Linux内核自解压过程

　　Linux内核自解压过程
　　Linux内核有两种映像格式：一种是非压缩内核，叫Image，另一种是它的压缩版本，叫zImage。zImage是Image经过压缩形成的，所以它的大小比Image小。但为了能使用zImage，必须在它的开头加上解压缩的代码，将zImage解压缩之后才能执行，因此它的执行速度比Image要慢一些。
　　内核压缩和解压缩代码都在目录kernel/arch/arm/boot/compressed，编译完成后将产生head.o、misc.o、piggy.gzip.o、vmlinux、decompress.o这几个文件，head.o是内核的头部文件，负责初始设置；misc.o将主要负责内核的解压工作，它在head.o之后；piggy.gzip.o是一个中间文件，其实是一个压缩的内核（kernel/vmlinux），只不过没有和初始化文件及解压文件链接而已；vmlinux是没有（zImage是压缩过的内核）压缩过的内核，就是由piggy.gzip.o、head.o、misc.o组成的，而decompress.o是为支持更多的压缩格式而新引入的。
　　在uboot完成系统引导将Linux内核加载到内存之后，调用do_bootm_linux（），这个函数将跳转到kernel的起始位置。如果kernel没有被压缩，就可以启动了。如果kernel被压缩过，则要进行解压，在压缩过的kernel头部有解压程序。压缩过的kernel入口第一个文件源码位置在arch/arm/boot/compressed/head.S。它将调用函数decompress_kernel（），这个函数在文件arch/arm/boot/compressed/misc.c中，decompress_kernel（）又调用arch_decomp_setup（）进行设置，然后调用gunzip（）将内核放于指定的位置。
　　函数decompress_kernel实现的功能：解压缩代码位于kernel/lib/inflate.c，inflate.c是从gzip源程序中分离出来的，包含了一些对全局数据的直接引用，在使用时需要直接嵌入到代码中。gzip压缩文件时总是在前32K字节的范围内寻找重复的字符串进行编码， 在解压时需要一个至少为32K字节的解压缓冲区，它定义为window［WSIZE］。inflate.c使用get_byte（）读取输入文件，它被定义成宏来提高效率。输入缓冲区指针必须定义为inptr，inflate.c中对之有减量操作。inflate.c调用flush_window（）来输出window缓冲区中的解压出的字节串，每次输出长度用outcnt变量表示。在flush_window（）中，还必须对输出字节串计算CRC并且刷新crc变量。在调用gunzip（）开始解压之前，调用makecrc（）初始化CRC计算表。最后gunzip（）返回0表示解压成功。在内核启动时一般会看到这样的输出：
　　UncompressingLinux.。.done， booting the kernel.
　　当然有的内核没有这样的输出，是没有这一条打印语句。

　　ARM处理器相关设置
　　当Linux内核自解压完成后，开始执行内核代码。内核的入口函数由链接脚本vmlinux.lds决定，需要编译内核源码，才会生成脚本文件。
　　首先分析Linux内核的链接脚本文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds，通过链接脚本可以找到Linux内核的第一行程序是从哪里开始执行的。vmlinux.lds文件部分代码如下：
　　492 OUTPUT_ARCH（arm）
　　493 ENTRY（stext）
　　494 jiffies = jiffies_64;
　　495 SECTIONS
　　496 {
　　497 /*
　　498 * XXX： The linker does not define how output sections are
　　499 * assigned to input sections when there are multiple statements
　　500 * matching the same input section name. There is no documented
　　501 * order of matching.
　　502 *
　　503 * unwind exit sections must be discarded before the rest of the
　　504 * unwind sections get included.
　　505 */
　　506 /DISCARD/ ： {
　　507 *（.ARM.exidx.exit.text）
　　508 *（.ARM.extab.exit.text）
　　509
　　。..。..
　　645 }
　　第493行的 ENTRY 指明了Linux内核入口函数为stext，因此要分析Linux内核第二阶段的启动流程，就得先从文件 arch/arm/kernel/head.S 的stext处开始分析。
　　30.2.1 Linux内核入口函数stext
　　stext是Linux内核的入口地址，在文件arch/arm/kernel/head.S中有如下内容：
　　/*
　　* 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.
　　。..。.
　　*/
　　以上代码中的内容显示。Linux内核启动之前要求如下：
　　①　关闭MMU
　　②　关闭D-cache
　　③　不用关心I-cache
　　④　r0 = 0。
　　⑤　r1 = machine nr（机器ID号）
　　⑥　r2 = atags或者设备树（dts）首地址
　　Linux内核的入口点stext其实相当于内核的入口函数，stext函数代码如下：
　　80 ENTRY（stext）
　　。..。..
　　91 @ ensure svc mode and all interrupts masked
　　92 safe_svcmode_maskall r9
　　93
　　94 mrc p15， 0， r9， c0， c0 @ get processor id
　　95 bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid
　　96 movs r10， r5 @ invalid processor （r5=0）？
　　97 THUMB（ it eq ） @ force fixup-able long branch encoding
　　98 beq __error_p @ yes， error ‘p’
　　99
　　。..。..
