基于迅为-IMX6ULL开发板 Linux内核启动（三）：内核初始化
start_kernel是所有Linux平台进入系统内核初始化后的入口函数，它主要完成剩余的与 硬件平台相关的初始化工作，在进行一系列与内核相关的初始化后，调用第一个用户进程－ init 进程并等待用户进程的执行，这样整个 Linux内核便启动完毕。 30.3.1 start_kernel 函数start_kernel 通过调用众多的子函数来完成 Linux 启动之前的一些初始化工作，由于start_kernel 函数里面调用的子函数太多，而这些子函数又很复杂，因此我们简单介绍一下一些重要的子函数。start_kernel 函数定义在文件 init/main.c中。精简并添加注释后的 start_kernel 函数内容如下： asmlinkage __visible void __init start_kernel(void) { char *command_line; char *after_dashes; lockdep_init(); /* lockdep 是死锁检测模块，此函数会初始化 * 两个 hash 表。此函数要求尽可能早的执行！ */ set_task_stack_end_magic(&init_task); /* 设置任务栈结束魔术数， *用于栈溢出检测 */ smp_setup_processor_id(); /* 跟 SMP 有关(多核处理器)，设置处理器 ID。 * 有很多资料说 ARM 架构下此函数为空函数，那是因 * 为他们用的老版本 Linux，而那时候 ARM 还没有多 * 核处理器。 */ debug_objects_early_init(); /* 做一些和 debug 有关的初始化 */ boot_init_stack_canary(); /* 栈溢出检测初始化 */ cgroup_init_early(); /* cgroup 初始化，cgroup 用于控制 Linux 系统资源*/ local_irq_disable(); /* 关闭当前 CPU 中断 */ early_boot_irqs_disabled = true; /* * 中断关闭期间做一些重要的操作，然后打开中断 */ boot_cpu_init(); /* 跟 CPU 有关的初始化 */ page_address_init(); /* 页地址相关的初始化 */ pr_no tice("%s", linux_banner);/* 打印 Linux 版本号、编译时间等信息 */setup_arch(&command_line); /* 架构相关的初始化，此函数会解析传递进来的 * ATAGS 或者设备树(DTB)文件。会根据设备树里面 * 的 model 和 compatible 这两个属性值来查找 * Linux 是否支持这个单板。此函数也会获取设备树 * 中 chosen 节点下的 bootargs 属性值来得到命令 * 行参数，也就是 uboot 中的 bootargs 环境变量的 * 值，获取到的命令行参数会保存到 *command_line 中。 */ mm_init_cpumask(&init_mm); /* 看名字，应该是和内存有关的初始化 */ setup_command_line(command_line); /* 好像是存储命令行参数 */ setup_nr_cpu_ids(); /* 如果只是 SMP(多核 CPU)的话，此函数用于获取 * CPU 核心数量，CPU 数量保存在变量 * nr_cpu_ids 中。 */ setup_per_cpu_areas(); /* 在 SMP 系统中有用，设置每个 CPU 的 per-cpu 数据 */ smp_prepare_boot_cpu();
build_all_zonelists(NULL, NULL); /* 建立系统内存页区(zone)链表 */ page_alloc_init(); /* 处理用于热插拔 CPU 的页 */ /* 打印命令行信息 */ pr_notice("Kernel command line: %sn", boot_command_line); parse_early_param(); /* 解析命令行中的 console 参数 */ after_dashes = parse_args("Booting kernel", static_command_line, __start___param, __stop___param - __start___param, -1, -1, &unknown_bootoption); if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes)) parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1, set_init_arg);
jump_label_init();
setup_log_buf(0); /* 设置 log 使用的缓冲区*/ pidhash_init(); /* 构建 PID 哈希表，Linux 中每个进程都有一个 ID, * 这个 ID 叫做 PID。通过构建哈希表可以快速搜索进程 * 信息结构体。 */ vfs_caches_init_early(); /* 预先初始化 vfs(虚拟文件系统)的目录项和 * 索引节点缓存 */ sort_main_extable(); /* 定义内核异常列表 */ trap_init(); /* 完成对系统保留中断向量的初始化 */ mm_init(); /* 内存管理初始化 */
