Linux内核源码分析--内核启动之(3)Image内核启动(C语言部分)（Linux-3.0 ARMv7）【转】...-白红宇

Linux内核源码分析--内核启动之(3)Image内核启动(C语言部分)（Linux-3.0 ARMv7）【转】...

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发布时间：2019-06-18

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在构架相关的汇编代码运行完之后，程序跳入了构架无关的内核C语言代码：init/main.c中的start_kernel函数，在这个函数中Linux内核开始真正进入初始化阶段，

下面我就顺这代码逐个函数的解释，但是这里并不会过于深入每个函数，因为这样就会只见树木，不见森林。分析代码首先要从构架上宏观地理解，然后再去考虑细节问题（这和小时候学语文要概括中心思想和段落大意是一个道理）。今后对于每个子系统的初始化，特别是内存子系统，有空都会分析一遍。

asmlinkage void __init start_kernel(void)

{

char * command_line;

extern const struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];

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1. 这里关键是这两个变量的地址是如何确定的。
2. 这两个变量为地址指针，指向内核启动参数处理相关结构体段在内存中的位置（虚拟地址）。
3. 这里是外部变量，定义的位置在arch/../../vmlinux.lds.S，而大多数平台是放到kernel\include\asm-generic\vmlinux.lds.h中，定义如下：
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  362 /* 内建模块的参数处理段. */ \
  
  363 __param : AT(ADDR(__param) - LOAD_OFFSET) { \
  
  364 VMLINUX_SYMBOL(__start___param) = .; \
  
  365 *(__param) \
  
  366 VMLINUX_SYMBOL(__stop___param) = .; \
  
  367 }
5. 对于ARM平台，似乎位于 kernel\include\asm-generic\vmlinux.lds.h
7. 这个段中数据的数据结构：
8. kernel_param结构体的定义是：
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36 struct kernel_param_ops {

37 /* Returns 0, or -errno. arg is in kp->arg. */

38 int (*set)(const char *val, const struct kernel_param *kp);

39 /* Returns length written or -errno. Buffer is 4k (ie. be */

40 int (*get)(char *buffer, const struct kernel_param *kp);

41 /* Optional function to free kp->arg when module unloaded. */

42 void (*free)(void *arg);

43 };

44

45 /* Flag bits for kernel_param.flags */

46 #define KPARAM_ISBOOL 2

47

48 struct kernel_param {

49 const char *name;

50 const struct kernel_param_ops *ops;

51 u16 perm;

52 u16 flags;

53 union {

54 void *arg;

55 const struct kparam_string *str;

56 const struct kparam_array *arr;

57 };

58 };

59

60 /* Special one for strings we want to copy into */

61 struct kparam_string {

62 unsigned int maxlen;

63 char *string;

64 };

65

66 /* Special one for arrays */

67 struct kparam_array

68 {

69 unsigned int max;

70 unsigned int elemsize;

71 unsigned int *num;

72 const struct kernel_param_ops *ops;

73 void *elem;

74 };

smp_setup_processor_id();

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1. 这个函数是针对SMP处理器的，经查阅资料，其作用是获取当前CPU的的硬件ID。
2. 如果不是多处理器构架，在其他文件中就不会定义这个函数，此时使用本文件定义的弱引用函数：
3. void __init __weak smp_setup_processor_id(void)
4. {
5. }

* 必须尽早运行这个程序, 作用是初始化

* lockdep 模块的hash表:

lockdep_init();

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1. lockdep是一个内核调试模块，用来检查内核互斥机制（尤其是自旋锁）潜在的死锁问题。
3. 由于自旋锁以查询方式等待，不释放处理器，比一般互斥机制更容易死锁，故引入lockdep检查以下几种可能的死锁情况：
- 同一个进程递归地加锁同一把锁；
- 一把锁既在中断（或中断下半部）使能的情况下执行过加锁操作，又在中断（或中断下半部）里执行过加锁操作。这样该锁有可能在锁定时由于中断发生又试图在同一处理器上加锁；
- 加锁后导致依赖图产生成闭环，这是典型的死锁现象。

debug_objects_early_init();

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1. 在启动早期初始化hash buckets 和链接静态的 pool objects对象到 poll 列表. 在这个调用完成后 object tracker 已经开始完全运作了.

