android启动之lk–kernel

Pre-loader运行在ISRAM, 待完成DRAM的初始化后，再将lk载入DRAM中，最后通过特殊sys call手段实现跳转到lk的入口，正式进入lk初始化阶段

lk执行入口

位于.text.boot这个section(段), 具体定义位置为：

./lk/arch/arm/system-onesegment.ld:10:	.text.boot : { *(.text.boot) }
./lk/arch/arm/system-twosegment.ld:10:	.text.boot : { *(.text.boot) }

该段的代码执行入口是crt0.S文件，位置为

./lk/arch/arm/crt0.S

源码如下：

.section ".text.boot"
 
...
 
.Lstack_setup:
	/* ==set up the stack for irq, fi==q, abort, undefined, system/user, and lastly supervisor mode */
	mrs     r0, cpsr
	bic     r0, r0, #0x1f
 
	ldr		r2, =abort_stack_top
	orr     r1, r0, #0x12 // irq
	msr     cpsr_c, r1
	ldr		r13, =irq_save_spot		/* save a pointer to a temporary dumping spot used during irq delivery */
	    
	orr     r1, r0, #0x11 // fiq
	msr     cpsr_c, r1
	mov		sp, r2
	            
	orr     r1, r0, #0x17 // abort
	msr     cpsr_c, r1
	mov		sp, r2
	    
	orr     r1, r0, #0x1b // undefined
	msr     cpsr_c, r1
	mov		sp, r2
	    
	orr     r1, r0, #0x1f // system
	msr     cpsr_c, r1
	mov		sp, r2
 
	orr		r1, r0, #0x13 // supervisor
	msr		cpsr_c, r1
	mov		sp, r2
...
 
	bl		kmain

ctr0.S小结：这里主要做的就是建立fiq/irq/abort等各种模式的stack, 初始化向量表，然后切换到管理模式（pre-loader运行在EL3, lk运行在EL1）， 最后跳转到C代码入口kmain执行。

kmain函数：

void kmain(void)
{
	boot_time = get_timer(0);
 
	/* 早期初始化线程池的上下文，包括运行队列、线程链表的建立等，
	   lk架构支持多线程，但是此阶段只有一个cpu处于online，所以也只有一条代码执行路径.
	*/
	thread_init_early();
 
	/* 架构初始化，包括DRAM,MMU初始化使能，使能协处理器，
	   preloader运行在ISRAM，属于物理地址，而lk运行在DRAM，可以选择开启MMU或者关闭，开启MMU可以加速lk的加载过程.
	*/
	arch_early_init();
 
	/*
	  平台硬件早期初始化，包括irq、timer，wdt，uart，led，pmic，i2c，gpio等,
	   初始化平台硬件，建立lk基本运行环境。
	*/
	platform_early_init();
 
	boot_time = get_timer(0);
 
	// 这个是保留的空函数.
	target_early_init();
 
	dprintf(CRITICAL, "welcome to lk\n\n");
	
	/*
	  执行定义在system-onesegment.ld 描述段中的构造函数，不太清楚具体机制：
	__ctor_list = .;
	.ctors : { *(.ctors) }
	__ctor_end = .;
	*/
	call_constructors();
 
	//内核堆链表上下文初始化等.
	heap_init();
 
	// 线程池初始化,前提是PLATFORM_HAS_DYNAMIC_TIMER需要支持.
	thread_init();
 
	// dpc系统是什么？据说是一个类似work_queue的东东，dpc的简称是什么就不清楚了.
	dpc_init();
 
	// 初始化内核定时器
	timer_init();
 
    // 创建系统初始化工作线程,执行app初始化，lk把业务部分当成一个app.
	thread_resume(thread_create("bootstrap2", &bootstrap2, NULL, DEFAULT_PRIORITY, DEFAULT_STACK_SIZE));
    thread_resume(thread_create("iothread", &iothread, NULL, DEFAULT_PRIORITY, DEFAULT_STACK_SIZE));
 
	// 使能中断.
	exit_critical_section();
 
	// become the idle thread
	thread_become_idle();
}

kmain小结：

• 初始化线程池，建立线程管理链表，运行队列等
• 初始化各种平台硬件，包括irq，timer，wdt，uart, led, pmic，i2c， gpio等，建立lk基本运行环境。
• 初始化内核heap， 内核timer
• 创建系统初始化主线程，进入bootstrap2执行，使能中断，当前线程进入idle

boostrap分析

static int bootstrap2(void *arg)
{
...
	arch_init: 空函数
/*
  平台相关初始化，包括nand/emmc，LCM显示驱动，启动模式选择，加载logo资源，
  具体代码流程如下时序图.
*/
	platform_init();
...
   target_init: 空函数
/*
  app初始化，跳转到mt_boot_init入口开始执行,对应的 ".apps" 这个section.
*/
	apps_init();
 
	return 0;
}

这里的apps_init的跳转机制还有点特别：

extern const struct app_descriptor __apps_start;
extern const struct app_descriptor __apps_end;
void apps_init(void)
{
	const struct app_descriptor *app;
 