sched_init(); /* 初始化调度器，主要是初始化一些结构体 */ preempt_disable(); /* 关闭优先级抢占 */ if (WARN(!irqs_disabled(), /* 检查中断是否关闭，如果没有的话就关闭中断 */ "Interrupts were enabled *very* early, fixing itn")) local_irq_disable(); idr_init_cache(); /* IDR 初始化，IDR 是 Linux 内核的整数管理机 * 制，也就是将一个整数 ID 与一个指针关联起来。 */ rcu_init(); /* 初始化 RCU，RCU 全称为 Read Copy Update(读-拷贝修改) */ trace_init(); /* 跟踪调试相关初始化 */ context_tracking_init(); radix_tree_init(); /* 基数树相关数据结构初始化 */ early_irq_init(); /* 初始中断相关初始化,主要是注册 irq_desc 结构体变 * 量，因为 Linux 内核使用 irq_desc 来描述一个中断。 */ init_IRQ(); /* 中断初始化 */ tick_init(); /* tick 初始化 */ rcu_init_nohz(); init_timers(); /* 初始化定时器 */ hrtimers_init(); /* 初始化高精度定时器 */ softirq_init(); /* 软中断初始化 */ timekeeping_init(); time_init(); /* 初始化系统时间 */ sched_clock_postinit(); perf_event_init(); profile_init(); call_function_init(); WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled earlyn"); early_boot_irqs_disabled = false; local_irq_enable(); /* 使能中断 */ kmem_cache_init_late(); /* slab 初始化，slab 是 Linux 内存分配器 */ console_init(); /* 初始化控制台，之前 printk 打印的信息都存放 * 缓冲区中，并没有打印出来。只有调用此函数 * 初始化控制台以后才能在控制台上打印信息。 */ if (panic_later) panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later, panic_param); lockdep_info(); /* 如果定义了宏 CONFIG_LOCKDEP，那么此函数打印一些信息。*/ locking_selftest() /* 锁自测 */ ...... page_ext_init(); debug_objects_mem_init(); kmemleak_init(); /* kmemleak 初始化，kmemleak 用于检查内存泄漏 */ setup_per_cpu_pageset(); numa_policy_init(); if (late_time_init) late_time_init(); sched_clock_init(); calibrate_delay();/* 测定 BogoMIPS 值，可以通过 BogoMIPS 来判断 CPU 的性能 * BogoMIPS 设置越大，说明 CPU 性能越好。 */ pidmap_init(); /* PID 位图初始化 */ anon_vma_init(); /* 生成 anon_vma slab 缓存 */ acpi_early_init(); ...... thread_info_cache_init(); cred_init(); /* 为对象的每个用于赋予资格(凭证) */ fork_init(); /* 初始化一些结构体以使用 fork 函数 */ proc_caches_init(); /* 给各种资源管理结构分配缓存 */ buffer_init(); /* 初始化缓冲缓存*/ key_init(); /* 初始化密钥*/ security_init(); /* 安全相关初始化*/ dbg_late_init(); vfs_caches_init(totalram_pages); /* 为 VFS 创建缓存 */ signals_init(); /* 初始化信号*/
page_writeback_init(); /* 页回写初始化*/ proc_root_init(); /* 注册并挂载 proc 文件系统 */ nsfs_init(); cpuset_init(); /* 初始化 cpuset，cpuset 是将 CPU 和内存资源以逻辑性 * 和层次性集成的一种机制，是 cgroup 使用的子系统之一 */ cgroup_init(); /* 初始化 cgroup */ taskstats_init_early(); /* 进程状态初始化 */ delayacct_init(); check_bugs(); /* 检查写缓冲一致性 */
acpi_subsystem_init(); sfi_init_late(); if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)) { efi_late_init(); efi_free_boot_services(); } ftrace_init(); rest_init(); /* rest_init 函数 */ } start_kernel 里面调用了大量的函数，每一个函数都是一个庞大的知识点，如果想要学习Linux 内核，那么这些函数就需要去详细的研究。本教程注重于嵌入式 Linux 入门，因此不会去讲太多关于 Linux 内核的知识。start_kernel 函数最后调用了 rest_init，接下来简单看一下rest_init函数。 30.3.2 rest_init 函数rest_init 函数定义在文件 init/main.c 中，函数内容如下： 383 static noinline void __init_refok rest_init(void) 384 { 385 int pid; 386 387 rcu_scheduler_starting(); 388 smpboot_thread_init(); 389 /* 390 * We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however 391 * the init task will end up wanting to create kthreads, which, 392 * if we schedule it before we create kthreadd, will OOPS. 393 */ 394 kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS); 395 numa_default_policy(); 396 pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES); 