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linux內核啟動(dòng)地址,解壓縮,內核參數問(wèn)題探討 - Embeded - todaygood
linux內核啟動(dòng)地址,解壓縮,內核參數問(wèn)題探討

linux內核啟動(dòng)地址的確定

內核編譯鏈接過(guò)程是依靠vmlinux.lds文件,以arm為例vmlinux.lds文件位于kernel/arch/arm/vmlinux.lds,

vmlinux-armv.lds的生成過(guò)程在kernel/arch/arm/Makefile中

ifeq ($(CONFIG_CPU_32),y)
PROCESSOR     = armv
TEXTADDR     = 0xC0008000
LDSCRIPT     = arch/arm/vmlinux-armv.lds.in
endif

arch/arm/vmlinux.lds: $(LDSCRIPT) dummy
    @sed ‘s/TEXTADDR/$(TEXTADDR)/;s/DATAADDR/$(DATAADDR)/‘ $(LDSCRIPT) >$@

查看arch/arm/vmlinux.lds 中

OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(stext)
SECTIONS
{
    . = 0xC0008000;
    .init : {            /* Init code and data        */
        _stext = .;
        __init_begin = .;
            *(.text.init)
        __proc_info_begin = .;
            *(.proc.info)
        __proc_info_end = .;
        __arch_info_begin = .;
            *(.arch.info)
        __arch_info_end = .;
        __tagtable_begin = .;
            *(.taglist)
        __tagtable_end = .;
            *(.data.init)
        . = ALIGN(16);
        __setup_start = .;
            *(.setup.init)
        __setup_end = .;
        __initcall_start = .;
            *(.initcall.init)
        __initcall_end = .;
        . = ALIGN(4096);
        __init_end = .;
    }

    /DISCARD/ : {            /* Exit code and data        */
        *(.text.exit)
        *(.data.exit)
        *(.exitcall.exit)
    }

    .text : {            /* Real text segment        */
        _text = .;        /* Text and read-only data    */
            *(.text)
            *(.fixup)
            *(.gnu.warning)
            *(.rodata)
            *(.rodata.*)
            *(.glue_7)
            *(.glue_7t)
        *(.got)            /* Global offset table        */

        _etext = .;        /* End of text section        */
    }

    .kstrtab : { *(.kstrtab) }

    . = ALIGN(16);
    __ex_table : {            /* Exception table        */
        __start___ex_table = .;
            *(__ex_table)
        __stop___ex_table = .;
    }

    __ksymtab : {            /* Kernel symbol table        */
        __start___ksymtab = .;
            *(__ksymtab)
        __stop___ksymtab = .;
    }

    . = ALIGN(8192);

    .data : {
        /*
         * first, the init task union, aligned
         * to an 8192 byte boundary.
         */
        *(.init.task)

        /*
         * then the cacheline aligned data
         */
        . = ALIGN(32);
        *(.data.cacheline_aligned)

        /*
         * and the usual data section
         */
        *(.data)
        CONSTRUCTORS

        _edata = .;
    }

    .bss : {
        __bss_start = .;    /* BSS                */
        *(.bss)
        *(COMMON)
        _end = . ;
    }
                    /* Stabs debugging sections.    */
    .stab 0 : { *(.stab) }
    .stabstr 0 : { *(.stabstr) }
    .stab.excl 0 : { *(.stab.excl) }
    .stab.exclstr 0 : { *(.stab.exclstr) }
    .stab.index 0 : { *(.stab.index) }
    .stab.indexstr 0 : { *(.stab.indexstr) }
    .comment 0 : { *(.comment) }
}

arch/arm/Makefile中:

vmlinux: arch/arm/vmlinux.lds

arch/arm/vmlinux.lds: $(LDSCRIPT) dummy
    @sed ‘s/TEXTADDR/$(TEXTADDR)/;s/DATAADDR/$(DATAADDR)/‘ $(LDSCRIPT) >$@


