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阅读目录(Content) zImage来历 piggy.gz压缩文件的特点 vmlinux.lds arch/arm/boot/compressed/head.S arch/arm/boot/compressed/misc.c arch/arm/boot/compressed/decompressed.c lib/decompress_inflate.c
参考： http://blog.chinaunix.net/uid-20543672-id-3018233.html Linux内核编译流程分析 linux2.6内核启动分析--李枝果(不看是你的损失^_^) 文档下载地址： http://files.cnblogs.com/pengdonglin137/Linux%E5%86%85%E6%A0%B8%E6%BA%90%E7%A0%81%E5%88%86%E6%9E%90--%E5%86%85%E6%A0%B8%E5%90%AF%E5%8A%A8%E4%B9%8BzImage%E8%87%AA%E8%A7%A3%E5%8E%8B%E8%BF%87%E7%A8%8B.rar 关于内核自解压完毕后，执行start_kernel的分析，参见： http://www.cnblogs.com/pengdonglin137/p/3632698.html
内核版本：3.0.8 相关文件： arch/arm/boot/compressed/head.S arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds arch/arm/boot/compressed/piggy.gzip
这里仅对内核自解压进行简要分析，详细的分析可以阅读参考博客文档。 回到顶部(go to top) zImage来历
顶层vmlinux ----> arch/arm/boot/Image ---> arch/arm/boot/compressed/piggy.gz ---> arch/arm/boot/compressed/vmlinux ---> arch/arm/boot/zImage 如果要分析zImage的反汇编反汇编文件，可将arch/arm/boot/compressed/vmlinux进行反汇编， arm-linux-xxx-objdump –d vmlinux > vmlinux.dis 对顶层的vmlinux反汇编得到的是未压缩的内核的反汇编文件，这个vmlinux才是真正的Linux内核。 回到顶部(go to top) piggy.gz压缩文件的特点
gzip -f -9 < Image > piggy.gz
在piggy.gz的结尾四个字节表示的是 Image 镜像的大小，并且是以小端格式存放的。下面我们验证一下： 可以看到，Image的大小是6806148B，十六进制值就是67DA84，接下来看看piggy.gz的结尾： 可以看到，确实是将0x67DA84以小端的格式存放在了piggy.gz的结尾四字节中了。 回到顶部(go to top) vmlinux.lds 1: /* 2: * linux/arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds.in 3: * 4: * Copyright (C) 2000 Russell King 5: * 6: * This program is free software; you can redistribute it and/or modify 7: * it under the terms of the GNU General Public License version 2 as 8: * published by the Free Software Foundation. 9: */ 10: OUTPUT_ARCH(arm) 11: ENTRY(_start) 12: SECTIONS 13: { 14: /DISCARD/ : { 15: *(.ARM.exidx*) 16: *(.ARM.extab*) 17: /* 18: * Discard any r/w data - this produces a link error if we have any, 19: * which is required for PIC decompression. Local data generates 20: * GOTOFF relocations, which prevents it being relocated independently 21: * of the text/got segments. 22: */ 23: *(.data) 24: } 25: 26: . = 0; 27: _text = .; 28: 29: .text : { 30: _start = .; 31: *(.start) 32: *(.text) 33: *(.text.*) 34: *(.fixup) 35: *(.gnu.warning) 36: *(.rodata) 37: *(.rodata.