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一 基础环境
1 硬件基础环境
2 软件基础环境
2.1 Uboot
2.2 内核
2.3 文件系统
二 启动过程
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7 一 基础环境
1 硬件基础环境 CPU、内存和FLASH为基础环境#xff0c;有了这三样#xff0c;程序就可以跑起来。在此基础上补充各种外设#xff…目录
一 基础环境
1 硬件基础环境
2 软件基础环境
2.1 Uboot
2.2 内核
2.3 文件系统
二 启动过程
1
2
3
4
5
6
7 一 基础环境
1 硬件基础环境 CPU、内存和FLASH为基础环境有了这三样程序就可以跑起来。在此基础上补充各种外设扩展功能丰富应用场景。
2 软件基础环境 软件基础环境主要由UBOOT、内核和文件系统构成。
2.1 Uboot UBOOT为引导程序完成基本的一些初始化工作可提供系统刷机升级、引导内核的功能。 UBOOT中一般使用物理地址不进行虚拟地址到物理地址的转换。当然也可以做这项工作但是作为boot程序简单考虑没有这样做的必要。 嵌入式Linux的引导程序也不止uboot一种只是目前uboot较为流行。 我们测试中uboot配置的变量保存在flash中uboot结尾的部分。实际产品中有不同的方案可以选择。比如对flash进行定制分区提供专门存放数据的分区并提供备份。 在海思系列中uboot中提供了片上芯片的专用配置比如管脚复用情况上拉下拉配置输出驱动能力配置等。 uboot会影响系统整体启动的时间可以通过缩减部分检测功能修改hit key时间等加快整机启动速度。 uboot对应的kernel格式为压缩后加头部信息的uImage格式镜像。可以传递参数给kernel。 uboot自身支持组合命令可以将多个操作放在一起重命名为一个组合命令有点类似函数调用子函数的意味。 总的原则来讲uboot就是用最简单的方式提供一些便捷的基础功能。本身主要用于引导执行完成后就退出内存。
2.2 内核 内核提供操作系统基础环境。诸如驱动、进程、内存管理、文件系统、网络、体系结构支持等。 了解内核需要了解 1 内核有自己的编码风格 2 内核使用GNU C对标准C有扩展。这些扩展会要求汇编时做一些处理这些处理会方便内核处理底层逻辑。比如放到特定的段结构体的初始化对齐0长度数组等。但是内核也受C的一些约束比如变量要在函数开头定义好。 3 内核提供一些标准数据结构和宏方便功能实现。比如链表、通过域获取结构体的地址等。另外提供树、加密等标准功能模块。 4 内核提供一些数据结构和宏用于处理体系结构差异比如机器相关数据结构大小端、字节对齐、IO访问宏等 5 内核工作基础基于时钟、中断 6 上述基础上提供进程、进程管理、进程调度 7 上述基础上提供内存、内存管理、内存映射、DMA内存 8 上述基础上提供锁和同步原语接口自旋锁、信号量、互斥锁、读写锁、读写更新锁 9 内核提供SMP的支持提供抢占包括单CPU的抢占、CPU之间的抢占 10 内核提供针对每个CPU独立的数据减少锁和缓存失效可能 11 内核提供文件系统接口支持虚拟文件系统 12 内核提供驱动框架封装硬件包括CPU、CPU片上控制器、各种硬件接口及总线、字符设备、块设备、网络设备并进行全局的文件化抽象。 13 内核提供驱动框架的抽象化从总线、设备、驱动引申出平台总线、设备及驱动再到对象、集合、类型框架最终导出sysfs 14 内核提供延迟、休眠接口提供信号唤醒机制提供异步IO机制提供事件上报机制基于sysfs。 15 内核提供用户空间和内核空间信息的交换包括内存映射、驱动ioctl、sysfs、netlink等 16 内核提供模块机制提供依赖解决方案模块可支持参数读取简化内核的扩展 17 内核提供对错误信息的日志输出方便调试 18 内核提供系统调用实现用户空间和内核空间的切换 19 内核提供丰富全面的配置接口大部分运行时可配可对各种策略、算法、功能、模块进行粗调细调从而发挥机制的统领作用实现一定程度的通用性。 20 内核提供大量的编译配置从而具备很强的可伸缩性适用于从单核、低速、低内存的嵌入式设备到集群、高性能、高可靠的服务器领域。