MAKEBOOT     = $(MAKE) -C arch/$(ARCH)/boot

bzImage zImage zinstall Image bootpImage install: vmlinux
    @$(MAKEBOOT) $@



但在kernel/arch/arm/boot/Makefile

ifeq ($(CONFIG_ARCH_S3C2410),y)
ZTEXTADDR     = 0x30008000
ZRELADDR     = 0x30008000
endif

zImage:    $(CONFIGURE) compressed/vmlinux
    $(OBJCOPY) -O binary -R .note -R .comment -S compressed/vmlinux $@

compressed/vmlinux: $(TOPDIR)/vmlinux dep
    @$(MAKE) -C compressed vmlinux

在compressed目錄下的Makefile中

ZLDFLAGS     = -p -X -T vmlinux.lds

SEDFLAGS    = s/TEXT_START/$(ZTEXTADDR)/;s/LOAD_ADDR/$(ZRELADDR)/;s/BSS_START/$(ZBSSADDR)/

all:        vmlinux

vmlinux:    $(HEAD) $(OBJS) piggy.o vmlinux.lds
        $(LD) $(ZLDFLAGS) $(HEAD) $(OBJS) piggy.o $(LIBGCC) -o vmlinux


vmlinux.lds:    vmlinux.lds.in Makefile $(TOPDIR)/arch/$(ARCH)/boot/Makefile $(TOPDIR)/.config
        @sed "$(SEDFLAGS)" < vmlinux.lds.in > $@




vmlinux-armv.lds.in文件的內容:

OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
  . = LOAD_ADDR;
  _load_addr = .;

  . = TEXT_START;
  _text = .;

  .text : {
    _start = .;
    *(.start)
    *(.text)
    *(.fixup)
    *(.gnu.warning)
    *(.rodata)
    *(.rodata.*)
    *(.glue_7)
    *(.glue_7t)
    input_data = .;
    piggy.o
    input_data_end = .;
    . = ALIGN(4);
  }

  _etext = .;

  _got_start = .;
  .got            : { *(.got) }
  _got_end = .;
  .got.plt        : { *(.got.plt) }
  .data            : { *(.data) }
  _edata = .;

  . = BSS_START;
  __bss_start = .;
  .bss            : { *(.bss) }
  _end = .;

  .stack (NOLOAD)    : { *(.stack) }

  .stab 0        : { *(.stab) }
  .stabstr 0        : { *(.stabstr) }
  .stab.excl 0        : { *(.stab.excl) }
  .stab.exclstr 0    : { *(.stab.exclstr) }
  .stab.index 0        : { *(.stab.index) }
  .stab.indexstr 0    : { *(.stab.indexstr) }
  .comment 0        : { *(.comment) }
}

vmlinux.lds內容為

OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
  . = 0x30008000;
  _load_addr = .;

  . = 0;
  _text = .;

  .text : {
    _start = .;
    *(.start)
    *(.text)
    *(.fixup)
    *(.gnu.warning)
    *(.rodata)
    *(.rodata.*)
    *(.glue_7)
    *(.glue_7t)
    input_data = .;
    piggy.o
    input_data_end = .;
    . = ALIGN(4);
  }

  _etext = .;

  _got_start = .;
  .got            : { *(.got) }
  _got_end = .;
  .got.plt        : { *(.got.plt) }
  .data            : { *(.data) }
  _edata = .;

  . = ALIGN(4);
  __bss_start = .;
  .bss            : { *(.bss) }
  _end = .;

  .stack (NOLOAD)    : { *(.stack) }

  .stab 0        : { *(.stab) }
  .stabstr 0        : { *(.stabstr) }
  .stab.excl 0        : { *(.stab.excl) }
  .stab.exclstr 0    : { *(.stab.exclstr) }
  .stab.index 0        : { *(.stab.index) }
  .stab.indexstr 0    : { *(.stab.indexstr) }
  .comment 0        : { *(.comment) }
}


