linux内核启动流程

start_kernel

start_kernel是所有 Linux 平台进入系统内核初始化后的入口函数，它主要完成剩余的与硬件平台相关的初始化工作，在进行一系列与内核相关的初始化后，调用第一个用户进程

asmlinkage __visible void __init __no_sanitize_address start_kernel(void)
{
	char *command_line;
	char *after_dashes;

	set_task_stack_end_magic(&init_task);  // 设置初始任务的栈结束魔术字，用于栈溢出检测
    smp_setup_processor_id();              // 设置处理器ID（SMP系统）
    debug_objects_early_init();            // 调试对象早期初始化
    cgroup_init_early();                   // 控制组(cgroup)早期初始化

    local_irq_disable();                   // 禁用本地中断
    early_boot_irqs_disabled = true;       // 标记早期启动阶段中断被禁用

	/*
	 * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
	 * enable them.
	 */
	boot_cpu_init();                       // 启动CPU初始化
    page_address_init();                   // 页面地址初始化
    pr_notice("%s", linux_banner);         // 打印Linux版本信息
    early_security_init();                 // 安全子系统早期初始化
    
    /*架构相关初始化*/
    setup_arch(&command_line);             // 架构特定设置（非常重要！）
    setup_boot_config(command_line);       // 启动配置设置
    setup_command_line(command_line);      // 保存命令行参数
    setup_nr_cpu_ids();                    // 设置CPU数量
    setup_per_cpu_areas();                 // 设置每CPU区域
    smp_prepare_boot_cpu();                // 准备启动CPU（架构特定钩子）
    boot_cpu_hotplug_init();               // CPU热插拔初始化
    
	/*内存管理初始化*/
	build_all_zonelists(NULL);             // 构建所有内存区域的区域列表
    page_alloc_init();                     // 页面分配器初始化

    pr_notice("Kernel command line: %s\n", saved_command_line); // 打印内核命令行
	/* parameters may set static keys */
	jump_label_init();                     // 跳转标签初始化（用于静态键）
    parse_early_param();                   // 解析早期参数
    after_dashes = parse_args("Booting kernel", // 解析内核参数
				  static_command_line, __start___param,
				  __stop___param - __start___param,
				  -1, -1, NULL, &unknown_bootoption);
	if (!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))
		parse_args("Setting init args", after_dashes, NULL, 0, -1, -1,
			   NULL, set_init_arg);
	if (extra_init_args)
		parse_args("Setting extra init args", extra_init_args,
			   NULL, 0, -1, -1, NULL, set_init_arg);

	/*
	 * These use large bootmem allocations and must precede
	 * kmem_cache_init()
	 */
    /*核心子系统初始化*/
	setup_log_buf(0);                      // 设置日志缓冲区
    vfs_caches_init_early();               // 虚拟文件系统早期缓存初始化
    sort_main_extable();                   // 排序异常表
    trap_init();                           // 陷阱/异常处理初始化
    mm_init();                             // 内存管理初始化

    ftrace_init();                         // 函数跟踪初始化
    early_trace_init();                    // 早期跟踪初始化

    sched_init();                          // 调度器初始化（关键！）
    preempt_disable();                     // 禁用抢占
    
    
	if (WARN(!irqs_disabled(),
		 "Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n"))
		local_irq_disable();
	radix_tree_init();

	/*
	 * Set up housekeeping before setting up workqueues to allow the unbound
	 * workqueue to take non-housekeeping into account.
	 */
	housekeeping_init();

	/*
	 * Allow workqueue creation and work item queueing/cancelling
	 * early.  Work item execution depends on kthreads and starts after
	 * workqueue_init().
	 */
	workqueue_init_early();

	rcu_init();

	/* Trace events are available after this */
	trace_init();

	if (initcall_debug)
		initcall_debug_enable();

	context_tracking_init();               // 上下文跟踪初始化
    early_irq_init();                      // 早期中断初始化
    init_IRQ();                            // 中断控制器初始化
    tick_init();                           // 时钟滴答初始化
    rcu_init_nohz();                       // RCU无滴答初始化
    init_timers();                         // 定时器初始化
    hrtimers_init();                       // 高分辨率定时器初始化
    softirq_init();                        // 软中断初始化
    timekeeping_init();                    // 时间保持初始化

	/*
	 * For best initial stack canary entropy, prepare it after:
	 * - setup_arch() for any UEFI RNG entropy and boot cmdline access
	 * - timekeeping_init() for ktime entropy used in rand_initialize()
	 * - rand_initialize() to get any arch-specific entropy like RDRAND
	 * - add_latent_entropy() to get any latent entropy
	 * - adding command line entropy
	 */
	rand_initialize();
	add_latent_entropy();
	add_device_randomness(command_line, strlen(command_line));
	boot_init_stack_canary();

	time_init();
	perf_event_init();
	profile_init();
	call_function_init();
	WARN(!irqs_disabled(), "Interrupts were enabled early\n");
	/*启用中断和后期初始化*/
	early_boot_irqs_disabled = false;      // 标记中断即将启用
    local_irq_enable();                    // 启用本地中断（重要转折点！）

    kmem_cache_init_late();                // 延迟的kmem缓存初始化

	/*
	 * HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before
	 * we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of
	 * this. But we do want output early, in case something goes wrong.
	 */
	console_init();                        // 控制台初始化（现在可以输出了！）
	if (panic_later)
		panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,
		      panic_param);

	lockdep_init();