2.3 文件系统 文件系统典型的Busybox提供应用基础环境。包括C库基础命令工具文件系统使用环境等。 同ubootbusybox也只是一种比较流行的基础文件系统环境还有其他的方案可供选择。比如buildroot?构建工具 Busybox主要是提供根文件系统。根文件系统首先提供一个init程序该程序是内核完成工作后调用用户空间的第一个程序。 通过init程序不断的准备用户空间环境并fork出新的程序最终完成系统的整体启动进入shell怠速状态。 init作为所有用户空间进程的祖父进程根据Linux的进程管理关系可以最终获知任何僵尸进程的退出信息并进行服务程序的重启管理等。 在上述三者基础上提供专有应用的软件基础环境。
二 启动过程
1 内核可以接受多种参数以便定制化自己的启动约束条件诸如分区信息、初始程序等。 内核参数一般可以由UBOOT提供。setenv可以设置保存UBOOT的环境参数。UBOOT将环境参数保存到UBOOT分区的特定位置一般是开始或者结尾部分。 UBOOT运行完成后根据配置的分区信息、内核地址、启动地址及内核初始参数将内核代码加载到内存固定地址中然后跳转到内核起始代码处执行并最终进入start_kernel执行。 UBOOT在将CPU控制权限交给内核时需要传递一些参数。参数传递方式无外乎两种一种是通过压栈的方式这跟函数调用一致一种是传递参数存储地址的方式比如将参数区域地址放入某个通用寄存器然后kernel启动后从该寄存器指示的地址区域获取启动参数。无论哪一种方式都需要对参数格式有统一约定。 对于栈方式需要构建栈环境。开始的汇编代码并不天然的具备栈调用基础。 具体如何跳转的从汇编角度来看涉及修改pc寄存器值得指令都可能实现跳转功能。但跳转到内核有一个特点就是永远不会再回来了。这是跟普通代码中的跳转最大的不同。 关于地址内核各个模块编译后的地址都是相对地址。最后生成类似vmlinux文件后各个符合的地址就是最终确定的虚拟地址。我们也可以使用vmlinux生成的符合来debug内核协助解决内核中出现的问题。
2 Start后内核进行初始化工作。这过程中包括对CPU子系统的初始化进程管理的构建内存管理的构建公共子系统的构建比如中断框架锁框架延时、定时器、模块、对象等等。 这里我们没有提到设备驱动显然驱动加载是初始化过程中的重要一环总不能操作系统运行起来了各种外设硬件资源不能使用。但是这里我们没有把驱动放在前面这是为什么? 这可以转化为一个新的问题即设备驱动在内核初始化过程中是什么时候加载执行的?答案是驱动没有想象中加载的那么早。 驱动是在内核线程1启动后在内核线程1中加载的。该线程后续孵化了各种应用层程序所以该内核线程是具有应用进程内存映射区的。关于这一点后面会单独说明。 根据内核注释设备驱动加载时CPU子系统已经构建起来并运行了。内存和进程管理也开始工作了。 据此我们可以反推在驱动中可能用到内核的不少特性比如内存分配各种锁中断子系统软中断线程工作队列等待队列睡眠等等。 另外驱动还可能与用户空间打交道比如ioctl有可能要用吧内核空间和用户空间内存拷贝可能要用吧这也是为啥要用内核线程1因为内核线程2孵化的线程都是纯内核线程没有用户空间内存映射的。 对了驱动模型也需要提前构建好。比如sys子系统其目录下的各个子目录驱动加载过程中可能会用到。 所以总结一句话驱动模块的加载没有想象的那么早因为准备工作的确不少。驱动加载后就要执行初始化程序。 驱动的初始化是串行的吗
3 内核完成初始化后需要挂载根文件系统执行用户空间程序将控制权交给应用层用户。这其中用户空间的初始程序可以是通过bootargs参数传递给内核的也可以是根文件系统中默认的。 默认方式的程序在内核的main文件中预定义了四个分别处于不同的路径下。 如何从内核空间切换到第一个用户空间 init进程调用run_init_process -- do_execve加载新的可执行文件执行。需要准备环境变量需要加载elf可执行文件代码需要加载相关动态库 上述资源的加载更需要建立新的页表映射。 最后是否需要通过模拟软中断返回将控制权限交给应用层代码这是需要的切换到用户空间之后特权指令就是关闭的。 内核态切换到用户态应该是需要通过模拟中断返回退出内核态。init进程应该没有返回。否则返回到哪里在内核kernel_execve执行用户空间代码时有b ret_to_user的汇编。 因此这个调用就实现从内核态切换到用户态。仔细思考一下不单单是init后续创建新的进程时都会通过系统调用进入到内核空间在内核空间完成任务相关结构体的创建。 虽然构建工作在内核空间但运行时最终都无一例外的要回退到用户空间执行入口代码。所以切换到用户空间是一个通用需求。 四个地方是不存在跳过亦或只执行第一个存在的init程序?比如找到了两个是只执行第一个 内核1号进程先检查命令行是否提供了初始程序如果有分ramdisk和非ramdisk并且执行成功则返回否则检查四个地方这四个地方是或条件连接所以任何一个执行成功则返回并且有先后优先级顺序。
