Linux啟動流程_LK流程_Kmain（0）

阿新 • • 發佈：2019-01-01

深入，並且廣泛
				-沉默犀牛

此篇部落格原部落格來自freebuf，原作者SetRet。原文連結：https://www.freebuf.com/news/135084.html

寫在前面的話

寫這篇文章之前，我只好假定你所知道的跟我一樣淺薄（針對本文這一方面），所以如果你看到一些實在是太小兒科的內容，請你多加擔待，這確實就是我目前的水平，謝謝。

首先要說的一點是，之前我總以為 LK = Uboot = Bootloader，其實它們的關係是這樣的：
Bootloader是linux的啟動載入程式，是一種概念。LK 和 Uboot 是兩個實實在在的程式
它們的關係可以類比為：“主食（Bootloader）中有大米（LK）和白麵（Uboot）”

LK是高通平臺通用的Bootloader，並且根據平臺的不同，LK的執行也稍有不同
（比如A平臺走了A函式，而B平臺可能不會走A函式）

這裡就開始了！

這一系列分為四個部分（Kmain之前的部分不講了）：

Kmain
bootstrap2
aboot_init（包含fastboot）
recovery/normal boot（也是在aboot_init函式中的，只是太重要了，分出來寫）

大致描述Kmain

Kmain函式路徑為bootloader/lk/kernel/main.c
在Kmain之中所做的事情可以分為兩類：

 1. 偏向於硬體的初始化，這是後續執行的基本要求

	 1.1 thread_init_early		（完成早期執行緒初始化工作）
	 1.2 arch_early_init		（這個函式的程式碼也主要是針對 CPU 的一些特性做設定）
	 1.3 platform_early_init	（初始化平臺的相關硬體裝置包括主機板，時鐘，中斷控制器，scm 等為 lk 的啟動和
							     執行提供硬體環境）
	 1.4 target_early_init		（為開啟除錯 uart 除錯介面）

 2. 偏向於軟體環境，和具體的硬體資訊沒有很強的關聯性
	 2.1 bt_set_timestamp		（讀取當前的 TimeTick 然後儲存到 bootstate 中）
	 2.2 call_constructors		（主要是為了呼叫 c++ 程式碼的建構函式，單純的 lk 中這個函式並沒有作用）
	 2.3 heap_init				（這個函式的作用就是初始化堆空間）
 	 2.4 thread_init			（關於執行緒的初始化在 thread_init_early 中已經完成，thread_init 只是一個空介面）
	 2.5 dpc_init				（就是建立並啟動一個名為 dpc 的執行緒）
 	 2.6 timer_init 			（主要的作用建立 lk 中的定時器連結串列和定時器處理函式）
 	 
 3. 建立bootstrap2

細化上述函式_硬體初始化

thread_init_early()

void thread_init_early(void)
{
	int i;
	
	for (i=0; i < NUM_PRIORITIES; i++)			//初始化run_queue(執行佇列)
		list_initialize(&run_queue[i]);

	list_initialize(&thread_list);				//初始化執行緒連結串列

	thread_t *t = &bootstrap_thread;
	init_thread_struct(t, "bootstrap");			//建立第一個執行緒bootstrap

	t->priority = HIGHEST_PRIORITY;				//為這個執行緒賦值，下同
	t->state = THREAD_RUNNING;
	t->saved_critical_section_count = 1;
	list_add_head(&thread_list, &t->thread_list_node);
	current_thread = t;							//current_thread賦值為當前thread
}

這裡面涉及到的幾個重要結構體：
1.執行佇列 run_queue ：作為多執行緒的排程中心存在，陣列不同的下標對應不同的 執行優先順序
2.執行緒連結串列 thread_list ：全域性的執行緒連結串列，儲存了所有建立的執行緒資訊
3.執行緒結構體thread_t：每個執行緒的上下文資訊都通過 thread_t 結構體儲存
4.current_thread ：是一個全域性變數，儲存了當前執行的執行緒的資訊

arch_early_init

這個函式太偏向於硬體，設定方法都是按住 CPU 手冊來進行，所以只需要知道開啟了以下幾個功能即可：
1.設定異常向量基地址為 0x8F600000
2.開啟 cpu mmu(memory manager unit) 記憶體管理單元。
3.開啟一些協處理器特性

