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2021年(1)

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分类: LINUX

2021-09-05 19:05:15

Linux 2.6.34 内核启动详细分析(一)

内核编译完成后会生成zImage内核镜像文件。关于bootloader加载zImage到内核,
并且跳转到zImage开始地址运行zImage的过程,相信大家都很容易理解。但对于zImage
是如何解压的过程,就不是那么好理解了。
本文将结合部分关键代码,讲解zImage的解压过程;

先看看zImage的组成吧。在内核编译完成后会在arch/arm/boot/下生成zImage。
在arch/arm/boot/Makefile中:
  1. $(obj)/zImage: $(obj)/compressed/vmlinux FORCE
  2. $(call if_changed,objcopy)
  3. $(obj)/compressed/vmlinux: $(obj)/Image FORCE
  4. $(Q)$(MAKE) $(build)=$(obj)/compressed $@  #make obj=$(obj)/compressed $@

由此可见,zImage的是elf格式的arch/arm/boot/compressed/vmlinux二进制化得到的
在arch/arm/boot/compressed/Makefile中:

  1. $(obj)/vmlinux: $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/$(HEAD) $(obj)/piggy.$(suffix_y).o \
  2. $(addprefix $(obj)/, $(OBJS)) $(lib1funcs) FORCE
  3. $(call if_changed,ld)

  4. $(obj)/piggy.$(suffix_y): $(obj)/../Image FORCE
  5. $(call if_changed,$(suffix_y))

  6. $(obj)/piggy.$(suffix_y).o: $(obj)/piggy.$(suffix_y) FORCE
其中Image是由内核顶层目录下的vmlinux二进制化后得到的。
注意:arch/arm/boot/compressed/vmlinux是位置无关的,这个有助于理解后面的代码。
链接选项中有个 –fpic参数:
EXTRA_CFLAGS := -fpic


PIC就是position independent code 
PIC使.so文件的代码段变为真正意义上的共享 
如果不加-fPIC,则加载.so文件的代码段时,代码段引用的数据对象需要重定位, 重定位会修改代码段的内容,这就造成每个使用这个.so文件代码段的进程在内核里都会生成这个.so文件代码段的copy.每个copy都不一样,取决于 这个.so文件代码段和数据段内存映射的位置.


总结一下zImage的组成,它是由一个压缩后的内核piggy.gzip.o,连接上一段初始化及解压功能的代码(head.o misc.o),组成的。

下面就要看内核的启动了,那么内核是从什么地方开始运行的呢?这个当然要看lds文件啦。
zImage的生成经历了两次大的链接过程:
一次是顶层vmlinux的生成,由arch/arm/boot/vmlinux.lds(这个lds文件是由arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S生成的)决定;
另一次是arch/arm/boot/compressed/vmlinux的生成,是由arch/arm/boot/compressed /vmlinux.lds(这个lds文件是由arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds.in生成的)决定。

因此,zImage的入口点应该由arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds决定。


首先,我们来看内核解压部分,这部分的代码主要存放在
1. arch/arm/boot/compressed/Makefile   
2. arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds
3. arch/arm/kernel/vmlinux.lds




