Linux kernel 启动流程分析2_bootm 0x8000-优快云博客

Linux kernel 启动流程分析2 ---基本概述

一、kernel启动准备动作

1.1、加载内核镜像到 DDR

在嵌入式系统中，常见的步骤如下：

U-Boot：一个引导加载程序，用于加载和启动内核。U-Boot 通常会从闪存中（如 NAND、eMMC 或 SPI Flash）加载内核映像，并将其复制到 DDR（动态随机存取存储器）中执行。
Kernel Image：内核镜像（通常是压缩格式，如 zImage 或经过 uboot 包装的 uImage），需要在启动时加载到 RAM（通常是 DDR）并解压缩。
启动过程：在 U-Boot 中，将内核镜像加载到 DDR 后，启动内核。

这里描述的过程假设你使用的是 U-Boot 和 Linux 系统。U-Boot 是嵌入式系统中常用的引导加载程序，它负责从存储设备（如 NAND、eMMC、SD 卡等）读取内核映像，并将其加载到内存中。

1. 设置内存映射

首先，需要确保系统的 DDR 内存已经被正确初始化。在 U-Boot 中，通常会看到类似的设置：

# 设定 DDR 起始地址，通常由硬件平台决定
setenv bootargs 'mem=512M'

2. 加载内核镜像

假设内核镜像存放在存储设备（如 SD 卡或 SPI Flash）中，你可以使用 U-Boot 来加载内核镜像。首先，设置相应的存储设备和文件路径，然后将内核镜像加载到 DDR。

SD卡 存储的内核镜像：

```
# 设定存储设备和路径
mmc dev 0  # 选择 SD 卡设备
load mmc 0:1 0x80008000 /boot/zImage  # 将 zImage 加载到 DDR 的 0x80008000 地址
```
其中：
- mmc dev 0：选择 SD 卡设备（0 是设备编号）。
- load mmc 0:1 0x80008000 /boot/zImage：从 SD 卡的第一个分区（0:1）加载内核镜像 zImage 到 DDR 的 0x80008000 地址。
SPI Flash 存储的内核镜像：

# 设定 SPI Flash 的设备和路径
sf probe 0  # 初始化 SPI Flash
load spi 0:0 0x80008000 /boot/zImage  # 将内核镜像从 SPI Flash 加载到 DDR

其中：

sf probe 0：初始化 SPI Flash。
load spi 0:0 0x80008000 /boot/zImage：从 SPI Flash 加载内核到 DDR 的地址 0x80008000。

3. 解压并启动内核

对于 zImage（压缩内核），U-Boot 会自动解压它。加载内核镜像后，U-Boot 将执行内核并启动它。

启动内核：

```
# 启动内核
bootm 0x80008000
```
其中：
- bootm 0x80008000：启动加载在 0x80008000 地址处的内核镜像。U-Boot 会识别这是一个内核镜像并开始启动。

对于 uImage（包含头部和校验和的压缩内核），你可以使用 bootm 命令加载并启动它：

加载并启动 uImage：

load mmc 0:1 0x80008000 /boot/uImage
bootm 0x80008000

4. 配置启动参数

除了加载内核镜像外，U-Boot 还会配置内核启动参数。例如，你可以设置 bootargs 变量，指定根文件系统的位置、设备等信息：

setenv bootargs 'console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw'

这会将内核启动时的命令行参数设置为：

console=ttyS0,115200：设置串口终端（ttyS0）和波特率（115200）。
root=/dev/mmcblk0p2：设置根文件系统的设备（例如 SD 卡的第二个分区）。
rw：根文件系统以读写模式挂载。

1.2、硬件要求

根据arch/arm/kernel/head.S的stext（kernel的入口函数）的注释头

/*
 * 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, r2 = atags or dtb pointer.