platform_early_init

整個 platform_early_init 的作用就是初始化平臺的相關硬體裝置
包括主機板（board），時鐘（clk），通用中斷控制器（qgic），安全（scm）等，為 lk 的啟動和執行提供硬體環境

void platform_early_init(void)
{
	board_init();			// 主要工作是獲取主機板的相關資訊並填充到相關結構中
	platform_clock_init();	//就是初始化平臺的一系列時鐘
	qgic_init();			//主要的作用就是初始化 QGIC
	qtimer_init();			//
	scm_init();				//檢查 scm 是否能夠使用
}

接下來分別再進一步解釋以上五個函式

board_init

struct board_data {
  uint32_t platform;
  uint32_t foundry_id;
  uint32_t chip_serial;
  uint32_t platform_version;
  uint32_t platform_hw;
  uint32_t platform_subtype;
  uint32_t target;
  uint32_t baseband;
  struct board_pmic_data pmic_info[MAX_PMIC_DEVICES];
  uint32_t platform_hlos_subtype;
  uint32_t num_pmics;
  uint32_t pmic_array_offset;
  struct board_pmic_data *pmic_info_array;
};

填充的就是這樣的以上結構體，獲取資訊的具體來源涉及到 sbl1 等其他模組。

platform_clock_init

這個函式根據定義好的資料結構定義一系列時鐘，資料結構體（在msm8953平臺下）形如：

static struct clk_lookup msm_clocks_8953[] =
{
	CLK_LOOKUP("sdc1_iface_clk", gcc_sdcc1_ahb_clk.c),
	CLK_LOOKUP("sdc1_core_clk",  gcc_sdcc1_apps_clk.c),

	CLK_LOOKUP("sdc2_iface_clk", gcc_sdcc2_ahb_clk.c),
	CLK_LOOKUP("sdc2_core_clk",  gcc_sdcc2_apps_clk.c),

	CLK_LOOKUP("uart1_iface_clk", gcc_blsp1_ahb_clk.c),
	CLK_LOOKUP("uart1_core_clk",  gcc_blsp1_uart1_apps_clk.c),

	CLK_LOOKUP("uart2_iface_clk", gcc_blsp1_ahb_clk.c),
	CLK_LOOKUP("uart2_core_clk",  gcc_blsp1_uart2_apps_clk.c),

	CLK_LOOKUP("usb30_iface_clk", gcc_pc_noc_usb30_axi_clk.c),
	CLK_LOOKUP("usb30_master_clk", gcc_usb30_master_clk.c),
	CLK_LOOKUP("usb30_pipe_clk", gcc_usb30_pipe_clk.c),
	CLK_LOOKUP("usb30_aux_clk", gcc_usb30_aux_clk.c),
	CLK_LOOKUP("usb2b_phy_sleep_clk", gcc_usb2a_phy_sleep_clk.c),
	CLK_LOOKUP("usb30_phy_reset", gcc_usb30_phy_reset.c),
	CLK_LOOKUP("usb30_mock_utmi_clk", gcc_usb30_mock_utmi_clk.c),
	CLK_LOOKUP("usb_phy_cfg_ahb_clk", gcc_usb_phy_cfg_ahb_clk.c),
	CLK_LOOKUP("usb30_sleep_clk", gcc_usb30_sleep_clk.c),

	CLK_LOOKUP("mdp_ahb_clk",          mdp_ahb_clk.c),
	CLK_LOOKUP("mdss_esc0_clk",        mdss_esc0_clk.c),
    	CLK_LOOKUP("mdss_esc1_clk",        mdss_esc1_clk.c),
	CLK_LOOKUP("mdss_axi_clk",         mdss_axi_clk.c),
	CLK_LOOKUP("mdss_vsync_clk",       mdss_vsync_clk.c),
	CLK_LOOKUP("mdss_mdp_clk_src",     mdss_mdp_clk_src.c),
	CLK_LOOKUP("mdss_mdp_clk",         mdss_mdp_clk.c),

