嵌入式linux移植篇之kernel

Linux的启动过程概述

Linux内核的启动过程是一个复杂而又有序的流程，涉及到硬件初始化、引导加载、内核初始化等多个步骤。以下是Linux内核的典型启动流程：

BIOS/UEFI阶段：

电源启动：计算机通电后，BIOS（基本输入/输出系统）或UEFI（统一扩展固件接口）开始执行。

POST（电源自检）：进行硬件自检，检查系统中的硬件设备是否正常。

引导加载程序阶段：

MBR/UEFI固件：BIOS通过Master Boot Record（MBR）或UEFI固件加载引导加载程序（Boot Loader）。

Boot Loader：常见的引导加载程序包括GRUB（GRand Unified Bootloader）或LILO（LInux LOader）等。引导加载程序的作用是加载内核映像。

内核加载阶段：

加载内核映像：引导加载程序加载内核映像（通常是vmlinuz）到内存中。

初始化RAM磁盘：如果有RAM磁盘（ramdisk）,则初始化RAM磁盘。

内核启动阶段：

启动内核：引导加载程序将控制权交给内核，开始执行内核代码。

初始化内核数据结构：内核初始化页表、中断描述符表（IDT）等数据结构。

启动第一个进程：内核启动第一个用户空间进程（通常是init）。

初始化阶段：

设备初始化：内核开始初始化各种硬件设备，包括CPU、内存控制器、输入输出控制器等。

文件系统初始化：挂载根文件系统，初始化文件系统模块。

初始化进程：内核初始化其他重要的内核线程和进程。

用户空间阶段：

启动用户空间：用户空间初始化完成后，控制权交给init或systemd等用户空间的第一个进程。

启动系统服务：用户空间进程负责启动各种系统服务和用户应用程序。

内核的初次编译

编译内核之前需要先在 ubuntu 上安装 lzop 库

bash 复制代码

sudo apt-get install lzop

编译脚本的内容如下

bash 复制代码

 #!/bin/sh
 make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- distclean
 make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- imx_v7_defconfig
 make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig
 make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- all -j16

以上命令分别是清理工程，配置工程，打开图形配置页面，执行make编译linux源码

Linux 工程目录分析

编译之后，会有很多生成的文件，具体的文件夹和主要文件作用如下；

在 arch/arm/configs 中就包含有 I.MX6U-ALPHA 开发板的默认配置文件：imx_v7_defconfig,执行"make imx_v7_defconfig"即可完成配置。arch/arm/boot/dts 目录里面是对应开发平台的设备数文件。arch/arm/boot 目录下会保存编译出来的 Image 和 zImage 镜像文件，而 zImage 就是我们要用的 linux 镜像文件。arch/arm/mach-xxx 目录分别为相应平台的驱动和初始化文件，比如 mach-imx 目录里面就是 I.MX 系列 CPU 的驱动和初始化文件。

linux内核的启动流程

在Linux 内核的连接脚本文件 arch/arm/kernel/vmlinux.lds文件中，ENTRY指明了Linux的内核入口，入口为 stext，stext 定义在文件arch/arm/kernel/head.S。

stext 函数

Linux 内核启动之前要求如下：

关闭 MMU。
关闭 D-cache。
I-Cache 无所谓。
r0=0。
r1=machine nr(也就是机器 ID)。
r2=atags 或者设备树(dtb)首地址。

检查当前系统

在stext函数中，它做的主要操作是，确保CPU在SVC模式，关闭中断，读处理器的ID，检查当前的系统是否支持当前的CPU，这个就是通过比对proc_info_list 信息。

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。因此可以通过处理器 ID 来找到对应的 procinfo 结构，__lookup_processor_type 函数找到对应处理器的 procinfo 以后会将其保存到 r5 寄存器中。

同时该函数会验证设备数的合法性，创建页表，最终会调用__mmap_switched 函数。

__mmap_switched 函数

该函数定义在文件 arch/arm/kernel/head-common.S中。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。

start_kernel 函数

这个函数里面有很多的子函数，实现的功能很复杂，主要是进行系统各个异常的检测和各个设备模块的初始化。start_kernel 函数最后调用了 rest_init。

rest_init 函数

该函数定义在文件 init/main.c 中

该函数主要进行的是启动RCU锁调度器，kernel_thread 创建 kernel_init 进程，也就是的init 内核进程，进程的PID是1，在这个进程会实现由内核态带用户态的转变。接下来会调用函数 kernel_thread 创建 kthreadd 内核进程，此内核进程的 PID 为 2。kthreadd,进程负责所有内核进程的调度和管理。也会创建空闲进程，空闲进程的PID是0。

linux内核的移植过程

以I.MX6ULL EVK 开发板为参考，然后将 Linux 内核移植到正点原子的 I.MX6U-ALPHA 开发板上。

先对NXP官方开发板的linux内核进行修改和编译

修改顶层Makefile

bash 复制代码

ARCH    ?=ARM
CROSS_COMPILE    ?=arm-linux-gnueabihf-

配置并编译 Linux 内核

bash 复制代码

make clean
make imx_v7_mfg_defconfig
make -j16

Linux 内核编译完成以后会在 arch/arm/boot 目录下生成 zImage 镜像文件，如果使用设备树的话还会在 arch/arm/boot/dts 目录下开发板对应的.dtb(设备树)文件。

在测试之前，需要修改些环境变量，烧录到 I.MX6U-ALPHA 开发板会提示，提示内核崩溃，因为 VFS(虚拟文件系统)不能挂载根文件系统。

在linux内核添加自己的开发板

添加开发板默认配置文件

将 arch/arm/configs 目录下的 imx_v7_mfg_defconfig 重新复制一份，命名为

imx_alientek_emmc_defconfig

bash 复制代码

cd arch/arm/configs
cp imx_v7_mfg_defconfig imx_alientek_emmc_defconfig

后续可以使用以下命令配置内核

bash 复制代码

make imx_alientek_emmc_defconfig

添加开发板对应的设备树文件

进入目录 arch/arm/boot/dts 中，复制一份 imx6ull-14x14-evk.dts，然后将其重命名为 imx6ull-alientek-emmc.dts

bash 复制代码

cd arch/arm/boot/dts
cp imx6ull-14x14-evk.dts imx6ull-alientek-emmc.dts

.dts 是设备树源码文件，编译 Linux 的时候会将其编译为.dtb 文件，需要修改文件 arch/arm/boot/dts/Makefile ，找到 " dtb-$(CONFIG_SOC_IMX6ULL)"配置项，在此配置项中加入"imx6ull-alientek-emmc.dtb

编译脚本如下

bash 复制代码

#!/bin/sh
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- distclean
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihfimx_alientek_emmc_defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- all -j16