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【转】uClinux 启动过程详细分析-2

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uClinux 启动过程详细分析-2

第二部分 : linux内核初始化以及启动


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第一节:start_kernel

Linux的源代码可以从 www.kernel.org 得到,或者你可以查看linux代码交叉引用网站:http://lxr.linux.no/ 进行在线的代码查看,这是一个很好的工具网站。

在start_kernel中将调用到大量的init函数,来完成内核的各种初始化。如:

图 2:kernel start up初始化过程
kernel start up初始化过程

具体内容可以参考[http://lxr.linux.no/source/init/main.c]

Linux version 2.4.22-uc0 (root@local) (gcc version 2.95.3 20010315 (release)) #33 .?1.. 20 12:09:106

上面的代码输出信息,是跟踪linux代码分析后得到的,进入init目录下的main.c的start_kernel启动函数。

uclinux使用的是linux内核版本为2.4.22。linux source code代码中start_kernel中输出的linux_banner信息。这个信息是每个linux kernel都会打印一下的信息,如果你没有把这句去掉的话。

Found bootloader memory map at 0x10000fc0.

bootloader经过内存映射后的地址为:0x10000fc0, 按上面的地址换算方法,1后面有7个0,那么虚拟地址256M左右处。

Processor: ARM pt110 revision 0

pT110是ARM微处理器arm核的一种,另一种为pT100。此处为显示ARM的类型。

On node 0 totalpages: 20480
zone(0): 20480 pages.
zone(0): Set minimum memory threshold to 12288KB
Warning: wrong zone alignment (0x90080000, 0x0000000c, 0x00001000)
zone(1): 0 pages.
zone(2): 0 pages.

预留内存大小,在节点0上总共20页, zone(0) 设置最小内存为12MB, zone(1)和zone(2)为0页。警告:对齐不正确。

Kernel command line: root=/dev/mtdblock3

Kernel 启动命令设为:/dev/mtdblock3(在后面的说明中会看到mtdblock3是指的flash上的romfs分区。),用来指定根文件系统所在的位置,kernel会将块设备mtdblock3当作文件系统来处理。也就是说,内核会根据上面的kernel命令行,知道只读文件系统romfs将是根文件系统rootfs。

start_kernel(void) 中输出的上面的这句信息。这行命令是在linux内核启动过程中都会输出的一句。

Console: colour dummy device 80x30

代码中console_init()的输出信息, 显示控制台属性:一般使用VGA text console,标准是80 X 25行列的文本控制台,这里是对属性进行了设置。

serial_xx: setup_console @ 115

串口设置值为115200,此为波特率输出信息。对串口设置的信息做一个打印的动作,在调试时会非常有用。

Calibrating delay loop... 82.94 BogoMIPS

Bogomips

Bogomips,是由linus Torvalds写的, 是Linux操作系统中衡量计算机处理器运行速度的一种尺度。提供这种度量的程序被称为BogoMips,当启动计算机时,BogoMips能显示系统选项是否处于最佳性能。

linux内核中有一个函数calibrate_delay(),它可以计算出cpu在一秒钟内执行了多少次一个极短的循环,计算出来的值经过处理后得到BogoMIPS值。你可以将计算机的bogomips与计算机处理器的bogomips进行比较。Torvalds称这个程序为BogoMips来暗示两台计算机间的性能度量是错误的,因为并非所有起作用因素都能被显示出来或被认可。尽管计算机基准中经常用到MIPS,但环境的变化容易导致度量的错误。Bogomips能测出一秒钟内某程序运行了多少次。察看/proc/cpuinfo文件中的最后一行也能得到这个数值。

Calibrate:校准, 进入时延校准循环。检查CPU的MIPS(每秒百万条指令),Bogo是Bogus(伪)的意思。这里是对CPU进行一个实时测试,来得到一个大体的MIPS数值。

上面这个输出,在所有的linux系统启动中都会打印出来。

进入内存初始化:mem_init(void), [arch/i386/mm/init.c]

Memory: 80MB = 80MB total
Memory: 76592KB available (1724K code, 2565K data, 72K init)