	CLK_LOOKUP("ce1_ahb_clk",  gcc_ce1_ahb_clk.c),
	CLK_LOOKUP("ce1_axi_clk",  gcc_ce1_axi_clk.c),
	CLK_LOOKUP("ce1_core_clk", gcc_ce1_clk.c),
	CLK_LOOKUP("ce1_src_clk",  ce1_clk_src.c),
};

qgic_init

qgic 是Qualcomm generic interrupt controller 的簡寫，也就是高通通用中斷控制器
其中做了兩步：
1.qgic 分配器的初始化
2.qgic cpu 控制器的初始化

qtimer_init

為timer設定頻率，在很多平臺下都是19200000

scm_init

這個函式檢查了scm是否能夠使用，scm 是 secure channel manager的簡稱，負責normal world 和 secure world 之間的通訊， secure world 就是trustzone。

scm_init -> scm_arm_support_available() -> is_scm_call_available() -> scm_call2()

最終會呼叫到scm_call2()這個函式，它其實就是 TrustZone 開放給普通世界的 API 介面，這個函式的兩個輸入引數很重要：
scmcall_arg ( 這個結構想當於一個數據包，負責攜帶需要傳遞給 TrustZone 的引數資訊)

typedef struct { 				
	uint32_t x0;/* command ID details as per ARMv8 spec :
					0:7 command, 8:15 service id
					0x02000000: SIP calls
					30: SMC32 or SMC64
					31: Standard or fast calls*/
	uint32_t x1; /* # of args and attributes for buffers
				  * 0-3: arg #
				  * 4-5: type of arg1
				  * 6-7: type of arg2
				  * :
				  * :
				  * 20-21: type of arg8
				  * 22-23: type of arg9
				  */
	uint32_t x2; /* Param1 */
	uint32_t x3; /* Param2 */
	uint32_t x4; /* Param3 */
	uint32_t x5[10]; /* Indirect parameter list */
	uint32_t atomic; /* To indicate if its standard or fast call */
} scmcall_arg;

scmcall_ret (這個結構則儲存著 TrustZone 返回的資料資訊，但是隻有資料小於 12 位元組才用這個結構返回，其他的資料應該在引數中放入一個返回用的 buffer 和長度)

typedef struct
{
	uint32_t x1;
	uint32_t x2;
	uint32_t x3;
} scmcall_ret;

target_early_init

這個函式的主要作用是為平臺開啟除錯 uart 除錯介面

void target_early_init(void)
{
#if WITH_DEBUG_UART
	uart_dm_init(1, 0, BLSP1_UART0_BASE);
#endif
}

可見定義了WITH_DEBUG_UART巨集，就可以開啟uart除錯介面，比如可以開啟串列埠列印

細化上述函式_軟體初始化

bs_set_timestamp

這個函式的呼叫過程有些複雜，不好貼程式碼
描述一下函式功能好了：就是讀取當前的 TimeTick 然後儲存到 bootstate 中。

讀取TimeTick的地址為：

#define MPM2_MPM_SLEEP_TIMETICK_COUNT_VAL  0x004A3000   //平臺不同地址可能不同

儲存到bootstate的地址為：

#define MSM_SHARED_IMEM_BASE               0x08600000
#define BS_INFO_OFFSET                     (0x6B0)
#define BS_INFO_ADDR                       (MSM_SHARED_IMEM_BASE + BS_INFO_OFFSET)

bootstate 的地址其實就是一個數據結構，每個成員儲存了對應的時間資訊，具體的成員對應的含義有以下定義：

enum bs_entry {
	BS_BL_START = 0,
	BS_KERNEL_ENTRY,
	BS_SPLASH_SCREEN_DISPLAY,
	BS_KERNEL_LOAD_TIME,
	BS_KERNEL_LOAD_START,
	BS_KERNEL_LOAD_DONE,
	BS_DTB_OVERLAY_START,
	BS_DTB_OVERLAY_END,
	BS_MAX,
};