	/* 这里具体干了什么？如何跳转到mt_boot_init入口？有点不知所云 
	   依次遍历 从__apps_start 到__apps_end 又是什么东东？
	*/
	for (app = &__apps_start; app != &__apps_end; app++) {
		if (app->init)
			app->init(app);
	}
 
...
}

这个__apps_start 跟 __apps_end哪里定义的？ 是怎么回事呢？ 这里就需要了解一点编译链接原理跟memory 布局的东东， 这个实际上是指memory中的一个只读数据段的起始&结束地址区间， 它定义在这个文件中：

/lk/arch/arm/system-onesegment.ld:47:		__apps_start = .;
 
.rodata : { 
...
	. = ALIGN(4);
	__apps_start = .;
	KEEP (*(.apps))
	__apps_end = .;
	. = ALIGN(4); 
	__rodata_end = . ;		
}

该mem地址区间是[__apps_start, __apps_end]，显然区间就是“.apps” 这个section内容了. 那么这个section是在哪里初始化的呢？继续看：

./lk/app/mt_boot/mt_boot.c:1724:
 
APP_START(mt_boot)
.init = mt_boot_init,

展开APP_START：

#define APP_START(appname) struct app_descriptor _app_##appname __SECTION(".apps") = { .name = #appname,
#define APP_END };

到这里就很明显了，编译链接系统会将mt_boot_init这个地址记录到".apps"这个section中！所以下面代码要干的事情就很清晰了，执行app->init(app)后就等价于调用了void mt_boot_init(const struct app_descriptor *app) 函数.

for (app = &__apps_start; app != &__apps_end; app++) {
	if (app->init)
		app->init(app);
}

bootstrap2函数小结

平台相关的初始化，包括nand/emmc， 显现相关驱动，启动模式选择，加载logo资源，检测是否是DA模式，检测分区中是否有KE信息，如果有KE信息，就从分区load到DRAM， 点亮背光，显示logo， 禁止I/D-cache和MMU， 跳转到DA,配置二级cache的size获取bat电压，判断是否低电量，是否显示充电logo，总之此函数干的事情很多，时序图比较清晰只管的描述具体细节。

跳转到mt_boot_init函数，对应的.app的section, 相关机制上面已经详细说明了。

mt_boot_init分析

void mt_boot_init(const struct app_descriptor *app)
{

	/* 获取串号字符串 */
	key = get_devinfo_with_index(13);
	key = (key << 32) | (unsigned int)get_devinfo_with_index(12);
	
	set_serial_num();
/* 从特定分区获取产品sn号，如果获取失败就使用默认值 DEFAULT_SERIAL_NUM */
#ifdef SERIAL_NUM_FROM_BARCODE  这里的东西就在set_serial_num中调用
	ser_len = read_product_info(tmp);
	if (ser_len == 0) {
		ser_len = strlen(DEFAULT_SERIAL_NUM);
		strncpy(tmp, DEFAULT_SERIAL_NUM, ser_len);
	}
	memset( sn_buf, 0, sizeof(sn_buf));
	strncpy( sn_buf, tmp, ser_len);
	sn_buf[SN_BUF_LEN] = '\0';
	surf_udc_device.serialno = sn_buf;
#endif

	g_boardid = target_get_boardid();
	g_hwid = target_get_hwid();
 
    /* 芯片代码 */
	chip_code = board_machtype();

/* mtk平台默认不支持 fastboot */
	if (g_boot_mode == FASTBOOT)
		goto fastboot;
 
/* secure boot相关 */
#ifdef MTK_SECURITY_SW_SUPPORT
#if MTK_FORCE_VERIFIED_BOOT_SIG_VFY
	g_boot_state = BOOT_STATE_RED;
#else
	if (0 != sec_boot_check(0)) {
		g_boot_state = BOOT_STATE_RED;
	}
#endif
#endif
 