当前内存使用情况,将列出总的内存大小, 及分配给内核的内存大小:包括代码部分,数据部分,初始化部分,总共刚好4M。请留意此处的内核的内存大小的各个值。

进入虚拟文件系统VFS初始化:vfs_caches_init()

Dentry cache hash table entries: 16384 (order: 5, 131072 bytes)
Inode cache hash table entries: 8192 (order: 4, 65536 bytes)
Mount cache hash table entries: 512 (order: 0, 4096 bytes)
Buffer cache hash table entries: 4096 (order: 2, 16384 bytes)
Page-cache hash table entries: 32768 (order: 5, 131072 bytes)

名词:

  • ① Dentry:目录数据结构
  • ② Inode:i节点
  • ③ Mount cache:文件系统加载缓冲
  • ④ buffer cache:内存缓冲区
  • ⑤ Page Cache:页缓冲区

Dentry目录数据结构(目录入口缓存),提供了一个将路径名转化为特定的dentry的一个快的查找机制,Dentry只存在于RAM中;i节点(inode)数据结构存放磁盘上的一个文件或目录的信息,i节点存在于磁盘驱动器上;存在于RAM中的i节点就是VFS的i节点,dentry所包含的指针指向的就是它;buffer cache内存缓冲区,类似kupdated,用来在内存与磁盘间做缓冲处理;

在内存中建立各个缓冲hash表,为kernel对文件系统的访问做准备。

VFS(virtual filesystem switch)虚拟文件切换目录树有用到类似这样的结构表。

上面的输出信息,在一般的linux启动过程中都会看到。

POSIX conformance testing by UNIFIX

conformance:顺应, 一致。即POSIX适应性检测。UNIFIX是一家德国的技术公司,Linux 原本要基于 POSIX.1 的, 但是 POSIX 不是免费的, 而且 POSIX.1 证书相当昂贵. 这使得 Linux 基于 POSIX 开发相当困难. Unifix公司(Braunschweig, 德国) 开发了一个获得了 FIPS 151-2 证书的 Linux 系统. 这种技术用于 Unifix 的发行版 Unifix Linux 2.0 和 Lasermoon 的 Linux-FT。

在2.6的内核中就将上面的这句输出给拿掉了。


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第二节:用户模式( user_mode )开始,start_kernel结束

图 3:用户模式初始化
用户模式初始化

PCI: bus0: Fast back to back transfers disabled
PCI: Configured XX as a PCI slave with 128MB PCI memory
PCI: Each Region size is 16384KB
PCI: Reserved memory from 0x10080000 to 0x15080000 for DMA and mapped to 0x12000000

设备的初始化 init()--->do_basic_init()--->pci_init(),初始化PCI,检测系统的PCI设备。

Linux NET4.0 for Linux 2.4
Based upon Swansea University Computer Society NET3.039

英国威尔士,斯旺西大学的NET3.039, TCP/IP 协议栈。

此信息,在linux启动过程中都会出现。

Initializing RT netlink socket

对Socket的初始化,socket_init(),Netlink 一种路由器管理协议(linux-2.4.22netcoreRtnetlink.c,Routing netlink socket interface: protocol independent part。 其中RT是route路由的意思。这句输出是在create产生rtnetlink的socket套接字时的一个调试输出。)

此信息,在linux启动过程中都会出现。

Starting kswapd

启动交换守护进程kswapd,进程IO操作例程kpiod。

kswapd可以配合kpiod运行。进程有时候无事可做,当它运行时也不一定需要把其所有的代码和数据都放在内存中。这就意味着我们可以通过把运行中程序不用的内容切换到交换分区来更好的是利用内存。大约每隔1秒,kswapd醒来并检查内存情况。如果在硬盘的东西要读入内存,或者内存可用空间不足,kpiod就会被调用来做移入/移出操作。kswapd负责检查,kpiod负责移动。