Linux内核解压流程
arch/arm/boot/compressed/head.S

• 对于各种Arm CPU的DEBUG输出设定,通过定义宏来统一操作;
  1. #include
  2. .macro writeb, ch, rb
  3. senduart \ch, \rb
  4. .endm
  5. #defined(CONFIG_ARCH_S3C2410)
  6. .macro loadsp, rb, tmp
  7. mov \rb, #0x50000000
  8. add \rb, \rb, #0x4000 * CONFIG_S3C_LOWLEVEL_UART_PORT
  9. .endm
  10. #endif
  11. .macro kputc,val
  12. mov r0, \val
  13. bl putc
  14. .endm
  15. .macro kphex,val,len
  16. mov r0, \val
  17. mov r1, #\len
  18. bl phex
  19. .endm
  20. .macro debug_reloc_start
  21. kputc #'\n'
  22. kphex r6, 8 /* processor id */
  23. kputc #':'
  24. kphex r7, 8 /* architecture id */
  25. kputc #':'
  26. mrc p15, 0, r0, c1, c0
  27. kphex r0, 8 /* control reg */
  28. kputc #'\n'
  29. kphex r5, 8 /* decompressed kernel start */
  30. kputc #'-'
  31. kphex r9, 8 /* decompressed kernel end */
  32. kputc #'>'
  33. kphex r4, 8 /* kernel execution address */
  34. kputc #'\n'
  35. .macro debug_reloc_end
  36. kphex r5, 8 /* end of kernel */
  37. kputc #'\n'
  38. mov r0, r4
  39. bl memdump /* dump 256 bytes at start of kernel */
  40. .endm
  41. 设置kernel开始和结束地址,保存architecture ID;
  42. Start:
  43. .type start,#function @.type 符号,类型描述(函数类型或者对象类型)
  44. .rept 8 @.rept 数据定义 .endr 重复协议操作
  45. mov r0, r0
  46. .endr
  47. b 1f
  48. .word 0x016f2818 @ Magic numbers to help the loader
  49. .word start @ absolute load/run zImage address
  50. .word _edata @ zImage end address
  51. 1:
  52. mov r7, r1 @ save architecture ID
  53. mov r8, r2 @ save atags pointer
  54. 如果在ARM2以上的CPU中,如用的是普通用户模式,则升到超级用户模式,然后关中断
  55. 这也标志着u-boot将系统完全的交给了OS,bootloader生命终止,系统已经处于SVC32模式;而利用
  56. angel进入则处于user模式,还需要额外两条指令。之后是再次确认中断关闭,并完成cpsr写入
  57. mrs r2, cpsr @ get current mode
  58. tst r2, #3 @ not user mode?
  59. bne not_angel
  60. mov r0, #0x17 @ angel_SWIreason_EnterSVC
  61. swi 0x123456 @ angel_SWI_ARM 软中断指令 进入SVC模式
  62. not_angel:
  63. mrs r2, cpsr @ turn off interrupts to
  64. orr r2, r2, #0xc0 @ prevent angel from running
  65. msr cpsr_c, r2
  66. 分析LC0结构delta offset,判断是否需要重载内核地址(r0存入偏移量,判断r0是否为零)。在LC0
  67. 地址处将分段信息导入r0-r6、r11、ip、sp等寄存器,并检查代码是否运行在与链接时相同的目标地址,
  68. 以决定是否进行处理。
  69. adr r0, LC0
  70. ldmia r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, r11, ip, sp})
  71. subs r0, r0, r1 @ calculate the delta offset
  72. @ if delta is zero, we are
  73. beq not_relocated @ running at the address we
  74. @ were linked at.
  75. .align 2
  76. .type LC0, #object
  77. LC0:
  78. .word LC0 @ r1
  79. .word __bss_start @ r2
  80. .word _end @ r3
  81. .word zreladdr @ r4
  82. .word _start @ r5
  83. .word _image_size @ r6
  84. .word _got_start @ r11
  85. .word _got_end @ ip
  86. .word user_stack+4096 @ sp
  87. 由于现在很少有人不使用loader和tags,将zImage烧写到rom直接从0x0位置执行,
  88. 所以这个处理是必须的(但是zImage的头现在也保留了不用 loader也可启动的能力)。
  89. arm架构下自解压头一般是链接在0x0地址而被加载到0x30008000运行,所以要修正这个变化。
  90. 涉及到r5寄存器存放的zImage基地址
  91. r6和r12(即ip寄存器)存放的got(global offset table)
  92. r2和r3存放的bss段起止地址
  93. sp栈指针地址
  94. 很简单,这些寄存器统统被加上一个你也能猜到的偏移地址0x30008000。该地址是s3c2410相关的
  95. 这些操作发生在代码172行开始的地方,下面只粘贴一部分
  96. /*We're running at a different address. We need to fix
  97. * up various pointers:
  98. * r5 - zImage base address ( _start )
  99. * r6 - size of decompressed image
  100. * r11 - GOT start