*) 38: *(.glue_7) 39: *(.glue_7t) 40: *(.piggydata) 41: . = ALIGN(4); 42: } 43: 44: _etext = .; 45: 46: _got_start = .; 47: .got : { *(.got) } 48: _got_end = .; 49: .got.plt : { *(.got.plt) } 50: _edata = .; 51: 52: . = ALIGN(8); 53: __bss_start = .; 54: .bss : { *(.bss) } 55: _end = .; 56: 57: . = ALIGN(8); /* the stack must be 64-bit aligned */ 58: .stack : { *(.stack) } 59: 60: .stab 0 : { *(.stab) } 61: .stabstr 0 : { *(.stabstr) } 62: .stab.excl 0 : { *(.stab.excl) } 63: .stab.exclstr 0 : { *(.stab.exclstr) } 64: .stab.index 0 : { *(.stab.index) } 65: .stab.indexstr 0 : { *(.stab.indexstr) } 66: .comment 0 : { *(.comment) } 67: } 68:回到顶部(go to top) arch/arm/boot/compressed/head.S 1: .section ".start", #alloc, #execinstr 2: /* 3: * 清理不同的调用约定 4: */ 5: .align 6: .arm @ 启动总是进入ARM状态 7: start: 8: .type start,#function 9: .rept 7 10: mov r0, r0 11: .endr 12: ARM( mov r0, r0 ) 13: ARM( b 1f ) 14: THUMB( adr r12, BSYM(1f) ) 15: THUMB( bx r12 ) 16: .word 0x016f2818 @ 用于boot loader的魔数 17: .word start @ 加载/运行zImage的绝对地址（编译时确定）, 在vmlinux.lds中可以看到，zImage的链接起始地址是0 18: .word _edata @ zImage结束地址,分析vmlinux.lds可以看到，_edata是 .got 段的结束地址，后面紧接的就是.bss段和.stack段 19: THUMB( .thumb ) 20: 1: mov r7, r1 @ 保存构架ID到r7（此前由bootloader放入r1） 21: mov r8, r2 @ 保存内核启动参数地址到r8（此前由bootloader放入r2） 22: #ifndef __ARM_ARCH_2__ 23: /* 24: * 通过Angel调试器启动 - 必须进入 SVC模式且关闭FIQs/IRQs 25: * (numeric definitions from angel arm.h source). 26: * 如果进入时在user模式下，我们只需要做这些 27: */ 28: mrs r2, cpsr @ 获取当前模式 29: tst r2, #3 @ 判断是否是user模式 30: bne not_angel 31: mov r0, #0x17 @ angel_SWIreason_EnterSVC 32: ARM( swi 0x123456 ) @ angel_SWI_ARM swi会产生软中断，会跳入中断向量表，这个向量表用的是bootloader的，因为在head.S中并没有建立新的向量表 33: THUMB( svc 0xab ) @ angel_SWI_THUMB 34: not_angel: 35: mrs r2, cpsr @ 关闭中断 36: orr r2, r2, #0xc0 @ 以保护调试器的运作 关闭IRQ和FIQ 37: msr cpsr_c, r2 38: #else 39: teqp pc, #0x0c000003@ 关闭中断（此外bootloader已设置模式为SVC） 40: #endif
GOT表是什么？ GOT（Global Offset Table）表中每一项都是本运行模块要引用的一个全局变量或函数的地址。可以用GOT表来间接引用全局变量、函数，也可以把GOT表的首地址作为一个基准，用相对于该基准的偏移量来引用静态变量、静态函数。 更多介绍请参考： http://blog.sina.com.cn/s/blog_54f82cc201011oqy.html http://blog.sina.com.cn/s/blog_54f82cc201011oqv.html 接着分析head.S 1: /* 2: * 注意一些缓存的刷新和其他事务可能需要在这里完成 3: * - is there an Angel SWI call for this? 4: */ 5: /* 6: * 一些构架的特定代码可以在这里被连接器插入， 7: * 但是不应使用 r7（保存构架ID）, r8（保存内核启动参数地址）, and r9. 8: */ 9: .text 10: /* 11: * 此处确定解压后的内核映像的绝对地址（物理地址），保存于r4 12: * 由于配置的不同可能有的结果 13: * （1）定义了CONFIG_AUTO_ZRELADDR 14: * ZRELADDR是已解压内核最终存放的物理地址 15: * 如果AUTO_ZRELADDR被选择了, 这个地址将会在运行是确定： 16: * 将当pc值和0xf8000000做与操作， 17: * 并加上TEXT_OFFSET（内核最终存放的物理地址与内存起始的偏移） 18: * 这里假定zImage被放在内存开始的128MB内 19: * （2）没有定义CONFIG_AUTO_ZRELADDR 20: * 直接使用zreladdr（此值位于arch/arm/mach-xxx/Makefile.boot文件确定） 21: */ 22: #ifdef CONFIG_AUTO_ZRELADDR 23: @ 确定内核映像地址 24: mov r4, pc 25: and r4, r4, #0xf8000000 26: add r4, r4, #TEXT_OFFSET 27: #else 28: ldr r4, =zreladdr 以我的板子为例，它的值是0x80008000,即它的物理内存起始地址是0x80000000 29: #endif 30: bl cache_on /* 开启缓存（以及MMU） */ 关于cache_on这部分，我在这里就不分析了 31: restart: adr r0, LC0 获取LC0的运行地址，而不是链接地址 32: ldmia r0, {r1, r2, r3, r6, r10, r11, r12} /* 依次将LC0的链接地址放入r1中，bss段的链接起始和结束地址__bss_start和_end分别放入r2和r3中 _edata的链接地址放入r6中，piggy.gz的倒数第四个字节的地址放入r10中， got表的起始和结束链接地址分别放入r11和r12中 */33: ldr sp, [r0, #28] 此时r0中存放的还是LC0的运行地址，所以加28后正好是LC0数组中的.L_user_stack_end的值(栈的结束地址)，他在head.S的结尾定义 reloc_code_end: .align .section ".stack", "aw", %nobits.L_user_stack: .space 4096.L_user_stack_end: 34: /* 35: * 我们可能运行在一个与编译时定义的不同地址上， 36: * 所以我们必须修正变量指针 37: */ 38: sub r0, r0, r1 @ 计算偏移量 编译地址与运行地址的差值，以此来修正其他符号的地址 39: add r6, r6, r0 @ 重新计算_edata 获得_edata的实际运行地址 40: add r10, r10, r0 @ 重新获得压缩后的内核大小数据位置 获取Image大小存放的实际物理地址 41: /* 42: * 内核编译系统将解压后的内核大小数据 43: * 以小端格式 44: * 附加在压缩数据的后面(其实是“gzip -f -9”命令的结果) 45: * 下面代码的作用是将解压后的内核大小数据正确地放入r9中（避免了大小端问题） 46: */ 47: ldrb r9, [r10, #0] 以我们的例子，此时r9为0x84 48: ldrb lr, [r10, #1] lr为 0xDA 49: orr r9, r9, lr, lsl #8 r9为0xDA84 50: ldrb lr, [r10, #2] lr为0x67 51: ldrb r10, [r10, #3] r10是0x00 52: orr r9, r9, lr, lsl #16 r9为0x67DA84 53: orr r9, r9, r10, lsl #24 r9是0x0067DA84 54: /* 55: * 下面代码的作用是将正确的当前执行映像的结束地址放入r10 56: */ 57: #ifndef CONFIG_ZBOOT_ROM 58: /* malloc 获取的内存空间位于重定向的栈指针之上 (64k max) */ 59: add sp, sp, r0 使用r0修正sp，得到堆栈的实际结束物理地址，为什么是结束地址？因为栈是向下生长的 60: add r10, sp, #0x10000 执行这句之前sp中存放的是栈的结束地址，执行后，r10中存放的是堆空间的结束物理地址 61: #else 62: /* 63: * 如果定义了 ZBOOT_ROM， bss/stack 是非可重定位的, 64: * 但有些人依然可以将其放在RAM中运行, 65: * 这时我们可以参考 _edata. 66: */ 67: mov r10, r6 68: #endif 69: /* 70: * 检测我们是否会发生自我覆盖的问题 71: * r4 = 解压后的内核起始地址（最终执行位置） 在我们的例子中r4就是0x80008000 72: * r9 = 解压后内核的大小 即arch/arm/boot/Image的大小，0x67DA84 73: * r10 = 当前执行映像的结束地址, 包含了 bss/stack/malloc 空间（假设是非XIP执行的）, 上面已经分析了r10存放的是堆空间的结束地址 74: * 我们的基本需求是: 75: * （若最终执行位置r4在当前映像之后）r4 - 16k 页目录 >= r10 -> OK 76: * （若最终执行位置r4在当前映像之前）r4 + 解压后的内核大小 OK 77: * 如果上面的条件不满足，就会自我覆盖，必须先搬运当前映像 78: */ 79: add r10, r10, #16384 80: cmp r4, r10 @ 假设最终执行位置r4在当前映像之后 81: bhs wont_overwrite 82: add r10, r4, r9 @ 假设最终执行位置r4在当前映像之前 83: ARM( cmp r10, pc ) @ r10 = 解压后的内核结束地址，注：这里的r4+r9计算出的大小并不包含栈和堆空间 84: THUMB( mov lr, pc ) 85: THUMB( cmp r10, lr ) 86: bls wont_overwrite
下面是LC0区域的数据内容： 1: .align 2 2: .type LC0, #object 3: LC0: .word LC0 @ r1 4: .word __bss_start @ r2 5: .word _end @ r3 6: .word _edata @ r6 7: .word input_data_end - 4 @ r10 (inflated size location) 8: .word _got_start @ r11 9: .word _got_end @ ip 10: .word .L_user_stack_end @ sp 11: .size LC0, . - LC0还记得piggy.gz的结尾四个字节的含义吗？