFFSET
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adr r3, 2f
ldmia r3, {r4, r8}
sub r4, r3, r4
add r8, r8, r4
  • 通过位置无关代码计算 物理偏移量，用于页表映射。
  • 如果 CONFIG_XIP_KERNEL（执行在闪存），则直接 ldr r8, =PHYS_OFFSET。
  1. 验证传入参数
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bl __vet_atags       @ 检查 ATAGs 或 Device Tree
#ifdef CONFIG_SMP_ON_UP
bl __fixup_smp       @ 单核系统伪 SMP 修复
#endif
#ifdef CONFIG_ARM_PATCH_PHYS_VIRT
bl __fixup_pv_table  @ 修正物理/虚拟基址差异
#endif
  • 检查 启动参数有效性（machine ID, atags/dtb）。
  • 如果是单核系统 + SMP 配置，做补丁。
  • 修补物理/虚拟地址差异。
  1. 创建启动页表
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bl __create_page_tables
  • 这是关键步骤，创建初始页表，映射：
    • identity mapping：物理地址映射到相同的虚拟地址（用于开启 MMU）
    • 内核虚拟基地址 (0xC0000000) 映射到物理地址
    • UART IO 区域（如果开启 DEBUG_LL）
  • 进入 __create_page_tables 的逻辑：
    • 分配页表内存 (pgtbl)
    • 清空页表
    • identity map 启动代码区域（__turn_mmu_on）
    • 映射内核代码区域 [KERNEL_START, KERNEL_END)
    • 映射 boot 参数区（ATAGs 或 DTB）
    • 如果 DEBUG_LL：映射 UART 寄存器地址
    • 返回页表基地址（r4）
  1. 初始化 CPU
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ldr r13, =__mmap_switched   @ MMU 打开后跳转地址
adr lr, BSYM(1f)            @ 返回地址
mov r8, r4                  @ 设置页表基地址
ARM( add pc, r10, #PROCINFO_INITFUNC )
  • 调用 CPU 特定初始化代码（在 arch/arm/mm/proc-*.S）。
  • 初始化完成后返回，准备打开 MMU。
  1. 打开 MMU
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b __enable_mmu
  • __enable_mmu：
    • 配置 域访问控制寄存器（domain access control）
    • 设置页表基地址（TTBR）
    • 修改 CP15 控制寄存器（r0），打开 MMU（bit 0），可能还打开缓存。

然后执行：

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b __turn_mmu_on
  • __turn_mmu_on：
    • 写 CP15 控制寄存器，开启 MMU
    • 切换 PC 到 __mmap_switched（位于高地址 0xC0000000 区域）
    • 从此开始，虚拟地址生效。
  1. __mmap_switched（MMU 打开后的第一步）
  • 这个在 arch/arm/kernel/head-common.S，作用：
    • 它完成从低级引导环境到C 语言内核环境的最后过渡，设置栈指针到内核栈, 清空 .bss, 确保内存布局、栈和关键变量正确，然后跳转到 start_kernel()。
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/*
 * __mmap_switched:
 *  - MMU 已开启后执行的第一段代码
 *  - 作用：完成 .data 段拷贝、.bss 清零、设置栈、保存启动参数，然后跳到 start_kernel()
 */
__mmap_switched:
    adr     r3, __mmap_switched_data        @ r3 <- __mmap_switched_data 表虚拟地址

    /* ---------------------------------------------------------
     * 1. 复制 .data 段（如果物理地址 != 虚拟地址）
     * 从 r3 中加载 4 个地址：__data_loc, _sdata, __bss_start, _end
     * --------------------------------------------------------- */
    ldmia   r3!, {r4, r5, r6, r7}           @ r4=__data_loc, r5=_sdata, r6=__bss_start, r7=_end
    cmp     r4, r5                          @ 比较 __data_loc 和 _sdata
1:  cmpne   r5, r6                          @ 如果 .data 还没拷贝完并且不等于 .bss 开始
    ldrne   fp, [r4], #4                    @ 从源地址(r4)加载一个字（递增4）
    strne   fp, [r5], #4                    @ 存到目标地址(r5)，并递增
    bne     1b                              @ 如果还没结束，继续循环

    /* ---------------------------------------------------------
     * 2. 清零 .bss 段（__bss_start 到 _end）
     * --------------------------------------------------------- */
    mov     fp, #0                          @ fp 清零，用于写入
1:  cmp     r6, r7                          @ 比较当前位置和 _end
    strcc   fp, [r6],#4                     @ 如果 r6 < r7，则写 0 并递增
    bcc     1b                              @ 继续循环直到 r6 >= r7

    /* ---------------------------------------------------------
     * 3. 加载全局变量地址 + 设置栈
     * 从表中再加载 5 个值：processor_id, machine_arch_type, atags_pointer, cr_alignment, sp
     * --------------------------------------------------------- */
ARM(    ldmia   r3, {r4, r5, r6, r7, sp}    )   @ ARM 模式直接加载5个寄存器
THUMB(  ldmia   r3, {r4, r5, r6, r7}        )   @ Thumb 模式先加载4个
THUMB(  ldr     sp, [r3, #16]               )   @ Thumb 再单独加载栈指针

    /* ---------------------------------------------------------
     * 4. 保存启动参数到全局变量
     * r9=CPU ID, r1=Machine ID, r2=atags/dtb 指针
     * --------------------------------------------------------- */
    str     r9, [r4]                        @ 保存 processor_id
    str     r1, [r5]                        @ 保存 machine_arch_type
    str     r2, [r6]                        @ 保存 atags/dtb pointer