* 初始化栈canary值:

boot_init_stack_canary();

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1. canary值的是用于防止栈溢出攻击的堆栈的保护字 。
3. 参考资料：

cgroup_init_early();

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1. cgroup: 它的全称为control group.即一组进程的行为控制.
2. 该函数主要是做数据结构和其中链表的初始化
3. 参考资料：

local_irq_disable();

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1. 关闭系统总中断（底层调用汇编指令）

early_boot_irqs_disabled = true;

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1. 设置系统中断的关闭标志（bool全局变量）

* 中断依然被禁用。做必要的设置后，

* 再使能它

tick_init();

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1. 初始化内核时钟系统
2. -->clockevents_register_notifier(&tick_notifier)
3. 往内核通知链中注册内核时钟时间的通知函数
5. 参考资料：《》《》

boot_cpu_init();

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1. 激活当前CPU（在内核全局变量中将当前CPU的状态设为激活状态）
2. 参考资料：《》

page_address_init();

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1. 高端内存相关，未定义高端内存的话为空函数

printk(KERN_NOTICE "%s", linux_banner);

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1. 打印内核版本信息，也就是平时我们在内核启动时在串口中看到的：
2. Linux version 2.6.37+ (tekkaman@tekkaman-desktop) (gcc version 4.3.3 (Sourcery G++ Lite 2009q1-203) ) #40 Tue Mar 20 17:49:58 CST 2012

setup_arch(&command_line);

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1. 内核构架相关初始化函数,可以说是非常重要的一个初始化步骤。其中包含了处理器相关参数的初始化、内核启动参数（tagged list）的获取和前期处理、内存子系统的早期的初始化（bootmem分配器）。
2. 对于ARM构架来说，这个函数位于：arch/arm/kernel/setup.c
3. 以后会详细分析这个函数。

mm_init_owner(&init_mm, &init_task);

mm_init_cpumask(&init_mm);

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1. 初始化代表内核本身内存使用的管理结构体init_mm。
2. ps：每一个任务都有一个mm_struct结构以管理内存空间，init_mm是内核的mm_struct，其中：
3. 设置成员变量* mmap指向自己，意味着内核只有一个内存管理结构;
4. 设置* pgd=swapper_pg_dir，swapper_pg_dir是内核的页目录(在arm体系结构有16k，所以init_mm定义了整个kernel的内存空间)。
5. 这些内容涉及到内存管理子系统，以后再仔细分析。

setup_command_line(command_line);

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1. 对cmdline进行备份和保存：
3. /* 为处理的command line备份 (例如eg. 用于 /proc) */
4. char *saved_command_line;
5. /* 用于参数处理的command line */
6. static char *static_command_line;

setup_nr_cpu_ids();

setup_per_cpu_areas();

smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot-cpu hooks */

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1. 针对SMP处理器的内存初始化函数，如果不是SMP系统则都为空函数。
2. 他们的目的是给每个CPU分配内存，并拷贝.data.percpu段的数据。为系统中的每个CPU的per_cpu变量申请空间并为boot CPU设置一些数据。
3. 在SMP系统中，在引导过程中使用的CPU称为boot CPU

build_all_zonelists(NULL);

page_alloc_init();

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1. 设置内存管理相关的node（节点，每个CPU一个内存节点）和其中的zone（内存域，包含于节点中，如）数据结构,以完成内存管理子系统的初始化，并设置bootmem分配器。
2. page_alloc_init函数暂时不知其目的

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);

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打印从内核启动参数中获取的cmdline字符串。

解析cmdline中的启动参数。

* 使用大量bootmem分配，且必须先于

* kmem_cache_init()

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1. 以上注释的含义在于bootmem是内核启动时使用的临时内存分配器。之后由slab接替。
2. kmem_cache_init()初始化了内核高速缓存分配器（slab分配器），这个函数标标志着bootmem的终结，同时内核的内存管理系统正式启用了。
3. 所以在kmem_cache_init()之后，bootmem的API不再可用，所以bootmem分配必须先于kmem_cache_init()。

setup_log_buf(0);

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1. 使用bootmem分配一个记录启动信息的缓存区

pidhash_init();

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1. 使用bootmem分配并初始化PID散列表，由PID分配器管理空闲和已指派的PID

vfs_caches_init_early();