一般情況下都在生成vmlinux后,再對內核進(jìn)行壓縮成為zImage,壓縮的目錄是kernel/arch/arm/boot。
下載到flash中的是壓縮后的zImage文件,zImage是由壓縮后的vmlinux和解壓縮程序組成,如下圖所示:
            |-----------------|\    |-----------------|
            |                 | \   |                 |
            |                 |  \  | decompress code |
            |     vmlinux     |   \ |-----------------|    zImage
            |                 |    \|                 |
            |                 |     |                 |
            |                 |     |                 |   
            |                 |     |                 |
            |                 |    /|-----------------|
            |                 |   /
            |                 |  /
            |                 | /
            |-----------------|/
           
zImage鏈接腳本也叫做vmlinux.lds,位于kernel/arch/arm/boot/compressed。
是由同一目錄下的vmlinux.lds.in文件生成的

在kernel/arch/arm/boot/Makefile文件中定義了:


ifeq ($(CONFIG_ARCH_S3C2410),y)
ZTEXTADDR     = 0x30008000
ZRELADDR     = 0x30008000
endif



ZTEXTADDR就是解壓縮代碼的ram偏移地址,ZRELADDR是內核ram啟動(dòng)的偏移地址,這里看到指定ZTEXTADDR的地址為30008000,


 
以上就是我對內核啟動(dòng)地址的分析,總結一下內核啟動(dòng)地址的設置:


設置kernel/arch/arm/boot/Makefile文件中的

ifeq ($(CONFIG_ARCH_S3C2410),y)
ZTEXTADDR     = 0x30008000         
ZRELADDR     = 0x30008000
endif
# We now have a PIC decompressor implementation.  Decompressors running
# from RAM should not define ZTEXTADDR.  Decompressors running directly
# from ROM or Flash must define ZTEXTADDR (preferably via the config)
#


查看2410的datasheet ,發(fā)現內存映射的基址是0x3000 0000 ,那么  0x30008000又是如何來(lái)的呢?


在內核文檔kernel/Document/arm/Booting 文件中有:
                        

Existing boot loaders: MANDATORY
New boot loaders: MANDATORY

There are two options for calling the kernel zImage. If the zImage is stored in flash, and is linked correctly to be run from flash, then it is legal for the boot loader to call the zImage in flash directly.

The zImage may also be placed in system RAM (at any location) and called there. Note that the kernel uses 16K of RAM below the image to store page tables. The recommended placement is 32KiB into RAM.


 看來(lái)在image下面用了32K(0x8000)的空間存放內核頁(yè)表,
0x30008000就是2410的內核在RAM中的啟動(dòng)地址,這個(gè)地址就是這么來(lái)的。



關(guān)于內核解壓縮的過(guò)程分析

內核壓縮和解壓縮代碼都在目錄kernel/arch/arm/boot/compressed,

編譯完成后將產(chǎn)生vmlinux、head.o、misc.o、head-s3c2410.o、piggy.o這幾個(gè)文件,

head.o是內核的頭部文件,負責初始設置;

misc.o將主要負責內核的解壓工作,它在head.o之后;

head-s3c2410.o文件主要針對的初始化,將在鏈接時(shí)與head.o合并;

piggy.o是一個(gè)中間文件,其實(shí)是一個(gè)壓縮的內核(kernel/vmlinux),只不過(guò)沒(méi)有和初始化文件及解壓文件鏈接而已;

vmlinux是沒(méi)有(zImage是壓縮過(guò)的內核)壓縮過(guò)的內核,就是由piggy.o、head.o、misc.o、head-s3c2410.o組成的。


在BootLoader完成系統的引導以后并將Linux內核調入內存之后,調用bootLinux(),
這個(gè)函數將跳轉到kernel的起始位置。

如果kernel沒(méi)有壓縮,就可以啟動(dòng)了。
如果kernel壓縮過(guò),則要進(jìn)行解壓,在壓縮過(guò)的kernel頭部有解壓程序。
壓縮過(guò)得kernel入口第一個(gè)文件源碼位置在arch/arm/boot/compressed/head.S。