所以有如下要求

* MMU = off

MMU用来处理物理地址到虚拟内存地址的映射，因此需要软件上需要先配置其映射表（也就是后续文章会说明的页表）。MMU关闭的情况下，CPU寻址的地址都是物理地址，也就是不需要经过转化直接访问相应的硬件。一旦打开之后，CPU寻址的所有地址都是虚拟地址，都会经过MMU映射到真正的物理地址上，即使你在代码中访问的是一个物理地址，也会被当作虚拟内存地址使用。
而映射表是由kernel自己创建的，因此，在创建映射表之前kernel访问的地址都是物理地址，所以必须保证MMU是关闭状态。

* D-cache = off

CACHE是CPU和内存之间的高速缓冲存储器，又分成数据缓冲器D-cache和指令缓冲器I-cache。具体意义这里不多说明。
数据Cache一定要关闭，否则可能kernel刚启动的过程中，去取数据的时候，从Cache里面取，而这时候RAM中数据还没有Cache过来，导致数据预取异常。
自己的理解是，假设打开MMU之前，cache上存了一个项“地址0x20000000、数据0xffff0000”,打开MMU之后，读取0x20000000地址上（虚拟地址）数据，但是此时会直接从cache中读到项“地址0x20000000、数据0xffff0000”，但实际上对应物理地址上的数据并不是这个，所以会导致读取的数据错误。

* r0 = 0

硬性规定r0寄存器为0，没有什么意义。

* r1 = machine nr

r1寄存器里面存放machine ID。

* r2 = atags or dtb pointer

r2寄存器里面存放atags或者dtb的地址指针。

1.3、跳转到kernel镜像入口的对应位置

bootloader需要通过设置PC指针到kernel的入口代码处（也就是kernel的加载位置）来实现kernel的跳转。

二、kernel启动过程入口说明

2.1、kernel入口地址的指定

arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S中

ENTRY(stext)

所以kernel启动的入口代码位于arch/arm/kernel/head.S。
这里也是我们后续要分析kernel启动流程的核心代码部分。

2.2、kernel入口地址

* 连接地址，通过System.map查看，可以看到stext的连接地址是0xc0008000

c0008000 T stext

加载地址，因为uboot把kernel加载到0x20008000的位置上，所以kernel的入口是0x20008000
根据连接脚本，stext是作为kernel的入口（上述一），所以stext就在kernel镜像的起始位置上，所以stext的加载地址应该0x20008000。

三、kernel启动的两个阶段说明

kernel在启动初期主要分成两个阶段。

3.1、第一阶段：从入口跳转到start_kernel之前的阶段。

对应代码arch/arm/kernel/head.S中stext的实现：

ENTRY(stext)

这个阶段主要由汇编语言实现。
这个阶段主要负责MMU打开之前的一些操作，以及打开MMU的操作。
由于这个阶段MMU还没有打开，并且kernel加载地址和连接地址并一致，所以需要使用位置无关设计。在运行过程中运行地址和加载地址一致（如果不明白的话建议先参考一下《[kernel 启动流程] 前篇——vmlinux.lds分析》）。
其主要流程如下：
* 设置为SVC模式，关闭所有中断
什么是SVC模式？为什么要设置成SVC模式？
如何关闭所有中断？为什么要关闭所有中断呢？

@ ensure svc mode and all interrupts masked
safe_svcmode_maskall r9

参考[kernel 启动流程] （第二章）第一阶段之——设置SVC、关闭中断
* 获取CPU ID，提取相应的proc info
从哪里去提取proc_info?
proc_info里面存放了什么东西？这里面的数据结构应该是很重要所以才有必要在打开MMU前就去获取。

    mrc p15, 0, r9, c0, c0      @ get processor id
    bl __lookup_processor_type     @ r5=procinfo r9=cpuid
    movs    r10, r5             @ invalid processor (r5=0)?
THUMB( it eq )        @ force fixup-able long branch encoding
    beq __error_p           @ yes, error 'p'

* 验证tags或者dtb
如何验证dtb的有效性？

bl __vet_atags

参考[kernel 启动流程] （第四章）第一阶段之——dtb的验证
* 创建临时内核页表的页表项
页表项的作用？基础知识？和MMU之间的关系？
*要为哪些内存区域创建页表项？为什么？

bl __create_page_tables

参考[kernel 启动流程] （第五章）第一阶段之——临时内核页表的创建
* 配置r13寄存器，也就是设置打开MMU之后要跳转到的函数。
为什么要在打开MMU之前配置呢

ldr r13, =__mmap_switched @ address to jump to after
@ mmu has been enabled

使能MMU

如何使能MMU？
swapper_pg_dir变量？

    ldr    r12, [r10, #PROCINFO_INITFUNC]
    add    r12, r12, r10
    ret    r12
1:    b    __enable_mmu

* 跳转到start_kernel
如何跳转到start_kernel?