他表示的是arch/arm/boot/Image的大小，在LC0区域中： .word input_data_end - 4 @ r10 (inflated size location) 的意思： input_data_end 在piggy.gzip.S中定义： 1: .section .piggydata,#alloc 2: .globl input_data 3: input_data: 4: .incbin "arch/arm/boot/compressed/piggy.gzip" 5: .globl input_data_end 6: input_data_end:所以，"input_data_end – 4" 表示的是piggy.gz的倒数第四个字节的地址，也是为了便于获得Image的大小。 接着分析head.S: 1: /* 2: * 将当前的映像重定向到解压后的内核之后（会发生自我覆盖时才执行，否则就被跳过） 3: * r6 = _edata（已校正） 4: * r10 = 解压后的内核结束地址 对于我的例子: r10就是 0x80008000 + 0x67DA84(arch/arm/boot/Image的大小) 这样可以保证一次重定位就可以达到预期目标 5: * 因为我们要把当前映像向后移动, 所以我们必须由后往前复制代码， 6: * 以防原数据和目标数据的重叠 7: */ 8: /* 9: * 将解压后的内核结束地址r10扩展（reloc_code_end - restart）， 10: * 并对齐到下一个256B边界。 11: * 这样避免了当搬运的偏移较小时的自我覆盖 12: */ 13: add r10, r10, #((reloc_code_end - restart + 256) & ~255) 14: bic r10, r10, #255 15: /* 获取需要搬运的当前映像的起始位置r5，并向下做32B对齐. */ 16: adr r5, restart 17: bic r5, r5, #31 18: sub r9, r6, r5 @ _edata - restart（已向下对齐）= 需要搬运的大小 19: add r9, r9, #31 20: bic r9, r9, #31 @ 做32B对齐 ，r9 = 需要搬运的大小 21: add r6, r9, r5 @ r6 = 当前映像需要搬运的结束地址，由于r5和r9都已经对齐，所以r6也对齐了。 /* 上面对齐以后，有利于后面的代码拷贝，而且对齐的同时又保证了拷贝代码的完整性，至少没有少拷贝代码*/ 22: add r9, r9, r10 @ r9 = 当前映像搬运的目的地的结束地址 23: /* 搬运当前执行映像，不包含 bss/stack/malloc 空间*/ 24: 1: ldmdb r6!, {r0 - r3, r10 - r12, lr} 25: cmp r6, r5 26: stmdb r9!, {r0 - r3, r10 - r12, lr} 27: bhi 1b 28: /* 保存偏移量，用来修改sp和实现代码跳转 */ 29: sub r6, r9, r6 求要搬移的代码的原始地址与目的地址的偏移量 30: #ifndef CONFIG_ZBOOT_ROM 31: /* cache_clean_flush 可能会使用栈，所以重定向sp指针 */ 32: add sp, sp, r6 修正sp地址，修正后sp指向重定向后的代码的栈区的结束地址（栈向下生长），栈区后面紧跟的就是堆空间 33: #endif 34: bl cache_clean_flush @ 刷新缓存 35: /* 通过搬运的偏移和当前的实际 restart 地址来实现代码跳转*/ 36: adr r0, BSYM(restart) 获得restart的运行地址 37: add r0, r0, r6 获得重定向后的代码的restart的物理地址 38: mov pc, r0 跳到重定向后的代码的restart处开始执行 39: /* 在上面的跳转之后，程序又从restart开始。 40: * 但这次在检查自我覆盖的时候，新的执行位置必然满足 41: * 最终执行位置r4在当前映像之前，r4 + 压缩后的内核大小 123: * do_decompress(decompress.c)--调用--> 124: * decompress(../../../../lib/decompress_xxxx.c根据压缩方式的配置而不同) 125: */ 126: /* 127: * 以下是为跳入解压后的内核，再次做准备（恢复解压前的状态） 128: */ 129: bl cache_clean_flush 130: bl cache_off@ 数据缓存必须关闭（内核的要求） 131: mov r0, #0 @ r0必须为0 132: mov r1, r7@ 恢复构架ID到r1 133: mov r2, r8 @ 恢复内核启动参数指针到r2 134: mov pc, r4 @ 跳入解压后的内核映像(Image)入口（arch/arm/kernel/head.S）
下面简要看一下解压缩程序的调用过程： 回到顶部(go to top) arch/arm/boot/compressed/misc.c 1: void 2: decompress_kernel(unsigned long output_start, unsigned long free_mem_ptr_p, 3: unsigned long free_mem_ptr_end_p, 4: int arch_id) 5: { 6: int ret; 7: 8: output_data = (unsigned char *)output_start; /*解压地址*/ 9: free_mem_ptr = free_mem_ptr_p; /*堆栈起始地址*/ 10: free_mem_end_ptr = free_mem_ptr_end_p; /*堆栈结束地址*/ 11: __machine_arch_type = arch_id; /*uboot传入的machid*/ 12: 13: arch_decomp_setup(); 14: 15: putstr("Uncompressing Linux..."); 16: ret = do_decompress(input_data, input_data_end - input_data, 17: output_data, error); 18: if (ret) 19: error("decompressor returned an error"); 20: else 21: putstr(" done, booting the kernel.