    /* ---------------------------------------------------------
     * 5. 保存 CP15 控制寄存器值
     * r0 中存的是 CP15 控制寄存器（MMU 等）
     * CR_A 位是 Alignment fault enable，通常清掉
     * --------------------------------------------------------- */
    bic     r4, r0, #CR_A                   @ r4 = r0 去掉 Alignment 位
    stmia   r7, {r0, r4}                    @ 保存 r0 和 r4 到 cr_alignment 区

    /* ---------------------------------------------------------
     * 6. 跳转到 C 语言内核入口
     * --------------------------------------------------------- */
    b       start_kernel                    @ 进入 start_kernel() （init/main.c）
ENDPROC(__mmap_switched)

/*
 * __mmap_switched_data 表：
 * 提供初始化所需的虚拟地址（因为 MMU 已开启）
 */
__mmap_switched_data:
    .long   __data_loc                      @ r4：物理 .data 起始地址
    .long   _sdata                          @ r5：虚拟 .data 起始地址
    .long   __bss_start                     @ r6：.bss 起始地址
    .long   _end                            @ r7：内核结束地址
    .long   processor_id                    @ 保存 CPU ID 的地址
    .long   __machine_arch_type             @ 保存机器 ID 的地址
    .long   __atags_pointer                 @ 保存 atags/dtb 指针的地址
    .long   cr_alignment                    @ 保存 CP15 控制寄存器值的地址
    .long   init_thread_union + THREAD_START_SP @ 栈指针地址
    .size   __mmap_switched_data, . - __mmap_switched_data
  1. 进入 __mmap_switched
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__mmap_switched:
    adr r3, __mmap_switched_data
  • adr r3, __mmap_switched_data：获取 __mmap_switched_data 表的虚拟地址（因为 MMU 已开启，现在是虚拟地址访问）。
  1. 复制 .data 段
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ldmia   r3!, {r4, r5, r6, r7}   // 从表中读取4个值：__data_loc, _sdata, __bss_start, _end
cmp     r4, r5                  // 比较 __data_loc 和 _sdata
1:  cmpne   r5, r6
    ldrne   fp, [r4], #4
    strne   fp, [r5], #4
    bne     1b

含义：

  • r4 = __data_loc：物理内存中 .data 的位置
  • r5 = _sdata：虚拟地址 .data 段起始位置
  • r6 = __bss_start：.bss 段开始
  • r7 = _end：内核镜像结束位置

循环：如果 .data 的物理位置和虚拟位置不同（XIP 或 relocate），复制 .data 段内容到正确位置。

  1. 清零 BSS
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mov fp, #0              @ 清零寄存器 fp
1:  cmp r6, r7
    strcc fp, [r6],#4
    bcc 1b
  • 把 .bss 段清零（即 __bss_start 到 _end）。
    • 原因：C 语言要求未初始化全局变量为 0。
  1. 加载保存关键变量的地址
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ARM(   ldmia  r3, {r4, r5, r6, r7, sp})
THUMB( ldmia  r3, {r4, r5, r6, r7} )
THUMB( ldr    sp, [r3, #16] )
  • 现在 r3 指向 __mmap_switched_data 的剩余部分：
    • r4 = processor_id 地址
    • r5 = __machine_arch_type 地址
    • r6 = __atags_pointer 地址
    • r7 = cr_alignment 地址
    • sp = init_thread_union + THREAD_START_SP（设置栈指针）
  1. 保存启动参数
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str r9, [r4]    @ processor_id = r9
str r1, [r5]    @ machine_arch_type = r1
str r2, [r6]    @ atags/dtb pointer = r2
  • 把早期保存的 CPU ID（r9）、机器类型（r1）、atags/dtb 地址（r2）存到全局变量。
  • 这样 start_kernel() 就可以用这些数据。
  1. 保存控制寄存器值
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bic r4, r0, #CR_A
stmia r7, {r0, r4}      @ 保存 CP15 control register 值

r0 是 CP15 控制寄存器值（MMU、Cache 状态）。
清掉 CR_A（Alignment fault enable），保存两个版本：
r0 原始值
r4 去掉 Alignment bit 的值

  1. 跳转到 C 语言世界
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b start_kernel

  • 直接跳到 start_kernel()（init/main.c），进入 Linux C 初始化。

  • __mmap_switched_data表

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__mmap_switched_data:
    .long   __data_loc          @ r4
    .long   _sdata              @ r5
    .long   __bss_start         @ r6
    .long   _end                @ r7
    .long   processor_id        @ 保存 CPU ID 的地址
    .long   __machine_arch_type @ 保存机器 ID
    .long   __atags_pointer     @ 保存启动参数地址
    .long   cr_alignment        @ 保存 CP15 控制寄存器值
    .long   init_thread_union + THREAD_START_SP @ sp
  • 这个表提供了所有初始化需要的虚拟地址，因为现在 MMU 打开了，可以直接使用虚拟地址。

总结：__mmap_switched 主要干的事
✔ 复制 .data 段（如果需要）
✔ 清零 .bss 段
✔ 设置栈指针（SP）
✔ 保存 CPU ID、Machine ID、ATAGS/DTB 地址到全局变量
✔ 保存 CP15 控制寄存器值
✔ 跳转到 start_kernel() 进入 C 世界

linux内核启动流程分析1

https://goko-son626.github.io/post/kernel.html

作者

GoKo Mell

发布于

2024-10-10

更新于

2025-09-11

许可协议

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