  101. * ip - GOT end*/
  102. add r5, r5, r0
  103. add r11, r11, r0
  104. add ip, ip, r0
  105. 需要重载内核地址,将r0的偏移量加到BSS region和GOT table中的每一项。对于位置无关
  106. 的代码,程序是通过GOT表访问全局数据目标的,也就是说GOT表中中记录的是全局数据目标
  107. 的绝对地址,所以其中的每一项也需要重载。
  108. /* If we're running fully PIC === CONFIG_ZBOOT_ROM = n,
  109. * we need to fix up pointers into the BSS region.
  110. * r2 - BSS start
  111. * r3 - BSS end
  112. * sp - stack pointer*/
  113. add r2, r2, r0
  114. add r3, r3, r0
  115. add sp, sp, r0
  116. /*Relocate all entries in the GOT table.*/
  117. 1:
  118. ldr r1, [r11, #0] @ relocate entries in the GOT
  119. add r1, r1, r0 @ table. This fixes up the
  120. str r1, [r11], #4 @ C references.
  121. cmp r11, ip
  122. blo 1b
  123. 清空bss堆栈空间r2-r3
  124. not_relocated:
  125. mov r0, #0
  126. 1:
  127. str r0, [r2], #4 @ clear bss
  128. str r0, [r2], #4
  129. str r0, [r2], #4
  130. str r0, [r2], #4
  131. cmp r2, r3
  132. blo 1b
  133. 打开cache,建立C程序运行需要的64KB的临时malloc空间
  134. bl cache_on
  135. mov r1, sp @ malloc space above stack
  136. add r2, sp, #0x10000 @ 64k max 接下来238行进行检查,确定内核解压缩后的
  137. @Image目标地址是否会覆盖到zImage头,如果是则准备
  138. @将zImage头转移到解压出来的内核后面
  139. 这时r2是缓存的结束地址,r4是kernel的最后执行地址,r5是kernel境象文件的开始地址
  140. /*
  141. * Check to see if we will overwrite ourselves.
  142. * r4 = final kernel address
  143. * r5 = start of this image
  144. * r6 = size of decompressed image
  145. * r2 = end of malloc space (and therefore this image)
  146. * We basically want:
  147. * r4 >= r2 -> OK
  148. * r4 + image length <= r5 -> OK
  149. */
  150. cmp r4, r2
  151. bhs wont_overwrite
  152. sub r3, sp, r5 @ > compressed kernel size
  153. add r0, r4, r3, lsl #2 @ allow for 4x expansion
  154. cmp r0, r5
  155. bls wont_overwrite
  156. 用文件misc.c的函数decompress_kernel(),解压内核于缓存结束的地方(r2地址之后)。
  157. mov r5, r2 @ decompress after malloc space
  158. mov r0, r5
  159. mov r3, r7
  160. bl decompress_kernel
  161. 可能大家看了上面的文字描述还是不清楚解压的动态过程。还是先用图表的方式描述下
  162. 代码的搬运解压过程。然后再针对中间的一些关键过程阐述。
  163. 真实情况在大多数的应用中,内核编译都会把压缩的zImage和非压缩的Image链接到同样的地
  164. 址,s3c2410平台下即是0x30008000。这样做的好处是,人们不用关心内核是Image还是zImage,
  165. 放到这个位置执行就OK,所以在解压缩后zImage头必须为真正的内核让路。在250行解压完毕,
  166. 内核长度返回值存放在r0寄存器里。
  167. 在内核末尾空出128字节的栈空间用,并且使其长度128字节对齐。
  168. add r0, r0, #127 + 128 @ alignment + stack
  169. bic r0, r0, #127 @ align the kernel length
  170. 算出搬移代码的参数:计算内核末尾地址并存放于r1寄存器,需要搬移代码原来地址放在r2,需要搬移
  171. 的长度放在r3。然后执行搬移,并设置好sp指针指向新的栈(原来的栈也会被内核覆盖掉)
  172. * r0 = decompressed kernel length
  173. * r1-r3 = unused
  174. * r4 = kernel execution address
  175. * r5 = decompressed kernel start
  176. * r7 = architecture ID
  177. * r8 = atags pointer
  178. * r9-r12,r14 = corrupted
  179. add r1, r5, r0 @ end of decompressed kernel
  180. adr r2, reloc_start
  181. ldr r3, LC1
  182. add r3, r2, r3
  183. 1:
  184. ldmia r2!, {r9 - r14} @ copy relocation code
  185. stmia r1!, {r9 - r14}
  186. ldmia r2!, {r9 - r14}
  187. stmia r1!, {r9 - r14}
  188. cmp r2, r3
  189. blo 1b
  190. add sp, r1, #128 @ relocate the stack
  191. 搬移完成后刷新cache,因为代码地址变化了不能让cache再命中被内核覆盖的老地址。
  192. 然后跳转到新的地址继续执行
  193. bl cache_clean_flush
  194. add pc, r5, r0 @ call relocation code(reloc_start:)
  195. 注意:zImage在解压后的搬移和跳转会给gdb调试内核带来麻烦。因为用来调试的符号表是在编译