Journalled Block Device driver loaded

加载日志块设备驱动。

日志块设备是用来对文件系统进行日志记录的一个块设备。日志文件系统是在传统文件系统的基础上,加入文件系统更改的日志记录。

它的设计思想是:跟踪记录文件系统的变化,并将变化内容记录入日志。日志文件系统在磁盘分区中保存有日志记录,写操作首先是对记录文件进行操作,若整个写操作由于某种原因(如系统掉电)而中断,系统重启时,会根据日志记录来恢复中断前的写操作。在日志文件系统中,所有的文件系统的变化都被记录到日志,每隔一定时间,文件系统会将更新后的元数据及文件内容写入磁盘。在对元数据做任何改变以前,文件系统驱动程序会向日志中写入一个条目,这个条目描述了它将要做些什么,然后它修改元数据。

devfs: v1.12c (20020818) Richard Gooch (rgooch@atnf.csiro.au)
devfs: boot_options: 0x1

Devfs模块的输出信息。设备文件系统devfs,版本1.12c

pty: 256 Unix98 ptys configured

Pty模块的输出信息,与控制台操作有关的设置。

将通过 devpts 文件系统使用 Unix98 PTYs,(Pseudo-ttys (telnet etc) device是伪ttys设备的缩写。

  • ① TTY(/dev/tty)是TeleTYpe的一个老缩写,为用户输入提供不同控制台的设备驱动程序。它的名字来源于实际挂接到 UNIX系统的、被称为电传打字机(teletype)的终端。在Linux下,这些文件提供对虚拟控制台的支持,可以通过按<Alt-F1>到<Alt-F6>键来访问这些虚拟控制台。这些虚拟控制台提供独立的、同时进行的本地登录对话过程
  • ② ttys(/dev/ttys)是计算机终端的串行接口。/dev/ttyS0对应MS-DOS下的 COM1。

使用 make dev脚本MAKEDEV来建立pty文件。这样系统内核就支持Unix98风格的pty了。在进行Telnet登录时将要用到/dev/pty设备。 pty是伪终端设备,在远程登录等需要以终端方式进行连接,但又并非真实终端的应用程序中必须使用这种设备,如telnet或xterm等程序。Linux 2.2以后增添了UNIX98风格的Pty设备,它使用一个新的文件系统(devpts针对伪终端的文件系统)和一个克隆的设备cloning device来实现其功能。

linux-2.4.22driverscharPty.c, 在devfs_mk_dir (NULL, "pts", NULL);时会输出上面的信息。

loop: loaded (max 8 devices)

加载返还块设备驱动,最多支持8个设备。

8139too Fast Ethernet driver 0.9.27
eth0: RealTek RTL8139 at 0x60112000, 00:10:0d:42:a0:03, IRQ 14
eth0: Identified 8139 chip type 'RTL-8100B/8139D'

RTL8139 的接收路径设计成一个环形缓冲区(一段线性的内存,映射成一个环形内存)。当设备接收到数据时,数据的内容就保存在这个环形缓冲区内并更新下个存储数据的地址(第一个数据包的开始地址+第一个数据包的长度)。设备会一直保留缓冲区内的数据直到整个缓冲区耗尽。这样,设备会再次重写缓冲区内起始位置的内容,就像一个环那样。

网卡驱动,基地址为:0x60112000, MAC地址:00:10:0d:42:a0:03, 中断号:14

从 2.2 版内核升级到 2.4 版时, RTL-8139 支持模块已不再叫 rtl8139,而叫它 8139too,现在你再看到8139too就不会不明白它的来由了吧。

SCSI subsystem driver Revision: 1.00

USB设备信息,USB会被当做SCSI来处理。

mumk_register_tasklet: (1) tasklet 0x905bf9c0 status @0x9025e974

软中断信息输出。Tasklet是在2.4中才出现,它是为了更好地利用多CPU。

Probing XX Flash Memory

探测 XX的闪存(Flash Memory),"NOR NAND Flash Memory Technology"。

Amd/Fujitsu Extended Query Table v1.3 at 0x0040
number of CFI chips: 1

AMD与富士通合资设立的Flash供货商Spansion。AMD因获利不佳,已经退出Flash市场,后续由Spansion合资公司经营.主要生产NOR类型的flash,特点是容量小,速度快。Spansion商标的flash,在我们开发中会经常看到。以后大家看到Spansion的芯片,就能了解到它和AMD还有富士通的来龙去脉了。