它將調用函數decompress_kernel(),這個(gè)函數在文件arch/arm/boot/compressed/misc.c中,
decompress_kernel()又調用proc_decomp_setup(),arch_decomp_setup()進(jìn)行設置,
然后使用在打印出信息“Uncompressing Linux...”后,調用gunzip()。將內核放于指定的位置。

以下分析head.S文件:
(1)對于各種Arm CPU的DEBUG輸出設定,通過(guò)定義宏來(lái)統一操作。
(2)設置kernel開(kāi)始和結束地址,保存architecture ID。
(3)如果在A(yíng)RM2以上的CPU中,用的是普通用戶(hù)模式,則升到超級用戶(hù)模式,然后關(guān)中斷。
(4)分析LC0結構delta offset,判斷是否需要重載內核地址(r0存入偏移量,判斷r0是否為零)。

   這里是否需要重載內核地址,我以為主要分析arch/arm/boot/Makefile、arch/arm/boot/compressed/Makefile
   和arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds.in三個(gè)文件,主要看vmlinux.lds.in鏈接文件的主要段的位置,

   LOAD_ADDR(_load_addr)=0x30008000,而對于TEXT_START(_text、_start)的位置只設為0,BSS_START(__bss_start)=ALIGN(4)。


   對于這樣的結果依賴(lài)于,對內核解壓的運行方式,也就是說(shuō),內核解壓前是在內存(RAM)中還是在FLASH上,


   因為這里,我們的BOOTLOADER將壓縮內核(zImage)移到了RAM的0x30008000位置,我們的壓縮內核是在內存(RAM)從0x30008000地址開(kāi)始順序排列,

   因此我們的r0獲得的偏移量是載入地址(0x30008000)。
接下來(lái)的工作是要把內核鏡像的相對地址轉化為內存的物理地址,即重載內核地址。
(5)需要重載內核地址,將r0的偏移量加到BSS region和GOT table中。
(6)清空bss堆??臻gr2-r3。

(7)建立C程序運行需要的緩存,并賦于64K的??臻g。

(8)這時(shí)r2是緩存的結束地址,r4是kernel的最后執行地址,r5是kernel境象文件的開(kāi)始地址。檢查是否地址有沖突。

   將r5等于r2,使decompress后的kernel地址就在64K的棧之后。

(9)調用文件misc.c的函數decompress_kernel(),解壓內核于緩存結束的地方(r2地址之后)。此時(shí)各寄存器值有如下變化:

   r0為解壓后kernel的大小
   r4為kernel執行時(shí)的地址
   r5為解壓后kernel的起始地址
   r6為CPU類(lèi)型值(processor ID)
   r7為系統類(lèi)型值(architecture ID)

(10)將reloc_start代碼拷貝之kernel之后(r5+r0之后),首先清除緩存,而后執行reloc_start。
(11)reloc_start將r5開(kāi)始的kernel重載于r4地址處。
(12)清除cache內容,關(guān)閉cache,將r7中architecture ID賦于r1,執行r4開(kāi)始的kernel代碼。


下面簡(jiǎn)單介紹一下解壓縮過(guò)程,也就是函數decompress_kernel實(shí)現的功能:
解壓縮代碼位于kernel/lib/inflate.c,inflate.c是從gzip源程序中分離出來(lái)的。包含了一些對全局數據的直接引用。
在使用時(shí)需要直接嵌入到代碼中。gzip壓縮文件時(shí)總是在前32K字節的范圍內尋找重復的字符串進(jìn)行編碼,
在解壓時(shí)需要一個(gè)至少為32K字節的解壓緩沖區,它定義為window[WSIZE]。inflate.c使用get_byte()讀取輸入文件,
它被定義成宏來(lái)提高效率。輸入緩沖區指針必須定義為inptr,inflate.c中對之有減量操作。inflate.c調用flush_window()
來(lái)輸出window緩沖區中的解壓出的字節串,每次輸出長(cháng)度用outcnt變量表示。在flush_window()中,還必
須對輸出字節串計算CRC并且刷新crc變量。在調用gunzip()開(kāi)始解壓之前,調用makecrc()初始化CRC計算表。
最后gunzip()返回0表示解壓成功。