/* 这里干的事情就比较多了，跟进g_boot_mode选择各种启动模式，例如：
normal、facotry、fastboot、recovery等,然后从ROM中的boot.img分区找到(解压)
ramdisk跟zImage的地址loader到DRAM的特定地址中，kernel最终load到DRAM中的地址
(DRAM_PHY_ADDR + 0x8000) == 0x00008000.
read the data of boot (size = 0x811800)
*/
	boot_linux_from_storage();
 
fastboot:
	target_fastboot_init();
	if (!usb_init)
		/*Hong-Rong: wait for porting*/
		udc_init(&surf_udc_device);
 
	mt_part_dump();
	sz = target_get_max_flash_size();
	fastboot_init(target_get_scratch_address(), sz);
	udc_start();
 

mt_boot_init分析小结

• 获取设备串号字符串，芯片代码，sn号等
• 如果实现了secure boot则进行sec boot的check工作；
• 进入boot_linux_from_strorage函数初始化，该函数很重要，干了很多事情

boot_linux_from_storage

int boot_linux_from_storage(void)
{
	int ret=0;
...
 
	switch (g_boot_mode) {
		case NORMAL_BOOT:
		case META_BOOT:
		case ADVMETA_BOOT:
		case SW_REBOOT:
		case ALARM_BOOT:
		case KERNEL_POWER_OFF_CHARGING_BOOT:
		case LOW_POWER_OFF_CHARGING_BOOT:
		
			load_vfy_boot： 内容大致如下：
                        /* 检查boot分区的头部是否有bootopt标识，如果没有就报错 */
			ret = mboot_android_load_bootimg_hdr("boot", CFG_BOOTIMG_LOAD_ADDR);
			if (ret < 0) {
				msg_header_error("Android Boot Image");
			}
			
			kimg_load_addr = kimg_load_addr + get_page_sz();
			
                       /* 
                        从EMMC的boot分区取出bootimage载入到DRAM  
                        dprintf(CRITICAL, " > from - 0x%016llx (skip boot img hdr)\n",start_addr);
                        dprintf(CRITICAL, " > to   - 0x%x (starts with kernel img hdr)\n",addr);
                        len = dev->read(dev, start_addr, (uchar*)addr, g_bimg_sz); <<= 系统调用load到DRAM
                       开机log：
                              [3380]  > from - 0x0000000001d20800 (skip boot img hdr)
                              [3380]  > to   - 0x80008000 (starts with kernel img hdr)
                       */
			ret = mboot_android_load_bootimg("boot", kimg_load_addr);
			if (ret < 0) {
				msg_img_error("Android Boot Image");
			}
 			load_bootinfo_bootimg(kimg_load_addr);
 			prepare_kernel_dtb();
 			set_bootimg_loaded(kimg_load_addr);
			dprintf(CRITICAL,"[PROFILE] ------- load boot.img takes %d ms -------- \n", (int)get_timer(time_load_bootimg));
 
			break;
 
		case RECOVERY_BOOT:
...
			break;
 
		case FACTORY_BOOT:
		case ATE_FACTORY_BOOT:
...
 
			break;
...
 
	}
 
 kernel_target_addr = get_kernel_target_addr();
 tags_target_addr = get_tags_addr();
 
	reloacate_ramdisk(&ramdisk_target_addr, &ramdisk_real_sz);  //获取重定位之后的ramdisk地址
	bootargs_init((void*)tags_target_addr); //合入设备的启动参数
...
 
/* 传入cmdline，设置selinux */
#if SELINUX_STATUS == 1
	cmdline_append("androidboot.selinux=disabled");
#elif SELINUX_STATUS == 2
	cmdline_append("androidboot.selinux=permissive");
#endif
 
/* 准备启动linux kernel */
	boot_linux((void *)CFG_BOOTIMG_LOAD_ADDR, (unsigned *)CFG_BOOTARGS_ADDR,
	           (char *)cmdline_get(), board_machtype(), (void *)CFG_RAMDISK_LOAD_ADDR, g_rimg_sz);
 
	while (1) ;
 
	return 0;
}

boot_linux_from_storage小结

• 根据g_boot_mode选择各种启动模式，例如： normal, factiory, fastboot, recovery等，然后从EMMC中的boot分区找到（解压）ramdisk跟zImage的地址通过系统调用load到DRAM地址中，kernel最终load到DRAM的地址：（DRAM_PHY_ADDR + 0x8000）;
• 重定位根文件系统地址
• 跳转到boot_linux，正式拉起kernel

boot_linux分析：

boot_linux实际上跑的是boot_linux_fdt， 这个函数有对dtb进行解析和加载，期间操作十分复杂，这里只关注主流程

void boot_linux(void *kernel, unsigned *tags,
                char *cmdline, unsigned machtype,
                void *ramdisk, unsigned ramdisk_size)
{
...
// 新架构都是走fdt分支.
#ifdef DEVICE_TREE_SUPPORT
	boot_linux_fdt((void *)kernel, (unsigned *)tags,
	               (char *)cmdline, machtype,
	               (void *)ramdisk, ramdisk_size);
 
	while (1) ;
#endif
...
 
int boot_linux_fdt(void *kernel, unsigned *tags,
                   char *cmdline, unsigned machtype,
                   void *ramdisk, unsigned ramdisk_size)
{
...
	void (*entry)(unsigned,unsigned,unsigned*) = kernel;
...
 