　　107
　　108 #ifndef CONFIG_XIP_KERNEL
　　。..。..
　　113 #else
　　114 ldr r8， =PLAT_PHYS_OFFSET @ always constant in this case
　　115 #endif
　　116
　　117 /*
　　118 * r1 = machine no， r2 = atags or dtb，
　　119 * r8 = phys_offset， r9 = cpuid， r10 = procinfo
　　120 */
　　121 bl __vet_atags
　　。..。..
　　128 bl __create_page_tables
　　129
　　130 /*
　　131 * The following calls CPU specific code in a position independent
　　132 * manner. See arch/arm/mm/proc-*.S for details. r10 = base of
　　133 * xxx_proc_info structure selected by __lookup_processor_type
　　134 * above. On return， the CPU will be ready for the MMU to be
　　135 * turned on， and r0 will hold the CPU control register value.
　　136 */
　　137 ldr r13， =__mmap_switched @ address to jump to after
　　138 @ mmu has been enabled
　　139 adr lr， BSYM（1f） @ return （PIC） address
　　140 mov r8， r4 @ set TTBR1 to swapper_pg_dir
　　141 ldr r12， ［r10， #PROCINFO_INITFUNC］
　　142 add r12， r12， r10
　　143 ret r12
　　144 1： b __enable_mmu
　　145 ENDPROC（stext）
　　第92行，调用函数safe_svcmode_maskall确保CPU处于SVC模式，并且关闭了所有的中断。safe_svcmode_maskall定义在文件arch/arm/include/asm/assembler.h 中。
　　第94行，读处理器ID，ID值保存在r9寄存器中。
　　第95行，__lookup_processor_type调用结束返回原程序时，会将返回结果保存到寄存器中。其中r5寄存器返回一个用来描述处理器的结构体地址，并对r5进行判断，如果r5的值为0则说明不支持这种处理器，将进入__error_p。 procinfo 是 proc_info_list类 型 的 结 构 体 ，Linux内核将每种处理器都抽象为一个 proc_info_list 结构体，每种处理器都对应一个procinfo。proc_info_list在文件arch/arm/include/asm/procinfo.h 中的定义如下：
　　struct proc_info_list {
　　unsigned int cpu_val;
　　unsigned int cpu_mask;
　　unsigned long __cpu_mm_mmu_flags; /* used by head.S */
　　unsigned long __cpu_io_mmu_flags; /* used by head.S */
　　unsigned long __cpu_flush; /* used by head.S */
　　const char *arch_name;
　　const char *elf_name;
　　unsigned int elf_hwcap;
　　const char *cpu_name;
　　struct processor *proc;
　　struct cpu_tlb_fns *tlb;
　　struct cpu_user_fns *user;
　　struct cpu_cache_fns *cache;
　　};
　　第 121 行，调用函数__vet_atags 验证 atags 或设备树（dtb）的合法性。函数__vet_atags 定义在文件 arch/arm/kernel/head-common.S 中。
　　第 128 行，调用函数__create_page_tables 创建页表。
　　第 137 行，将函数__mmap_switched 的地址保存到 r13 寄存器中。__mmap_switched 定义在文件 arch/arm/kernel/head-common.S，__mmap_switched 最终会调用 start_kernel 函数。
　　第 144 行 ，调用 __enable_mmu 函 数 使 能 MMU ， __enable_mmu 定 义 在 文 件arch/arm/kernel/head.S 中。__enable_mmu 最终会通过调用__turn_mmu_on 来打开 MMU，__turn_mmu_on 最后会执行 r13 里面保存的__mmap_switched 函数。
　　30.2.2 _mmap_switched 函数
　　__mmap_switched 函数定义在文件arch/arm/kernel/head-common.S中，函数代码如下：
　　81 __mmap_switched：
　　82 adr r3， __mmap_switched_data
　　83
　　84 ldmia r3！， {r4， r5， r6， r7}
　　85 cmp r4， r5 @ Copy data segment if needed
　　86 1： cmpne r5， r6
　　87 ldrne fp， ［r4］， #4
　　88 strne fp， ［r5］， #4
　　89 bne 1b
　　90
　　91 mov fp， #0 @ Clear BSS （and zero fp）
　　92 1： cmp r6， r7
　　93 strcc fp， ［r6］，#4
　　94 bcc 1b
　　95
　　96 ARM（ ldmia r3， {r4， r5， r6， r7， sp}）
　　97 THUMB（ ldmia r3， {r4， r5， r6， r7} ）
　　98 THUMB（ ldr sp， ［r3， #16］ ）
　　99 str r9， ［r4］ @ Save processor ID
　　100 str r1， ［r5］ @ Save machine type
　　101 str r2， ［r6］ @ Save atags pointer
　　102 cmp r7， #0
　　103 strne r0， ［r7］ @ Save control register values
　　104 b start_kernel
　　105 ENDPROC（__mmap_switched）
　　第 104 行最终调用 start_kernel 来启动 Linux 内核，start_kernel 函数定义在文件 init/main.c中。
　　从start_kernel 函数开始Linux内核启动进入到下一个阶段。