我們在內核啟動(dòng)的開(kāi)始都會(huì )看到這樣的輸出:
Uncompressing Linux...done, booting the kernel.


這也是由decompress_kernel函數內部輸出的,它調用了puts()輸出字符串,
puts是在kernel/include/asm-arm/arch-s3c2410/uncompress.h中實(shí)現的。


執行完解壓過(guò)程,再返回到head.S中,啟動(dòng)內核:
call_kernel:    bl  cache_clean_flush
         bl  cache_off
         mov r0, #0
         mov r1, r7          @ restore architecture number
         mov pc, r4          @ call kernel
        
下面就開(kāi)始真正的內核了。


linux2.6 啟動(dòng)傳遞命令行分析
內核在啟動(dòng)時(shí)可以傳遞一個(gè)字符串命令行,來(lái)控制內核啟動(dòng)的過(guò)程,例如:
"console=ttyS2,115200 mem=64M@0xA0000000"
這里指定了控制臺是串口2,波特率是115200,內存大小是64M,物理基地址是0xA0000000。
另外我們可以在內核中定義一些全局變量,使用這些全局變量控制內核的配置,例如usb驅動(dòng)中定義了
static int nousb; /* Disable USB when built into kernel image */
這個(gè)變量為1,則整個(gè)usb驅動(dòng)不初始化,如果想將其置1,可在字符串命令行中添加nousb=1。
在操作該變量之前,還要讓系統知道該變量,方法是:
__module_param_call("",nousb,param_set_bool,param_get_bool,&nousb,0444);
__module_param_call這個(gè)宏定義在kernel\include\linux\moduleparam.h
原型如下:
#define __module_param_call(prefix, name, set, get, arg, perm)  \
 static char __param_str_##name[] = prefix #name;  \
 static struct kernel_param const __param_##name   \
 __attribute_used__      \
    __attribute__ ((unused,__section__ ("__param"),aligned(sizeof(void *)))) \
 = { __param_str_##name, perm, set, get, arg }
 
它定義了一個(gè)kernel_param類(lèi)型的變量,這個(gè)變量被放到了段__param,
kernel_param結構體的定義是:
struct kernel_param {
 const char *name;
 unsigned int perm;
 param_set_fn set;
 param_get_fn get;
 void *arg;
};
__param這個(gè)段的聲明有些平臺是在arch/../../vmlinux.lds.S,而大多數平臺是放到
kernel\include\asm-generic\vmlinux.lds.h中,定義如下:
 __param : AT(ADDR(__param) - LOAD_OFFSET) {   \
  VMLINUX_SYMBOL(__start___param) = .;   \
  *(__param)      \
  VMLINUX_SYMBOL(__stop___param) = .;   \
 }
內核啟動(dòng)時(shí)就會(huì )對字符串命令進(jìn)行解析,在kernel\init\main.c中,內核啟動(dòng)函數start_kernel中
對外部數組進(jìn)行了聲明:
extern struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];
然后調用函數parse_args對數組進(jìn)行解析:
 parse_args("Booting kernel", command_line, __start___param,
     __stop___param - __start___param,
     &unknown_bootoption);
其中command_line就是要解析的字符串命令行,unknown_bootoption是函數指針,它用來(lái)獲取指定參數的=右邊的值。
parse_args就會(huì )在數組中找到和nousb名稱(chēng)一樣的kernel_param變量,并調用它的set函數對其進(jìn)行付值。
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