分析代码的时候可以结合上述疑问去进行分析。
后续分析启动代码的过程中会针对上述流程和疑问进行文档整理。

3.2、第二阶段：start_kernel开始的阶段。

这个阶段主要由C语言实现。
kernel启动流程中剩余的操作都是这里实现。

四、举例说明

1. 使用 uImage 格式的内核镜像

U-Boot 环境配置

对于 uImage 格式的内核镜像，U-Boot 的操作流程通常如下：

选择 SD 卡并加载内核镜像：

假设内核镜像 uImage 存放在 SD 卡的第一个分区（mmc 0:1），并将其加载到 DDR 中：

mmc dev 0  # 选择 SD 卡设备
load mmc 0:1 0x80008000 /boot/uImage  # 将 uImage 加载到 DDR 地址 0x80008000

加载设备树（可选）：

如果使用设备树，你还需要加载设备树文件（例如 rk3568.dtb）：

load mmc 0:1 0x88000000 /boot/rk3568.dtb  # 将设备树文件加载到 DDR 地址 0x88000000

设置启动参数：

配置内核启动参数，例如：

setenv bootargs 'console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw'

启动内核：

最后，使用 bootm 命令启动内核：

```
bootm 0x80008000 - 0x88000000  # 启动内核镜像，指定设备树地址
```
- 0x80008000 是内核镜像 uImage 在 DDR 中的加载地址。
- 0x88000000 是设备树文件 rk3568.dtb 的地址。

U-Boot 流程

在 U-Boot 中，bootm 命令会自动解压缩 uImage，并启动内核。启动流程如下：

U-Boot 从 SD 卡加载 uImage。
U-Boot 解压 uImage（如果是压缩内核）并将其加载到 DDR。
启动内核并传递启动参数。

2. 使用 FIT (Flattened Image Tree) 格式的内核镜像

FIT 格式是一种更灵活的内核映像格式，包含多个内核、设备树、RAMdisk 和其他信息。FIT 格式的优点是能够将所有的启动资源（如内核、设备树、RAMdisk）打包到一个文件中，U-Boot 会解析该文件并加载相应的部分。

FIT 文件结构

一个典型的 FIT 文件结构可能包含：

内核镜像（kernel）
设备树（fdt）
RAMdisk（ramdisk，可选）
启动命令等。

U-Boot 环境配置

对于 FIT 文件，U-Boot 会解析 FIT 文件中的各个部分，并加载相应的内核、设备树和其他组件。以下是基本的配置和流程：

选择 SD 卡并加载 FIT 文件：

假设 FIT 文件名为 rk3568-fit.itb，存储在 SD 卡的第一个分区：

mmc dev 0  # 选择 SD 卡设备
load mmc 0:1 0x80008000 /boot/rk3568-fit.itb  # 将 FIT 文件加载到 DDR 地址 0x80008000

加载设备树：

在 FIT 文件中，设备树通常与内核一起存储。U-Boot 会自动从 FIT 文件中提取设备树。因此，通常不需要单独加载设备树。
设置启动参数：

设置内核启动参数：

setenv bootargs 'console=ttyS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw'

启动内核：

启动 FIT 文件：

```
bootm 0x80008000  # 启动 FIT 文件
```

FIT 启动流程

在使用 FIT 文件时，U-Boot 会按照以下流程启动：

U-Boot 从 SD 卡加载 FIT 文件。
U-Boot 解析 FIT 文件，并从中提取内核镜像和设备树。
启动内核并传递启动参数。

3. U-Boot 配置细节

U-Boot 配置文件：你可以通过修改 include/configs/rk3568.h 或 include/configs/rk3568_defconfig 配置文件来调整 U-Boot 的行为。例如，配置 SD 卡设备的引导方式，指定 FIT 文件或 uImage 文件的位置等。
内核配置：确保 Linux 内核配置正确，能够支持 RK3568 平台，并且支持你选择的镜像格式（uImage 或 FIT）。
启动流程调试：如果遇到启动问题，可以通过 U-Boot 的 printenv 和 env 命令查看和调整环境变量。