397 rcu_read_lock(); 398 kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns); 399 rcu_read_unlock(); 400 complete(&kthreadd_done); 401 402 /* 403 * The boot idle thread must execute schedule() 404 * at least once to get things moving: 405 */ 406 init_idle_bootup_task(current); 407 schedule_preempt_disabled(); 408 /* Call into cpu_idle with preempt disabled */ 409 cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE); 410 } 第 387 行，调用函数 rcu_scheduler_starting，启动 RCU 锁调度器。 第 394 行，调用函数 kernel_thread 创建 kernel_init 线程，也就是大名鼎鼎的 init 内核进程。init 进程的 PID 为 1。init 进程一开始是内核进程(也就是运行在内核态)，后面 init 进程会在根文件系统中查找名为“init”这个程序，这个“init”程序处于用户态，通过运行这个“init”程序，init 进程就会实现从内核态到用户态的转变。 第 396 行，调用函数 kernel_thread 创建 kthreadd 内核进程，此内核进程的 PID 为 2。kthreadd进程负责所有内核进程的调度和管理。 第 409 行，最后调用函数 cpu_startup_entry 来进入 idle 进程，cpu_startup_entry 会调用cpu_idle_loop，cpu_idle_loop 是个 while 循环，也就是 idle 进程代码。idle 进程的 PID 为 0，idle进程叫做空闲进程，如果学过 FreeRTOS 或者 UCOS 的话应该听说过空闲任务。idle 空闲进程就和空闲任务一样，当 CPU 没有事情做的时候就在 idle 空闲进程里面“瞎逛游”，反正就是给CPU 找点事做。当其他进程要工作的时候就会抢占 idle 进程，从而夺取 CPU 使用权。其实大家应该可以看到 idle 进程并没有使用 kernel_thread 或者 fork 函数来创建，因为它是有主进程演变而来的。 30.3.3 init 进程kernel_init 函数就是 init 进程具体做的工作，定义在文件 init/main.c 中，函数内容如下： 928 static int __ref kernel_init(void *unused) 929 { 930 int ret; 931 932 kernel_init_freeable(); /* init 进程的一些其他初始化工作 */ 933 /* need to finish all async __init code before freeing the memory */ 934 async_synchronize_full(); /* 等待所有的异步调用执行完成 */ 935 free_initmem(); /* 释放 init 段内存*/ 936 mark_rodata_ro(); 937 system_state = SYSTEM_RUNNING; /* 标记系统正在运行*/ 938 numa_default_policy(); 939 940 flush_delayed_fput(); 941 942 if (ramdisk_execute_command) { 943 ret = run_init_process(ramdisk_execute_command); 944 if (!ret) 945 return 0; 946 pr_err("Failed to execute %s (error %d)n", 947 ramdisk_execute_command, ret); 948 } 949 950 /* 951 * We try each of these until one succeeds. 952 * 953 * The Bourne shell can be used instead of init if we are 954 * trying to recover a really broken machine. 955 */ 956 if (execute_command) { 957 ret = run_init_process(execute_command); 958 if (!ret) 959 return 0; 960 panic("Requested init %s failed (error %d).", 961 execute_command, ret); 962 } 963 if (!try_to_run_init_process("/***in/init") || 964 !try_to_run_init_process("/etc/init") || 965 !try_to_run_init_process("/bin/init") || 966 !try_to_run_init_process("/bin/sh")) 967 return 0; 968 969 panic("No working init found. Try passing init= option to kernel. " 970 "See Linux Documentation/init.txt for guidance."); 971 } 第 932 行，kernel_init_freeable 函数用于完成 init 进程的一些其他初始化工作，稍后再来具体看一下此函数。 第 940 行，ramdisk_execute_command 是一个全局的 char 指针变量，此变量值“/init”，也就是根目录下的 init 程序。ramdisk_execute_command 也可以通过 uboot 传递，在bootargs 中使用“rdinit=xxx”即可，xxx 为具体的 init 程序名字。 第 943 行，如果存在“/init”程序的话就通过函数 run_init_process 来运行此程序。 