Common flash Interface (CFI)是指一个统一的flash访问接口,表示这种flash是这种接口类型的。

Using buffer write method

使用flash写缓冲方式。

flash提供了写BUFFER的命令来加快对flash上块的操作。对Flash擦除和写数据是很慢的。如果用写BUFFER的命令会快一点。据手册上说,会快20倍。Buffer Size :5 bytes的buffer缓冲不是每个块都有,是整个flash只有一个5 bytes的buffer,用写BUFFER命令对所有的块进行写操作,都要用同一个buffer,写Buffer是主要检查buffer是否available,其实buffer起缓冲作用,来提高工作效率。

比如某flash有128个128K字节块。允许用户对任意块进行字节编程和写缓冲器字节编程操作,每字节编程时间为210μs;若采用写缓冲器字节编程方式,32字节编程共需218μs,每字节编程时间仅为6.8μs。芯片的块擦除时间为1s,允许在编程或块擦除操作的同时进行悬挂中断去进行读操作,待读操作完成后,写入悬挂恢复命令,再继续编程或块擦除。

Creating 3 MTD partitions on "XX mapped flash":
0x00000000-0x00020000 : "BootLoader"
0x00020000-0x00040000 : "Config"
0x00040000-0x01000000 : "Romfs"

uclinux内核的块设备驱动

对于linux 的根文件系统,目前有三种块设备的驱动可以选择,它们分别是:

  • a) Blkmem 驱动
  • b) MTD 驱动
  • c) RAM disk 驱动

Blkmem 驱动是专门为uclinux 开发的一种块设备驱动,它是uclinux系统中最为古老和通用的块设备驱动。它原理相对简单但是配置比较复杂,需要根据你即的Flash的分区使用情况来修改代码。当然修改的结果是它可以对一些NOR型的Flash进行读写操作。不过目前支持的Flash类型不够多。如果新加入对一种Flash的支持需要作的工作量比较大。

Linux的MTD驱动是标准Linux的Flash驱动。它支持大量的设备,有足够的功能来定义Flash的分区,进行地址映射等等。使用MTD你可以在一个系统中使用不同类型的Flash。它可以将不同的Flash组合成一个线性的地址让你来使用。在标准的Linux 2.4内核中MTD有一系列的选项,你可以根据个人系统的需要来选择,定制。

另外一种选择就是RAM disk 驱动。在PC上它经常用于没有硬盘的Linux的启动过程。它和Flash没有直接的关系。不过当Flash上启动的是经过压缩的内核时。RAM disk 可以作为根文件系统。MTD 驱动提供了对Flash强大的支持,你通过它甚至可以在Flash上运行一个可以读写的真正的文件系统,比如JFFS2。而Blkmem驱动则望尘莫及。

此处为重要信息部分,需要特别留意。在内存中映射过的flash,创建三个MTD分区:

flash上的内容将被映射到内存中的对应地址

前128K为BootLoader--->0x00000000-0x00020000
接着的128K为系统配置信息Config存放的位置--->0x00020000-0x00040000
再后面的 16M - 2X128K 为romfs的存放处.--->0x00040000-0x01000000
上面的内容,大家可以根据前面的换算公式得到。

A> 编译的bootloader一般大小约50K左右;

B> 在此处就知道了配置信息config是放在第2分区中的;

C> 制作的romfs的大小,一般为8M或10M左右,所以能放得下;

NET4: Linux TCP/IP 1.0 for NET4.0

调用inet_init [ linux-2.4.22netipv4Af_inet.c ]时的输出信息, 在启动过程中被socket.c调用到。

IP Protocols: ICMP, UDP, TCP, IGMP

列出可以支持的IP协议,此处为kernel源代码inet_add_protocol(p);的输出。在linux启动过程中,都会看到这句的输出。

IP: routing cache hash table of 512 buckets, 4Kbytes

IP路由代码的输出信息。

ip_rt_init [ linux-2.4.22netipv4\Route.c ],设置 IP module,路由缓冲hash表

TCP: Hash tables configured (established 8192 bind 8192)

TCP协议初始化输出信息。tcp_init [ linux-2.4.22netipv4Tcp.c ],

NET4: Unix domain sockets 1.0/SMP for Linux NET4.0.

