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zImage内核镜像解压过程详解
时间:2016-12-09作者:华清远见
在华清远见教学过程中,发现很多学员对内核镜像解压过程比较感兴趣,但网上相关的文章往往不能把关键问题讲清楚,所以写了这篇文章。
本文以linux-2.6.14内核在S3C2410平台上运行为例,讲解内核的解压过程。
内核编译完成后会生成zImage内核镜像文件。关于bootloader加载zImage到内核,并且跳转到zImage开始地址运行zImage的过程,相信大家都很容易理解。但对于zImage是如何解压的过程,就不是那么好理解了。本文将结合部分关键代码,讲解zImage的解压过程。
先看看zImage的组成吧。在内核编译完成后会在arch/arm/boot/下生成zImage。
在arch/armboot/Makefile中:
$(obj)/zImage: $(obj)/compressed/vmlinux FORCE
                    $(call if_changed,objcopy)
由此可见,zImage的是elf格式的arch/arm/boot/compressed/vmlinux二进制化得到的
在arch/armboot/compressed/Makefile中:
$(obj)/vmlinux: $(obj)/vmlinux.lds $(obj)/$(HEAD) $(obj)/piggy.o \
                                                            $(addprefix $(obj)/, $(OBJS)) FORCE
                    $(call if_changed,ld)
$(obj)/piggy.gz: $(obj)/../Image FORCE
                    $(call if_changed,gzip)
$(obj)/piggy.o: $(obj)/piggy.gz FORCE
其中Image是由内核顶层目录下的vmlinux二进制化后得到的。注意:arch/arm/boot/compressed/vmlinux是位置无关的,这个有助于理解后面的代码。,链接选项中有个 –fpic参数:
EXTRA_CFLAGS := -fpic
总结一下zImage的组成,它是由一个压缩后的内核piggy.o,连接上一段初始化及解压功能的代码(head.o misc.o),组成的。
下面就要看内核的启动了,那么内核是从什么地方开始运行的呢?这个当然要看lds文件啦。zImage的生成经历了两次大的链接过程:一次是顶层vmlinux的生成,由arch/arm/boot/vmlinux.lds(这个lds文件是由arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S生成的)决定;另一次是arch/arm/boot/compressed/vmlinux的生成,是由arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds(这个lds文件是由arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds.in生成的)决定。zImage的入口点应该由arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds决定。从中可以看出入口点为‘_start’
OUTPUT_ARCH(arm)
ENTRY(_start)
SECTIONS
{
        . = 0;
       _text = .;
       .text : {
       _start = .;
       *(.start)
       *(.text)
                            ……
}
在arch/arm/boot/compressed/head.S中找到入口点。
看看head.S会做些什么样的工作:
• 对于各种Arm CPU的DEBUG输出设定,通过定义宏来统一操作;
•设置kernel开始和结束地址,保存architecture ID;
• 如果在ARM2以上的CPU中,用的是普通用户模式,则升到超级用户模式,然后关中断
• 分析LC0结构delta offset,判断是否需要重载内核地址(r0存入偏移量,判断r0是否为零)。
•需要重载内核地址,将r0的偏移量加到BSS region和GOT table中的每一项。
对于位置无关的代码,程序是通过GOT表访问全局数据目标的,也就是说GOT表中中记录的是全局数据目标的绝对地址,所以其中的每一项也需要重载。
• 清空bss堆栈空间r2-r3
•建立C程序运行需要的缓存
•这时r2是缓存的结束地址,r4是kernel的后执行地址,r5是kernel境象文件的开始地址
•用文件misc.c的函数decompress_kernel(),解压内核于缓存结束的地方(r2地址之后)。
可能大家看了上面的文字描述还是不清楚解压的动态过程。还是先用图表的方式描述下代码的搬运解压过程。然后再针对中间的一些关键过程阐述。
假定zImage在内存中的初始地址为0x30008000(这个地址由bootloader决定,位置不固定)
1、初始状态
.text 0x30008000开始,包含piggydata段(即压缩的内核段)
.got ?
