Linux Kernel 開機大追蹤

前言

多年之前大家都在談論所謂後PC時代，在當時大家無法很確定什麼是後PC時代，在今天因為智慧型手機及平板電腦的興起，己使大家可以很清楚地了解什麼是後PC時代，就是嵌入式系統，而在這些嵌入式系統中，會需要一個作業系統，而Linux的免費，以及它的穩定、open source code、Linux 已成為現在嵌入式首選的作業系統，也因此現在已有越來越多人投入開發。通常若要了解一個作業作統，可以從其開機流程來了解，若清楚地了解其開機流程程，將有助於你了解整個作業系統。

Kernel原始碼

Linux將其所有的程式碼全部公開，用以讓所有世界高手來修改，其實你可以將其視做一個framework的原始碼，所以你若了解其原始碼目錄的擺放將會有助於你開發的速度。以下是kernel source code根目錄的內容：

圖一Linux Kernel source code根目錄

其中幾個比較重要的目錄說明如下：

• arch

這是一個HAL層的原始碼，和CPU以及各個板子有關，通常這部分會由CPU廠商所提供，另外程式起始包含在這裏面，後面將會給予說明。

• drivers

這是各個元件的驅動元件，而各個元件的驅動程式，將會依照各分門別類給予不同的目錄而放置。

• mm

這是有關記憶體管理的部分程式碼，這部分是和硬件無關的程式，其底層則是呼叫HAL層的程式碼，而這部分則是前面所提的arch目錄。

• fs

在這個目錄所放置的則是各種檔案系統的程式，通常檔案系統和硬體沒有關係，而其底層的IDE或者SCSI等等則是放在前面所提的driver目錄之中。對於各種的虛擬檔案系統也是在這裏。

• kernel

這是系統微核心的地方，而這部分通常和硬體無關，排程的管理也是在這裏。

• net

有關各種網路協定的實做，都在這裏，從網路的link層至應用層都在這裏，以及和應用程式之間的socket層介面也是在此目錄中。

• include

kernel中用到C和組合語言的include file放在這個目錄。

• init

這是系統開機時的初始化動作，這會呼叫arch之下以及各個driver的初始化動作。

Kernel編譯模式

我們在編譯kernel有兩種模式可以產生，一種是有壓縮的形式，這種形式檔案會較小很多，但是在啓動時會先做自我解壓縮，這樣會造成開機時會較慢一點，另外一種是直接產生一個binary (位元)檔，這是一個kernel的執行檔，這個檔案會大很多，但其實就是前一種解壓縮完之後的內容。如何編譯這兩種kernel呢? 其實很簡單，若要產生壓縮的程式碼，在根目錄執行 ’make zImage’就可以了，它會產生一個檔案 zImage ，放在目錄arch/arm/boot之內，另外要產生沒有壓縮的kernel執行 ’make linux’就可以了，而其產生的檔名為 vmlinux 在原始檔的根目錄之下，最後要說明的是要產生壓縮的 zImage 一定會先產生沒有壓縮的 vmlinux，再由其做壓縮成 zImage。

自我解壓縮

壓縮的zImage檔其前面有一個自我解壓縮的程式碼，這段程式碼在arch/arm/boot/compressed目錄之內，第一個執行的程式為該目錄之下的head.S，原則上bootloader可以傳遞參數給kernel，它將透過暫存器r1及r2來傳送，其中r1是CPU的ID，這個值其實是由CP15的指令所讀來的，而r2則是存於一些tag的指標位置，通常在embedded系統中我們都會省略而不使用。這是一小段解壓縮的程式碼，它可以放在記憶中任何位置來執行，也就是為independent code，其實它是將kernel壓縮後利用linker及objdump公用程式，將其結合成為一個可執行檔或者是firmware，其實是將壓縮過的核心程式當做是資料和head.S的程式結合在一起，另外值得一提的是，這個解壓縮程式可放在記憶體中任何位置執行，所以它會自動判別解壓縮後的程式是否會覆蓋自己而給予避開。

第一個指令

如果是有壓縮的第一個指令如前所提的，放在arch/arm/boot/compressed/head.S，若不是壓縮檔則是放在arch/arm/kernel/head.S之內，應該說這才是真正kernel的第一個指令，一樣的在解壓縮之後會將bootloader所傳送過來的r1 & r2暫存器原封不動的再傳給kernel，而 r1 則是傳遞 CPU 的代碼，而kernel則會使用cp15的指令讀回做檢查，並且查核那一個ARM core，則會使用相對的cache指令將cache打開，通常打開cache時需要啓動MMU才能打開cache，而這時通常會設定虛擬位址和真實位址是一樣的，而打開cache是為了要加快解壓縮的速度，而在解壓縮之前會將r1 & r2分別拷貝至r7 & r8暫存器，而在解壓縮完之後，會將這兩個暫存器存回原先的r1 & r2，而r2則是存放參數位置，而這些參數是有關開機時的選項，而這些說明目前已經寫在程式的開頭地方，當你看其原始碼時即可看到，而第一個指令則是在標示在.setion “.text.head”的地方。

接著它會檢查從bootloader傳來的CPU ID是否正確，在kernel中可以撰寫支援多顆CPU的程式碼，因此可以透過這個代碼來取得相對應的程式碼，主要是cache以及CP15指令的不同，另外還有關MMU方面的操作也有所不同，當確認讓CPU ID是有被支援的，就會繼續執行下去。

再來的動作則取回該CPU的訊息，以及該CPU在kernel己經準備好的一些初始化程式碼，我們在porting kernel時會建立一個錄在arch/arm之下，然後以mach-當開頭的目錄，像是mach-ixp4xx，在這目錄之內將會建立一個C程式碼，在這之內會有一個巨集指令MACHINE_START，在這之內會有一些call back function的設定，在初始化的過程中會被呼叫，其主要是設定那些硬體需要被mapping至那些virtual address，以及timer & interrupt controller的初始化程式碼，當這些初始化的程式碼都可以正確無誤地被執行，它最後則會執會init/main.c中的start_kernel，而在它執行的當中它會檢查從bootloader傳來的command line，若沒有會有一個警告訊息，說這個tag有問題，若你確定没有傳，那你可以忽略掉它。

當它初始都没有問題，則會開始載入各個驅動程式，以及kernel本身的初始化動作，如記憶體管理，當這些都正常執行完之後，就會開始執行第一支AP，它會先執行由bootloader或者在kernel中設定的command line所指定的第一支程式，若没有則會尋找/sbin/init這支程式，若無法執行，則行bash，還是無法執行則會panic系統，並會說明找不到程式可執行，若第一支程式可以正常執行，則其它的程式則會由這第一支程式去執行其它程式，若它沒有執行其它程式，則將不會執行其它程式，另外第一支程式可以是一支shell script，以上則是kernel開機的順序。