UNIX网络协议信息。

af_unix_init[ linux-2.4.22netunixAf_unix.c ], 多种连接的一种(IPv4, UNIX domain sockets, IPv6和IrDA). SMP 对称多处理器—Symmetrical Multi Processing,这里主要是指UNIX的一些网络协议。

上面的关于网络的输出信息是在linux启动信息中都会出现的。

cramfs: wrong magic

加载各种文件系统。

会出现“cramfs: wrong magic”,别担心这没有什么害处,这个是kernel的书写bug,在2.6中有修改之,它是一个警告信息,用来检查cramfs的superblock超级块的。superblock也是VFS要用到的数据结构。

代码linux-2.4.22fscramfsInode.c:

2.4

cramfs_read_super(。。。)
/* Do sanity checks on the superblock */
 if (super.magic != CRAMFS_MAGIC) {
  /* check at 512 byte offset */
  memcpy(&super, cramfs_read(sb, 512, sizeof(super)), sizeof(super));
  if (super.magic != CRAMFS_MAGIC) {
   printk(KERN_ERR "cramfs: wrong magicn");
   goto out;
  }
 }

2.6

if (super.magic != CRAMFS_MAGIC) {
                         if (!silent)
                                 printk(KERN_ERR "cramfs: wrong magicn");
                         goto out;
                 }

超级块是文件系统的“头部”。它包含文件系统的状态、尺寸和空闲磁盘块等信息。如果损坏了一个文件系统的超级块(例如不小心直接将数据写到了文件系统的超级块分区中),那么系统可能会完全不识别该文件系统,这样也就不能安装它了,即使采用e2fsck 命令也不能处理这个问题。

Cramfs 文件系统

cramfs 是 Linus Torvalds 本人开发的一个适用于嵌入式系统的小文件系统。由于它是只读的,所以,虽然它采取了 zlib 做压缩,但是它还是可以做到高效的随机读取。 cramfs 不会影响系统读取文件的速度,又是一个高度压缩的文件系统。

我们制作image文件之后,我们还要考虑怎样才能在系统运行的时候,把这个 image 文件 mount 上来,成为一个可用的文件系统。由于这个 image 文件不是一个通常意义上的 block 设备,我们必须采用 loopback 设备来完成这一任务,如:
mount -o loop -t cramfs /usr.img /usr

这样,就可以经由 loopback 设备,把 usr.img 这个 cramfs 的 image 文件 mount 到 /usr 目录上去了。内核中需要对loopback这个设备的支持。

cramfs 的压缩效率一般都能达到将近 50%。

Cramfs通过优化索引节点表的尺寸和除去传统文件系统中文件之间的空间浪费来达到节约空间的目的。它还使用了zlib压缩,实现优于2:1的压缩比例。解压缩过程的系统开销并不是很大,因为Cramfs支持指定单块的解压,而并不必解压缩整个文件。

Cramfs不仅能节省空间,还能避免非正常关机导致的等待fsck或手工进行fsck的麻烦。它通过只读的方式达到这一目的。

RamDisk有三种实现方式。

在Linux中可以将一部分内存mount为分区来使用,通常称之为RamDisk,分为:

Ramdisk, ramfs, tmpfs。

① 第一种就是传统意义上的,可以格式化,然后加载。这在Linux内核2.0/2.2就已经支持,其不足之处是大小固定,之后不能改变。为了能够使用Ramdisk,我们在编译内核时须将block device中的Ramdisk支持选上,它下面还有两个选项,一个是设定Ramdisk的大小,默认是4096k;另一个是initrd的支持。

如果对Ramdisk的支持已经编译进内核,我们就可以使用它了:
首先查看一下可用的RamDisk,使用 ls /dev/ram*
首先创建一个目录,比如test,运行 mkdir /mnt/test
然后对/dev/ram0 创建文件系统,运行 mke2fs /dev/ram0
最后挂载 /dev/ram0,运行mount /dev/ram /mnt/test,就可以象对普通硬盘一样对它进行操作了。