// find dt from kernel img
	if (fdt32_to_cpu(*(unsigned int *)dtb_addr) == FDT_MAGIC) {
		dtb_size = fdt32_to_cpu(*(unsigned int *)(dtb_addr+0x4));
	} else {
		dprintf(CRITICAL,"Can't find device tree. Please check your kernel image\n");
		while (1) ;
	}
...
 
	if (!has_set_p2u) {
/* 控制进入kernel后uart的输出，非eng版本默认是关闭的，如果调试需要就可以改这里为
   "printk.disable_uart=0"
 */
 
#ifdef USER_BUILD
		sprintf(cmdline,"%s%s",cmdline," printk.disable_uart=1");
#else
		sprintf(cmdline,"%s%s",cmdline," printk.disable_uart=0 ddebug_query=\"file *mediatek* +p ; file *gpu* =_\"");
#endif
...
	}
 
...
 
// led,irq关闭
	platform_uninit();
	
// 关闭I/D-cache，关闭MMU，今天kernel的条件.
	arch_disable_cache(UCACHE);
	arch_disable_mmu();
 
// sec init
	extern void platform_sec_post_init(void)__attribute__((weak));
	if (platform_sec_post_init) {
		platform_sec_post_init();
	}
 
// 如果是正在充电，检测到power key后执行reset.
	if (kernel_charging_boot() == 1) {
		if (pmic_detect_powerkey()) {
			dprintf(CRITICAL,"[%s] PowerKey Pressed in Kernel Charging Mode Before Jumping to Kernel, Reboot Os\n", __func__);
			mtk_arch_reset(1);
		}
	}
#endif
...
 
// 输出关键信息。
	dprintf(CRITICAL,"cmdline: %s\n", cmdline);
	dprintf(CRITICAL,"lk boot time = %d ms\n", lk_t);
	dprintf(CRITICAL,"lk boot mode = %d\n", g_boot_mode);
	dprintf(CRITICAL,"lk boot reason = %s\n", g_boot_reason[boot_reason]);
	dprintf(CRITICAL,"lk finished --> jump to linux kernel %s\n\n", g_is_64bit_kernel ? "64Bit" : "32Bit");
 
// 执行系统调用，跳转到kernel，这里的entry实际上就是前面的kernel在DRAM的入口地址.
	if (g_is_64bit_kernel) {
		lk_jump64((u32)entry, (u32)tags, 0, KERNEL_64BITS);
	} else {
                dprintf(CRITICAL,"[mt_boot] boot_linux_fdt entry:0x%08x, machtype：%d\n",entry,machtype);
		entry(0, machtype, tags);
	}
	while (1);
	return 0;
}

开机打印log信息

[4260] cmdline: console=tty0 console=ttyMT0,921600n1 root=/dev/ram vmalloc=496M androidboot.hardware=mt6580 androidboot.verifiedbootstate=green bootopt=64S3,32S1,32S1 printk.disable_uart=1 bootprof.pl_t=1718 bootprof.lk_t=2178 boot_reason=0 androidboot.serialno=0123456789ABCDEF androidboot.bootreason=power_key gpt=1
 
[4260] lk boot time = 2178 ms
 
[4260] lk boot mode = 0
 
[4260] lk boot reason = power_key
 
[4260] lk finished --> jump to linux kernel 32Bit
 
[4260] [mt_boot] boot_linux_fdt entry:0x80008000, machtype：6580

boot_linux小结

• 初始化DTB(device tree block)
• 准备各种cmdline参数传入kernel
• 关闭I/D-cache, MMU
• 打印关键信息，正式拉起kernel

到这里bootloader两个阶段就分析完了

bootloader启动简单连接

Pre-loader->lk主要干的事情

1. 初始化DRAM等硬件
2. 与flashtool USB握手， download相关检测 & sec_boot检测
3. 将lk载入DRAM， 若实现了EL3则把atf载入内存
4. 跳转到lk， 若实现了EL3， 则先跳转到atf， 初始化atf后在跳转回lk初始化

lk->kernel主要干的事情

1. 打开MMU， 使能I/D-cache， 加速lk执行，显示logo, 充电相关
2. 从emmc中boot分区中取出boot.img解压，将根文件系统（ramdisk)、zImage load到DRAM
3. 解析 dtb，写入到DRAM指定区域
4. 关闭MMU, irq/fiq， 关闭I/D-cache, 拉起kernel