\n"); 22: }回到顶部(go to top) arch/arm/boot/compressed/decompressed.c 1: # define Tracec(c,x) 2: # define Tracecv(c,x) 3: #endif 4: 5: #ifdef CONFIG_KERNEL_GZIP 6: #include "../../../../lib/decompress_inflate.c" 7: #endif 8: 9: #ifdef CONFIG_KERNEL_LZO 10: #include "../../../../lib/decompress_unlzo.c" 11: #endif 12: 13: #ifdef CONFIG_KERNEL_LZMA 14: #include "../../../../lib/decompress_unlzma.c" 15: #endif 16: 17: int do_decompress (u8 *input, int len, u8 *output, void (*error)(char *x)) 18: { 19: return decompress (input, len, NULL, NULL, output, NULL, error); 20: } 回到顶部(go to top) lib/decompress_inflate.c 1: #ifdef STATIC 2: /* Pre-boot environment: included */ 3: 4: /* prevent inclusion of _LINUX_KERNEL_H in pre-boot environment: lots 5: * errors about console_printk etc... on ARM */ 6: #define _LINUX_KERNEL_H 7: 8: #include "zlib_inflate/inftrees.c" 9: #include "zlib_inflate/inffast.c" 10: #include "zlib_inflate/inflate.c" 11: 12: #else /* STATIC */ 13: /* initramfs et al: linked */ 14: 15: #include 16: 17: #include "zlib_inflate/inftrees.h" 18: #include "zlib_inflate/inffast.h" 19: #include "zlib_inflate/inflate.h" 20: 21: #include "zlib_inflate/infutil.h" 22: 23: #endif /* STATIC */ 24: 25: #include 26: 27: #define GZIP_IOBUF_SIZE (16*1024) 28: 29: static int INIT nofill(void *buffer, unsigned int len) 30: { 31: return -1; 32: } 33: 34: /* Included from initramfs et al code */ 35: STATIC int INIT gunzip(unsigned char *buf, int len, 36: int(*fill)(void*, unsigned int), 37: int(*flush)(void*, unsigned int), 38: unsigned char *out_buf, 39: int *pos, 40: void(*error)(char *x)) { 41: u8 *zbuf; 42: struct z_stream_s *strm; 43: int rc; 44: size_t out_len; 45: 46: rc = -1; 47: if (flush) { 48: out_len = 0x8000; /* 32 K */ 49: out_buf = malloc(out_len); 50: } else { 51: out_len = 0x7fffffff; /* no limit */ 52: } 53: if (!out_buf) { 54: error("Out of memory while allocating output buffer"); 55: goto gunzip_nomem1; 56: } 57: 58: if (buf) 59: zbuf = buf; 60: else { 61: zbuf = malloc(GZIP_IOBUF_SIZE); 62: len = 0; 63: } 64: if (!zbuf) { 65: error("Out of memory while allocating input buffer"); 66: goto gunzip_nomem2; 67: } 68: 69: strm = malloc(sizeof(*strm)); 70: if (strm == NULL) { 71: error("Out of memory while allocating z_stream"); 72: goto gunzip_nomem3; 73: } 74: 75: strm->workspace = malloc(flush ? zlib_inflate_workspacesize() : 76: sizeof(struct inflate_state)); 77: if (strm->workspace == NULL) { 78: error("Out of memory while allocating workspace"); 79: goto gunzip_nomem4; 80: } 81: 82: if (!fill) 83: fill = nofill; 84: 85: if (len == 0) 86: len = fill(zbuf, GZIP_IOBUF_SIZE); 87: 88: /* verify the gzip header */ 89: if (len < 10 || 90: zbuf[0] != 0x1f || zbuf[1] != 0x8b || zbuf[2] != 0x08) { 91: if (pos) 92: *pos = 0; 93: error("Not a gzip file"); 94: goto gunzip_5; 95: } 96: 97: /* skip over gzip header (1f,8b,08... 10 bytes total + 98: * possible asciz filename) 99: */ 100: strm->next_in = zbuf + 10; 101: strm->avail_in = len - 10; 102: /* skip over asciz filename */ 103: if (zbuf[3] & 0x8) { 104: do { 105: /* 106: * If the filename doesn\'t fit into the buffer, 107: * the file is very probably corrupt. Don\'t try 108: * to read more data. 109: */ 110: if (strm->avail_in == 0) { 111: error("header error"); 112: goto gunzip_5; 113: } 114: --strm->avail_in; 115: } while (*strm->next_in++); 116: } 117: 118: strm->next_out = out_buf; 119: strm->avail_out = out_len; 120: 121: rc = zlib_inflateInit2(strm, -MAX_WBITS); 122: 123: if (!flush) { 124: WS(strm)->inflate_state.wsize = 0; 125: WS(strm)->inflate_state.window = NULL; 126: } 127: 128: while (rc == Z_OK) { 129: if (strm->avail_in == 0) { 130: /* TODO: handle case where both pos and fill are set */ 131: len = fill(zbuf, GZIP_IOBUF_SIZE); 132: if (len < 0) { 133: rc = -1; 134: error("read error"); 135: break; 136: } 137: strm->next_in = zbuf; 138: strm->avail_in = len; 139: } 140: rc = zlib_inflate(strm, 0); 141: 142: /* Write any data generated */ 143: if (flush && strm->next_out > out_buf) { 144: int l = strm->next_out - out_buf; 145: if (l != flush(out_buf, l)) { 146: rc = -1; 147: error("write error"); 148: break; 149: } 150: strm->next_out = out_buf; 151: strm->avail_out = out_len; 152: } 153: 154: /* after Z_FINISH, only Z_STREAM_END is "we unpacked it all" */ 155: if (rc == Z_STREAM_END) { 156: rc = 0; 157: break; 158: } else if (rc != Z_OK) { 159: error("uncompression error"); 160: rc = -1; 161: } 162: } 163: 164: zlib_inflateEnd(strm); 165: if (pos) 166: /* add + 8 to skip over trailer */ 167: *pos = strm->next_in - zbuf+8; 168: 169: gunzip_5: 170: free(strm->workspace); 171: gunzip_nomem4: 172: free(strm); 173: gunzip_nomem3: 174: if (!buf) 175: free(zbuf); 176: gunzip_nomem2: 177: if (flush) 178: free(out_buf); 179: gunzip_nomem1: 180: return rc; /* returns Z_OK (0) if successful */ 181: } 182: 183: #define decompress gunzip
为了便于理解，可以参考下面一张图：
完！！ |
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