② 另两种则是内核2.4才支持的,通过Ramfs或者Tmpfs来实现:
它们不需经过格式化,用起来灵活,其大小随所需要的空间而增加或减少。

Ramfs顾名思义是内存文件系统,它处于虚拟文件系统(VFS)层,而不像ramdisk那样基于虚拟在内存中的其他文件系统(ex2fs)。因而,它无需格式化,可以创建多个,只要内存足够,在创建时可以指定其最大能使用的内存大小。

如果你的Linux已经将Ramfs编译进内核,你就可以很容易地使用Ramfs了。创建一个目录,加载Ramfs到该目录即可:

# mkdir /testRam 
# mount -t ramfs none /testRAM

缺省情况下,Ramfs被限制最多可使用内存大小的一半。可以通过maxsize(以kbyte为单位)选项来改变。

# mount -t ramfs none /testRAM -o maxsize=2000 (创建了一个限定最大使用内存为2M的ramdisk)

③ Tmpfs是一个虚拟内存文件系统,它不同于传统的用块设备形式来实现的Ramdisk,也不同于针对物理内存的Ramfs。

Tmpfs可以使用物理内存,也可以使用交换分区。在Linux内核中,虚拟内存资源由物理内存(RAM)和交换分区组成,这些资源是由内核中的虚拟内存子系统来负责分配和管理。Tmpfs向虚拟内存子系统请求页来存储文件,它同Linux的其它请求页的部分一样,不知道分配给自己的页是在内存中还是在交换分区中。同Ramfs一样,其大小也不是固定的,而是随着所需要的空间而动态的增减。

使用tmpfs,首先你编译内核时得选择“虚拟内存文件系统支持(Virtual memory filesystem support)”。然后就可以加载tmpfs文件系统了:

# mkdir -p /mnt/tmpfs
# mount tmpfs /mnt/tmpfs -t tmpfs

同样可以在加载时指定tmpfs文件系统大小的最大限制:

# mount tmpfs /mnt/tmpfs -t tmpfs -o size=32m
FAT: bogus logical sector size 21072

具体的文件系统FAT格式。虚拟逻辑扇区大小为20K,linux-2.4.22fsfatInode.c

在初始化MS-DOS文件系统时,读MS-DOS文件系统的superblock,函数fat_read_super中输出的上面的信息。

UMSDOS: msdos_read_super failed, mount aborted.

UMSDOS:一种文件系统,特点容量大但相对而言不大稳定。是Linux 使用的扩展了的DOS文件系统。它在 DOS 文件系统下增加了长文件名、 UID/GID、POSIX 权限和特殊文件 (设备、命名管道等)功能,而不牺牲对 DOS 的兼容性。允许一个普通的msdos文件系统用于Linux,而且无须为它建立单独的分区,特别适合早期的硬盘空间不足的硬件条件。

VFS: Mounted root (romfs filesystem) readonly

虚拟文件系统VFS(Virtual Filesystem Switch)的输出信息。

再次强调一下一个概念。VFS 是一种软件机制,也可称它为 Linux 的文件系统管理者,它是用来管理实际文件系统的挂载点,目的是为了能支持多种文件系统。kernel会先在内存中建立一颗 VFS 目录树,是内存中的一个数据对象,然后在其下挂载rootfs文件系统,还可以挂载其他类型的文件系统到某个子目录上。

Mounted devfs on /dev

加载devfs设备管理文件系统到dev安装点上。/dev是我们经常会用到的一个目录。在2.4的kernel中才有使用到。每次启动时内核会自动挂载devfs。

devfs提供了访问内核设备的命名空间。它并不是建立或更改设备节点,devfs只是为你的特别文件系统进行维护。一般我们可以手工mknod创件设备节点。/dev目录最初是空的,里面特定的文件是在系统启动时、或是加载模组后驱动程序载入时建立的。当模组和驱动程序卸载时,文件就消失了。

Freeing init memory: 72K

释放1号用户进程init所占用的内存。


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