.data ?
.bss ?
.stack 4K大小
2、head.S调用misc.c中的decompress_kernel刚解压完内核后
.text 0x30008000开始,包含piggydata段(即压缩的内核段)
.got ?
.data ?
.bss ?
.stack 4K大小
解压函数所需缓冲区 64K大小
解压后的内核代码 小于4M
 
3、此时会将head.S中的部分代码重定位
.text 0x30008000开始,包含piggydata段(即压缩的内核段)
.got ?
.data ?
.bss ?
.stack 4K大小
解压函数所需缓冲区 64K大小
解压后的内核代码 小于4M
head.S中的部分重定位代码代码 reloc_startreloc_end
4、跳转到重定位后的reloc_start处,由reloc_start至reloc_end的代码复制解压后的内核代码到0x30008000处,并调用call_kernel跳转到0x30008000处执行。
解压后的内核 0x30008000开始
在通过head.S了解了动态过程后,大家可能会有几个问题:
问题1:zImage是如何知道自己后的运行地址是0x30008000的?
问题2:调用decompress_kernel函数时,其4个参数是什么值及物理含义?
问题3:解压函数是如何确定代码中压缩内核位置的?
先回答第1个问题
这个地址的确定和Makefile和链接脚本有关,在arch/arm/Makefile文件中的
textaddr-y := 0xC0008000 这个是内核启动的虚拟地址
TEXTADDR := $(textaddr-y)
在arch/arm/mach-s3c2410/Makefile.boot中
zreladdr-y := 0x30008000 这个就是zImage的运行地址了
在arch/arm/boot/Makefile文件中
ZRELADDR := $(zreladdr-y)
在arch/arm/boot/compressed/Makefile文件中
zreladdr=$(ZRELADDR)
在arch/arm/boot/compressed/Makefile中有
                           .word zreladdr @ r4
内核就是用这种方式让代码知道终运行的位置的
接下来再回答第2个问题
decompress_kernel(ulg output_start, ulg free_mem_ptr_p, ulg free_mem_ptr_end_p,
int arch_id)
l output_start:指解压后内核输出的起始位置,此时它的值参考上面的图表,紧接在解压缓冲区后;
l free_mem_ptr_p:解压函数需要的内存缓冲开始地址;
l ulg free_mem_ptr_end_p:解压函数需要的内存缓冲结束地址,共64K;
l arch_id :architecture ID,对于SMDK2410这个值为193;
后回答第3个问题
首先看看piggy.o是如何生成的,在arch/arm/boot/compressed/Makefie中
$(obj)/piggy.o: $(obj)/piggy.gz FORCE
Piggy.o是由piggy.S生成的,咱们看看piggy.S的内容:
             .section .piggydata,#alloc
             .globl input_data
input_data:
             .incbin "arch/arm/boot/compressed/piggy.gz"
             .globl input_data_end
input_data_end:
再看看misc.c中decompress_kernel函数吧,它将调用gunzip()解压内核。gunzip()在lib/inflate.c中定义,它将调用NEXTBYTE(),进而调用get_byte()来获取压缩内核代码。
在misc.c中
#define get_byte() (inptr < insize ? inbuf[inptr++] : fill_inbuf())
查看fill_inbuf函数
int fill_inbuf(void)
{
             if (insize != 0)
             error("ran out of input data");
             inbuf = input_data;
             insize = &input_data_end[0] - &input_data[0];
             inptr = 1;
             return inbuf[0];
}
发现什么没?这里的input_data不正是piggy.S里的input_data吗?这个时候应该明白内核是怎样确定piggy.gz在zImage中的位置了吧。
时间关系,可能叙述的不够详细,大家可以集合内核代码和网上的其它相关文章,理解启动解压过程。
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