4 内核启动过程中会创建创世进程idle进程pid为0。idle进程是手工创建的也就是进程结构体所需的各个资源都是手动配置的之后的进程可以通过调用do_fork从0进程孵化出来。 idle进程创建过程中会逐步准备一个真正的内核进程所需要的资源包括虚拟内存空间等等。 idle进程的主要工作是准备资源和环境完成后进入idle状态什么也不做。内核会为每个核心配备一个idle进程调度器在发现运行队列为空时调度idle进程放空CPU。 我们看到idle进程一般执行死循环。对于CPU来讲执行循环指令和执行普通的加减指令并无特别大的区别当然指令涉及到的耗电是有一些差别的所以idle循环时并不能真的让CPU处于idle状态。 其实现代CPU都有特殊指令提供让idle的核心比较真的处于idle状态类似睡眠中并通过事件唤醒这样可以真正的降低功耗。 idle进程准备资源的过程。
5 内核启动过程中会创建两类线程由idle进程通过调用do_fork孵化。第一类的父进程是1号进程init进程。上述驱动初始化就在该进程中。 1号进程所孵化的进程都有一个特点就是这些进程都是用户空间进程。因为内核init线程挂载跟文件系统执行用户空间init程序由该init程序完成所有其他应用的创建包括所有shell方式创立的进程。 第二类是2号进程。2号进程所孵化的进程都有一个特点这些进程严格来讲应该是内核线程都没有用户空间映射。也就是说2号的孩子都运行在内核空间中。 比如内核的软中断线程工作队列线程RCU交换后台设备驱动相关的一些工作线程。这些线程一般不需要跟用户空间打交道是为整个内核服务的。 内核的进程树关系 idle 即0进程创建了 1号init 进程和 2号kthreadd 进程。 1号进程执行文件系统中的可执行程序或者命令程序创建用户空间进程。用户空间进程进一步创建新的用户空间进程。 2号进程创建内核工作所需的各类进程。这些进程是通过kernel_thread接口调用创建的。该调用将进程结构放到进程创建列表上通知2号进程。2号进程检查内核进程创建列表如果发现有需要创建的进程则创建对应的内核进程。 如果不采用这种方式而是像用户进程那样在需要的地方就直接调用do_fork创建进程显然是不行的。因为在用户空间任何一行代码都是在明确的用户进程上下文中的。 直接调用do_fork肯定是在当前用户进程基础上创建新的进程不会有任何异议。而对内核来讲如果当前的上下文是中断处理程序则上下文是不明确的 有可能是从某个内核线程切换过来的也有可能是从某个用户进程切换过来的。所以通过上述指定父进程遍历链表创建子进程的方式明确了内核进程的上下文空间。
6 对于内核初始化的时间要求 内核提供了initcall_debug参数用于辅助调试启动时间 另外内核需要打开CONFIG_PRINTK_TIME scripts脚本目录下有一个python文件bootgraph.pl可以处理启动输出的日志信息然后绘制svg图这样可以直观的看到内核启动过程的时间是如何消耗的。 命令使用方式为 dmesg | perl scripts/bootgraph.pl output.svg
7 补充关闭过程 restart软复位调用到了machine绑定的restart函数这是一个平台相关接口在海思上实现为写特定控制寄存器 应用层执行reboot程序时最终会通过系统调用执行到kernel_restart函数但是该函数的使用似乎有一些条件。 根据内核的注释来看在中断上下文中调用该接口并不安全实际测试似乎也是。 在rcu检测到stall后dump调用栈的接口中执行该重启函数并不能保证每次都会重启应该来讲大部分情况不会重启。 另外在上述接口中单独进行海思平台的软复位实际也没有重启。包括组合使用smp_send_stop、关闭中断、延时等 最终都似乎是cpu关闭了但是无法重新启动。 对于kernel_restartrcu检测到stall是在时钟中断上下文中因此不符合内核对该接口调用的要求无法完成重启似乎也能说过去也许一些操作会出现问题。 但是直接暴力写复位寄存器不能实现重启原因就不得而知。 解决方案是将kernel_restart放到工作队列中参考ctrl_alt_del快捷键的处理。实际测试可以正常重启。 另外将上述写寄存器的方法放到工作队列中让其在线程上下文中执行测试发现也不能重启。说明当前的CPU运行环境不满足复位条件。 但是海思文档中没有说明复位需要什么条件其中的原因是否跟多核有关 在应用环境中单独使用devmem写寄存器命令测试发现效果跟内核中使用命令是一样的该问题暂放 halt各个CPU核心处理后关闭中断然后while 1循环。 poweroff关机待分析。