當前設定的就是 BS_BL_START 的時間，代表了 bootloader 的啟動時間

call_constructors

這個函式是 lk 和 c++ 聯合編譯使用的特性，主要是為了呼叫 c++ 程式碼的建構函式，單純的 lk 中這個函式並沒有作用

static void call_constructors(void)
{
	void **ctor;

	ctor = &__ctor_list;
	while(ctor != &__ctor_end) {
		void (*func)(void);

		func = (void (*)())*ctor;

		func();
		ctor++;
	}
}

heap_init

這個函式的作用就是初始化堆空間

void heap_init(void)
{
	LTRACE_ENTRY;

	// set the heap range
	theheap.base = (void *)HEAP_START;
	theheap.len = HEAP_LEN;

	LTRACEF("base %p size %zd bytes\n", theheap.base, theheap.len);

	// initialize the free list
	list_initialize(&theheap.free_list);

	// create an initial free chunk
	heap_insert_free_chunk(heap_create_free_chunk(theheap.base, theheap.len));

	// dump heap info
//	heap_dump();

//	dprintf(INFO, "running heap tests\n");
//	heap_test();
}

其中涉及到的最重要的全域性變數就是 theheap, 這個變數儲存了 lk 所使用的堆空間的資訊，其結構如下：

struct list_node {
  struct list_node *prev;
  struct list_node *next;
};

struct heap {
	void *base;
	size_t len;
	struct list_node free_list;
};

static struct heap theheap;

theheap.base 和 theheap.len 對應的巨集定義如下：

// end of the binary
extern int _end;

// end of memory
extern int _end_of_ram;

#define HEAP_START ((unsigned long)&_end)
#define HEAP_LEN ((size_t)&_end_of_ram - (size_t)&_end)

_end 和 _end_of_ram 這兩個符號都是在連結的時候由連結器來確定的。_end 表示程式程式碼尾地址， _end_of_ram 表示 lk 記憶體尾地址，也就是說 lk 堆空間就是程式程式碼尾部到記憶體尾部所有空間。
theheap.free_list 維護著一個堆連結串列，其中儲存著堆中所有空閒的堆塊，現在的初始化階段，只有一塊完整的堆空間。

thread_init

thread_init 函式位於 kernel/thread.c 檔案中，關於執行緒的初始化在 thread_init_early 中已經完成， thread_init 只是一個空介面

dpc_init

建立並啟動一個名為 dpc 的執行緒， dpc 的全稱是 deferred procedure call, 就是延期程式呼叫的意思
它的作用是可以在其中註冊函式，然後在觸發 event 時呼叫函式

void dpc_init(void)
{
	thread_t *thr;

	event_init(&dpc_event, false, 0);

	thr = thread_create("dpc", &dpc_thread_routine, NULL, DPC_PRIORITY, DEFAULT_STACK_SIZE);
	if (!thr)
	{
		panic("failed to create dpc thread\n");
	}
	thread_resume(thr);
}

timer_init

主要的作用建立 lk 中的定時器連結串列和定時器處理函式

void timer_init(void)
{
	list_initialize(&timer_queue);										//建立 lk 中的定時器連結串列

	/* register for a periodic timer tick */
	platform_set_periodic_timer(timer_tick, NULL, 10); /* 10ms */		
}

其中全域性連結串列 timer_queue 的作用就是儲存定時器，而 timer_tick 函式的作用則是遍歷 timer_queue 來處理其中註冊的定時器回撥函式

每個定時器都儲存在 struct timer_t 型別的結構體中：

typedef struct timer {
  int magic;
  struct list_node node;

  time_t scheduled_time;
  time_t periodic_time;

  timer_callback callback;
  void *arg;
} timer_t;

建立bootstrap2

	dprintf(SPEW, "creating bootstrap completion thread\n");
	thr = thread_create("bootstrap2", &bootstrap2, NULL, DEFAULT_PRIORITY, DEFAULT_STACK_SIZE);
	if (!thr)
	{
		panic("failed to create thread bootstrap2\n");
	}
	thread_resume(thr);

就是建立了執行緒bootstrap2

原文中有關使用執行緒的部分，我單開一篇部落格來寫。
最後再強調一遍，此部落格只是再次整理加工了一下別人的文章，作為記錄，方便自己和正在看文章的你以後檢視，原文作者：SetRet 原文連結：https://www.freebuf.com/news/135084.html