  196. 生成的,并不知道以后会被搬移到何处去,只有在内核解压缩完成之后,根据计算出来的参数“告诉”
  197. 调试器这个变化。以撰写本文时使用的zImage为例,内核自解压头重定向后,reloc_start地址由0x30008360变为 0x30533e60。故我们要把vmlinux的符号表也相应的从0x30008000后移到0x30533b00开始,这样gdb就可以正确的对应源 代码和机器指令。随着头部代码移动到新的位置,
  198. 不会再和内核的目标地址冲突,可以开始内核自身的搬移了。此时r0寄存器存放的是内核长度(严格
  199. 的说是长度外加128Byte的栈),r4存放的是内核的目的地址0x30008000,r5是目前内核存放地
  200. 址,r6是CPU ID,r7是machine ID,r8是atags地址。
  201. * All code following this line is relocatable. It is relocated by the above code to the
  202. * end of the decompressed kernel image and executed there.
  203. * During this time, we have no stacks.
  204. * r0 = decompressed kernel length
  205. * r1-r3 = unused
  206. * r4 = kernel execution address
  207. * r5 = decompressed kernel start
  208. * r7 = architecture ID
  209. * r8 = atags pointer
  210. * r9-r12,r14 = corrupted
  211. reloc_start:
  212. add r9, r5, r0
  213. sub r9, r9, #128 @ do not copy the stack
  214. debug_reloc_start
  215. mov r1, r4
  216. 1:
  217. .rept 4
  218. ldmia r5!, {r0, r2, r3, r10 - r14} @ relocate kernel
  219. stmia r1!, {r0, r2, r3, r10 - r14}
  220. .endr
  221. cmp r5, r9
  222. blo 1b
  223. add sp, r1, #128 @ relocate the stack
  224. 接下来在566行清除并关闭cache,清零r0,将machine ID存入r1,atags指针存入r2,
  225. 再跳入0x30008000执行真正的内核Image
  226. call_kernel:
  227. bl cache_clean_flush
  228. bl cache_off
  229. mov r0, #0 @ must be zero
  230. mov r1, r7 @ restore architecture number
  231. mov r2, r8 @ restore atags pointer
  232. mov pc, r4 @ call kernel
  233. 至此,开始正式跳到内核代码执行!
  234. 遗留问题解决:
  235. 问题1:zImage是如何知道自己最后的运行地址是0x30008000的?
  236. 这个地址的确定和Makefile和链接脚本有关
  237. 在arch/arm/mach-s3c2410/Makefile.boot中
  238. zreladdr-y := 0x30008000 这个就是zImage的运行地址了
  239. 在arch/arm/boot/Makefile文件中
  240. ZRELADDR := $(zreladdr-y)
  241. 在arch/arm/boot/compressed/Makefile文件中
  242. zreladdr=$(ZRELADDR)
  243. 在arch/arm/boot/compressed/head.S中有
  244. .word zreladdr @ r4
  245. 内核就是用这种方式让代码知道最终运行的位置的
  246. 问题2:调用decompress_kernel函数时,其4个参数是什么值及物理含义?
  247. decompress_kernel(ulg output_start,
  248. ulg free_mem_ptr_p,
  249. ulg free_mem_ptr_end_p,
  250. int arch_id)
  251. output_start:指解压后内核输出的起始位置,紧接在解压缓冲区后;
  252. free_mem_ptr_p:解压函数需要的内存缓冲开始地址;
  253. free_mem_ptr_end_p:解压函数需要的内存缓冲结束地址,共64K;
  254. arch_id :architecture ID,对于SMDK2410这个值为193;
  255. 问题3:解压函数是如何确定代码中压缩内核位置的?
  256. 首先看看piggy.o是如何生成的,在arch/arm/boot/compressed/Makefie中
  257. $(obj)/piggy.$(suffix_y): $(obj)/../Image FORCE
  258. Piggy.gzip.o是由piggy.gzip.S生成的,咱们看看piggy.gzip.S的内容:
  259. .section .piggydata,#alloc
  260. .globl input_data
  261. input_data:
  262. .incbin "arch/arm/boot/compressed/piggy.gzip"
  263. .globl input_data_end
  264. input_data_end:
  265. 再看看misc.c中decompress_kernel函数吧,它将调用gunzip()解压内核。
  266. gunzip()在lib/inflate.c中定义,它将调用NEXTBYTE(),进而调用get_byte()来获取压缩内核代码。
  267. 在misc.c中
  268. #define get_byte() (inptr < insize ? inbuf[inptr++] : fill_inbuf())
  269. 查看fill_inbuf函数
  270. int fill_inbuf(void)
  271. {
  272. if (insize != 0)
  273. error("ran out of input data");
  274. inbuf = input_data;
  275. insize = &input_data_end[0] - &input_data[0];
  276. inptr = 1;
  277. return inbuf[0];
  278. }
发现什么没?这里的input_data不正是piggy.gzip.S里的input_data吗?这个时候应该
明白内核是怎样确定piggy.gz在zImage中的位置了吧。
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