linux 启动过程

说起 linux 的启动，用“牵一发动全身”来形容在形象不过了。虽然按下开关后，屏幕仍然是黑黑的，但是实际上程序已经在策马奔腾。

基础部分

段说明

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cpp段说明
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dg-created: 2023-03-28T16:29:56+08:00
dg-updated: 2023-03-28T16:30:13+08:00

段说明

text 段，代码段，通常指用来存储程序代码的一块内存区域。区域的大小在程序运行前就已经确定。
data 段，数据段，通常指用来存储程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。数据段属于静态内存分配。
bss 段，通常指用来存储程序中未初始化的全局变量和静态变量的一块区域。bss 段属于静态内存分配。
init 段，linux 定义的一种在初始化过程中才会用到的段，一旦初始化完成，这段的内存就会被释放掉。

linux 中的各种地址

地址

在 linux 中，存在以下地址

加载地址
运行地址
链接地址
虚拟地址
物理地址

加载地址

程序中指令和数据加载到 RAM 上的地址

运行地址

CPU 执行一条指令时的执行地址，也就是 PC 寄存器的值

链接地址

链接过程中链接器为指令和变量分配的地址

物理地址

CPU 在访问内存时，要给出内存的地址。所有的内存单元构成一个一维的线性空间，每一个内存单元在这个空间里面都有唯一的一个地址，我们将这个唯一的地址称为物理地址。

在 8086 CPU（16 位）中，能够一次处理、传输、暂时存储的信息的大小为 16 位。在 CPU 访问内存时，其地址在送上地址总线之前，必须由 CPU 处理。

8086CPU 有 20 根地址总线，其最大寻址范围是 1MB。如果直接由 CPU 发出，那么地址只有 16 位，与事实显然不符。那么，是怎么解决的呢？

引入偏移地址（段内偏移），

$物理地址 = 段地址 << 4 + 偏移地址$

虚拟地址/逻辑地址

在早期的 CPU 中，没有虚拟地址的概念，程序是直接运行在物理地址中的。

随着科技的发展，将程序直接跑在物理地址下越来越不方便：

进程空间地址不隔离
内存使用效率低
程序运行的地址不确定

为了解决这个问题，人们想了一个中间层（MMU），利用一种间接的方法去访问内存。

graph LR

 进程A--> MMU --> 物理内存
 进程B--> MMU

地址之间的关系

地址解释
- 加载地址：程序中指令和数据加载到 RAM 上的地址
- 运行地址：CPU 执行一条指令时的执行地址，也就是 PC 寄存器的值。
- 链接地址：链接过程中链接器为指令和变量分配的地址
地址之间的关系
注意运行并不一定完全和链接地址相同，也不一定完全和加载地址相同
- 如果没有打开 MMU，并且使用的是位置相关设计，那么加载地址、运行地址、链接地址需要保持一致。比如 u-boot
- 打开 MMU 之前，如果使用的是位置无关设计，那么运行地址和加载地址是一致的。比如 kernel 在打开 MMU 之前，使用的是位置无关设计位置无关设计，其运行地址与加载地址一致。
- 如果打开了 MMU，那么运行地址和链接地址相同。硬件会自动根据运行地址计算并寻址到对应的加载地址上。
举例说明
以 s5pv210 为例
- u-boot 阶段没有打开 MMU，并且使用的是位置相关设计，所以加载地址和链接地址都需要是相同的，也就是 0x23E00000
- kernel 启动过程中，在打开 MMU 之前，使用的是位置无关设计，
  内核镜像加载地址是 0x20008000，链接地址是 0xc0008000，运行地址是 0x20008000
- 打开 MMU 之后，
  内核镜像加载地址是 0x20008000，链接地址是 0xc0008000，运行地址是 0xc0008000

Linux 操作系统启动流程

在 x86 下，其启动流程如下，arm 平台与 x86 启动不一致。

第一阶段硬件引导启动

第一阶段主要是硬件引导启动，

x86 平台

CPU 运行在实模式中，其物理地址： $C S * 16 + E I P$ ， $C S$ 段地址， $E I P$ 段内偏移地址

当你按下 power 键的那一刻，CS 寄存器被复位为 0xFFFF，EIP 寄存器被复位为 0，CPU 访问地址为：0xFFFF0，在实模式下，此时还没有突破 A20 线，其可访问的最大地址也就是 0xFFFFF(1Mb)，此处只有 16 字节，太小以至于无法存储 bios 代码，所以此处一般为一个跳转指令，跳转到真正的 bios 处，然后在执行 bios 的代码。