第 956 行，如果 ramdisk_execute_command 为空的话就看 execute_command 是否为空，反正不管如何一定要在根文件系统中找到一个可运行的 init 程序。execute_command 的值是通过uboot 传递，在 bootargs 中使用“init=xxxx”就可以了，比如“init=/linuxrc”表示根文件系统中的 linuxrc 就是要执行的用户空间 init 程序。 第 963~966 行，如果 ramdisk_execute_command 和 execute_command 都为空，那么就依次查找“/***in/init”、“/etc/init”、“/bin/init”和“/bin/sh”，这四个相当于备用 init 程序，如果这四个也不存在，那么 Linux 启动失败！ 第 969 行，如果以上步骤都没有找到用户空间的 init 程序，那么就提示错误发生！ 最后来简单看一下 kernel_init_freeable 函数，前面说了，kernel_init 会调用此函数来做一些init 进程初始化工作。kernel_init_freeable 定义在文件 init/main.c 中，缩减后的函数内容如下： 973 static noinline void __init kernel_init_freeable(void) 974 { 975 /* 976 * Wait until kthreadd is all set-up. 977 */ 978 wait_for_completion(&kthreadd_done);/* 等待 kthreadd 进程准备就绪 */ ...... 998 999 smp_init(); /* SMP 初始化 */ 1000 sched_init_smp(); /* 多核(SMP)调度初始化 */ 1001 1002 do_basic_setup(); /* 设备初始化都在此函数中完成 */ 1003 1004 /* Open the /dev/console on the rootfs, this should never fail */ 1005 if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0) 1006 pr_err("Warning: unable to open an initial console.n"); 1007 1008 (void) sys_dup(0); 1009 (void) sys_dup(0); 1010 /* 1011 * check if there is an early userspace init. If yes, let it do 1012 * all the work 1013 */ 1014 1015 if (!ramdisk_execute_command) 1016 ramdisk_execute_command = "/init"; 1017 1018 if (sys_access((const char __user *) ramdisk_execute_command, 0) != 0) { 1019 ramdisk_execute_command = NULL; 1020 prepare_namespace(); 1021 } 1022 1023 /* 1024 * Ok, we have completed the initial bootup, and 1025 * we're essentially up and running. Get rid of the 1026 * initmem segments and start the user-mode stuff.. 1027 * 1028 * rootfs is available now, try loading the public keys 1029 * and default modules 1030 */ 1031 1032 integrity_load_keys(); 1033 load_default_modules(); 1034 } 第 1002 行，do_basic_setup 函数用于完成 Linux 下设备驱动初始化工作！非常重要。 do_basic_setup 会调用 driver_init 函数完成 Linux 下驱动模型子系统的初始化。 第 1005 行，打开设备“/dev/console”，在 Linux 中一切皆为文件！因此“/dev/console”也是一个文件，此文件为控制台设备。每个文件都有一个文件描述符，此处打开的“/dev/console”文件描述符为 0，作为标准输入(0)。 第 1008 和 1009 行，sys_dup 函数将标准输入(0)的文件描述符复制了 2 次，一个作为标准输出(1)，一个作为标准错误(2)。这样标准输入、输出、错误都是/dev/console 了。console 通过uboot 的 bootargs 环境变量设置，“console=ttymxc0,115200”表示将/dev/ttymxc0 设置为 console，也就是 I.MX6U 的串口 1。当然，也可以设置其他的设备为 console，比如虚拟控制台 tty1，设置 tty1 为 console 就可以在 LCD 屏幕上看到系统的提示信息。 第 1020 行，调用函数 prepare_namespace 来挂载根文件系统。跟文件系统也是由命令行参数指定的，也就是 uboot 的 bootargs 环境变量。比如“root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw”就表示根文件系统在/dev/mmcblk1p2 中，也就是 EMMC 的分区 2 中。 Linux 内核启动流程就分析到这里，Linux 内核最终是需要和根文件系统打交道的，需要挂载根文件系统，并且执行根文件系统中的 init 程序，以此来进去用户态。这里就正式引出了根文件系统，根文件系统也是我们系统移植的最后一片拼图。Linux 移植三巨头：uboot、Linux kernel、rootfs(根文件系统)。关于根文件系统后面章节会详细的讲解，这里我们只需要知道 Linux内核移植完成以后还需要构建根文件系统即可。
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