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1. 前期VFS缓存初始化

sort_main_extable();
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1. 对内核异常表（ exception table ）按照异常向量号大小进行排序。

trap_init();
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1. 对内核陷阱异常进行初始化，在ARM构架中为空函数。

mm_init();
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1. 初始化内核内存分配器，其包含6个子函数，作用如下：
2. 1、page_cgroup_init_flatmem(); 获取page_cgroup 所需内存
3. 2、mem_init(); 关闭并释放bootmem分配器，打印内存信息。在内核启动时看到的类似如下信息，就是其子函数mem_init输出的：
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  Memory: 86MB 39MB = 125MB total
  
  Memory: 120768k/120768k available, 99392k reserved, 0K highmem
  
  Virtual kernel memory layout:
  
  vector : 0xffff0000 - 0xffff1000 ( 4 kB)
  
  fixmap : 0xfff00000 - 0xfffe0000 ( 896 kB)
  
  DMA : 0xffc00000 - 0xffe00000 ( 2 MB)
  
  vmalloc : 0xde800000 - 0xf8000000 ( 408 MB)
  
  lowmem : 0xc0000000 - 0xde400000 ( 484 MB)
  
  pkmap : 0xbfe00000 - 0xc0000000 ( 2 MB)
  
  modules : 0xbf000000 - 0xbfe00000 ( 14 MB)
  
  .init : 0xc0008000 - 0xc003b000 ( 204 kB)
  
  .text : 0xc003b000 - 0xc04c0000 (4628 kB)
  
  .data : 0xc04c0000 - 0xc0501a80 ( 263 kB)
5. 3、kmem_cache_init(); 初始化slab分配器
6. 4、percpu_init_late(); PerCPU变量系统后期初始化
7. 5、pgtable_cache_init();页表缓存初始化，对于ARM，“介是一个空函数”
8. 6、vmalloc_init();初始化虚拟内存分配器

* 在开启任何中断(比如定时器中断)前设置调度器。

* 完整的拓扑设置发生在smp_init()中

* -但与此同时，我们仍然有一个正常运作的调度器。

sched_init();
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1. 初始化调度器数据结构，并创建运行队列

* 禁用强占 - 早期启动时的调度是极为脆弱的，

* 直到cpu_idle()的首次运行。

preempt_disable();

if (!irqs_disabled()) {

printk(KERN_WARNING "start_kernel(): bug: interrupts were "

"enabled *very* early, fixing it\n");

local_irq_disable();

}
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1. 在启动的初期关闭抢占和中断。

idr_init_cache();

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1. 为IDR机制分配缓存，主要是为struct idr_layer结构体分配空间
2. 参考资料：

perf_event_init();

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1. CPU性能监视机制初始化
2. 此机制包括CPU同一时间执行指令数，cache miss数，分支预测失败次数等性能参数

rcu_init();
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1. 内核RCU（Read-Copy Update：读取-复制-更新）机制初始化

radix_tree_init();
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1. 内核radix树算法初始化

/* 在init_ISA_irqs()之前初始化一些链接 */

early_irq_init();

init_IRQ();
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1. 硬件中断系统初始化：
3. early_irq_init();前期外部中断描述符初始化，主要初始化数据结构。
5. init_IRQ;对应构架特定的中断初始化函数，在ARM构架中：
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  void __init init_IRQ(void)
  
  {
  
  machine_desc->init_irq();
  
  }
7. 也就是运行设备描述结构体中的init_irq函数，此函数一般在板级初始化文件（arch/*/mach-*/board-*.c）中定义。

prio_tree_init();
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1. 初始化内核基于radix数的优先级搜索树（PST），主要是对其结构体进行初始化。

init_timers();

hrtimers_init();

softirq_init();

timekeeping_init();

time_init();
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1. 以上几个函数主要是初始化内核的软中断及时钟机制：
3. 前面几个函数主要是注册一些内核通知函数到cpu和hotcpu通知链，并开启部分软中断（tasklet等）。
5. 最后的time_init是构架相关的，旨在开启一个硬件定时器，开始产生系统时钟。对于ARM构架：
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  void __init time_init(void)
  
  {
  
     system_timer = machine_desc->timer;
  
     system_timer->init();
  
  #ifdef CONFIG_HAVE_SCHED_CLOCK
  
     sched_clock_postinit();
  
  #endif
  
  }
7. 其实就是调用板级初始化文件（arch/arm/mach-*/board-*.c）中定义“设备描述结构体”中的timer成员的初始化函数。