在 bios 中，首先会 POST：Power On Self Test, 上电自检，之后对计算机各部件进行初始化，如有错误则报警提示。

下一步在外部存储器中寻找操作系统，找到第一个可启动设备。

什么是可启动设备

在存储器中，第一个扇区（512 字节）的最后两字节为 0x55, 0xaa，则称该存储器为可启动设备

在 linux 中是这样处理的

接着将第一个可启动设备的第一个扇区拷贝到 0x7c00 处，跳到 0x7c00 处执行。

为什么是 0x7c00

IBM 钦定，1981 年发布的 IBM PC 5150，其内存大小是 32KB，
0x7c00 是 32KB 内存的倒数 1024 字节，从 0x7c00 的前 512 字节是 BIOS 用来加载 MBR 的，剩下的 512 字节，用来存储 MBR 执行时产生的数据。
至于为什么放在后面？是为了减少内存碎片，在操作系统启动后，这部分空间是会被覆盖的。
详见 https://www.zhihu.com/question/340358237
跳转到 0x7c00 处继续执行，在不同的代码里面有不同的处理方式

在第一个扇区的代码中，又将自己从 0x7c00 搬至 0x90000 处，接着将可启动硬盘的后 2-5 扇区搬至 0x90200 处，详见 linux 0.11 源码分析#跳转至 0x9c000 处对内存进行分配

Arm 侧

当 Arm 处理器上电后，首先会运行 BootRom，BootRom 会初始化处理器并加载 Bootloader。

在 u-boot 2014.04 中是这样处理的

TODO

在 s5pv210 Arm 中，iRom 内部的代码是原厂固定好的，会通过 IO 选择从哪里启动，例如是 eMMC，则会自然而然的去 eMMC 中找启动程序，找到后（uboot-spl），会将这 8k 的程序拷贝到 iRam 中执行。
BL1 初始化系统时钟，UART，SDRAM 等设备，然后 u-boot 并跳转到 u-boot 中执行，这样 u-boot 就真正的起来了。

第二阶段 bootloader

是一个小的裸机程序，它的的主要任务是加载内核镜像并将其解压到内存中。常见的 bootloader 有 u-boot、redboot 等。

后面分析 u-boot

TODO 待分析

bootm Legacy-uImage加载地址 ramdisk加载地址 dtb加载地址

在 u-boot 中，使用 bootm 命令将 kernel、dtb 载入，并搬运至指定地址（此指定地址受限于芯片手册中的 SDRAM 的首地址，一定要在手册中的 SDRAM 地址限定范围内）

在 boot_jump_linux 中，配置内核启动之前对寄存器的要求：R0 为 0，R1 为 machid，R2 为 atags 或设备树地址。

接着就是 kernel_entry(0, machid, r2) 也就是执行内核 entry point 处的代码，换句话说，就跳转到了 kernel 中。

第三阶段 kernel 初始化阶段

当前内核版本 5.17

进入 kernel 的限制条件

CPU 必须处于 supervisor 模式，并且 IRQ 和 FIQ 中断都是禁止的。
MMU（内存管理单元必须是关闭的），此时就是物理地址
Data cache 必须是关闭的
Instruction cache 可以是打开的，也可以是关闭的，没有强制要求
CPU 寄存器 R0 必须为 0
CPU 寄存器 R1 必须为 Arm Linux Machine Type (machid)
CPU 寄存器 R2 必须为 atag 或设备树地址

在 head.S 中主要功能如下，按照从前往后的顺序

进入到 kernel 后，此时 R1 值为 machid、R2 值为 atags 或设备树地址。
获取 phys_offset 到 R8、cpuid 到 R9、procinfo 到 R10 寄存器
- R8 为 phys_offset
- R9 为 cpuid
- R10 为 procinfo
__vet_atags 校验 atags 的有效性
__create_page_tables 创建页表
在使能 mmu 之后跳转至 __mmap_switched
- __mmap_switched 在 head-common.S 中
- 其主要功能
  - 解压/拷贝到 RAM 中
  - clear .bss
  - 获取 swapper 的 task_init
  - 保存 processor ID、machine type、atags pointer、control register value
  - 如果定义了 CONFIG_KASAN 选项，则要开启 kasan_early_init
  - 最后跳转到 start_kernel
__enable_mmu 使能 mmu

在 init/main.c 的 start_kernel 中，主要的功能如下

linux 启动过程

基础部分

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