	/*
	 * Need to run this when irqs are enabled, because it wants
	 * to self-test [hard/soft]-irqs on/off lock inversion bugs
	 * too:
	 */
	locking_selftest();

	/*
	 * This needs to be called before any devices perform DMA
	 * operations that might use the SWIOTLB bounce buffers. It will
	 * mark the bounce buffers as decrypted so that their usage will
	 * not cause "plain-text" data to be decrypted when accessed.
	 */
	mem_encrypt_init();

#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
	if (initrd_start && !initrd_below_start_ok &&
	    page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)) < min_low_pfn) {
		pr_crit("initrd overwritten (0x%08lx < 0x%08lx) - disabling it.\n",
		    page_to_pfn(virt_to_page((void *)initrd_start)),
		    min_low_pfn);
		initrd_start = 0;
	}
#endif
	setup_per_cpu_pageset();
	numa_policy_init();
	acpi_early_init();
	if (late_time_init)
		late_time_init();
	sched_clock_init();
	calibrate_delay();
	pid_idr_init();
	anon_vma_init();
#ifdef CONFIG_X86
	if (efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES))
		efi_enter_virtual_mode();
#endif
	thread_stack_cache_init();             // 线程栈缓存初始化
    cred_init();                           // 凭证初始化
    fork_init();                           // 进程创建初始化
    proc_caches_init();                    // proc缓存初始化
    uts_ns_init();                         // UTS命名空间初始化
    buffer_init();                         // 缓冲区缓存初始化
    key_init();                            // 密钥初始化
    security_init();                       // 安全子系统初始化
    dbg_late_init();                       // 延迟调试初始化
    /*文件系统和进程间通信*/
	vfs_caches_init();                     // 虚拟文件系统缓存初始化
    pagecache_init();                      // 页面缓存初始化
    signals_init();                        // 信号初始化
    seq_file_init();                       // 序列文件初始化
    proc_root_init();                      // proc文件系统根初始化
    nsfs_init();                           // 命名空间文件系统初始化
    cpuset_init();                          // cpuset初始化
    cgroup_init();                          // cgroup初始化
    taskstats_init_early();                // 任务统计早期初始化
    delayacct_init();                      // 延迟统计初始化

	poking_init();
	check_bugs();

	acpi_subsystem_init();
	arch_post_acpi_subsys_init();
	sfi_init_late();
	kcsan_init();

	/* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */
    arch_call_rest_init();                 // 调用架构特定的rest_init()
    prevent_tail_call_optimization();      // 防止尾调用优化
}

start_kernel函数主要调用了以下子函数来完成初始化：

setup_arch(&command_line): 架构特定的第二次初始化，解析设备树（DTB）或ATAGS（传递自Bootloader的参数），进行内存映射等。
trap_init(): 初始化异常向量表和中断处理函数的入口。
mm_init(): 内存管理子系统初始化，初始化伙伴系统（Buddy System）等 slab allocator 的基础。
sched_init(): 调度器初始化，初始化系统进程调度器。
early_irq_init() 和 init_IRQ(): 中断处理机制初始化。
time_init(): 系统时钟初始化，读取实时时钟（RTC），初始化定时器中断。
console_init(): 控制台初始化。在这之前，内核通过printk输出的信息可能只是保存在缓冲区中。此后，信息才能显示在控制台上。
arch_call_rest_init(): 这是start_kernel()的最后一步，它会调用rest_init()，后者将创建第一个用户空间进程(init)并完成启动过程

创建第一个进程

start_kernel在最后调用rest_init()，它负责结束内核启动并“孵化”出用户空间。

工作内容:

通过kernel_thread创建内核线程 kernel_init。这个线程就是后续的用户空间init进程（PID 1） 的雏形。
通过kernel_thread创建内核线程 kthreadd（PID 2），它负责管理和调度所有其他的内核线程。
调用schedule()开启进程调度。
将当前任务（0号进程，即idle进程）标记为可调度，并调用cpu_idle()进入空闲循环。当没有其他任务可运行时，CPU就执行idle进程。

initramfs的处理与根文件系统挂载

kernel_init线程首先会尝试处理initramfs。

为什么需要initramfs？
内核可能不包含访问真实根文件系统所在磁盘所需的驱动程序（例如SCSI、RAID、LVM、加密设备的驱动）。initramfs是一个临时的、放在内存中的根文件系统，它包含了这些驱动和工具。在内核无法直接访问根设备时，提供一个临时的环境来加载必要驱动，从而挂载真正的根文件系统。
工作内容:
1. 内核解压并加载initramfs到内存的一个临时文件系统中。
2. kernel_init线程执行initramfs中的/init脚本（这是一个用户空间程序！）。
3. /init脚本负责加载必要的硬件驱动模块（如磁盘控制器、文件系统驱动）。
4. 驱动加载后，/init脚本挂载真正的根文件系统（例如/dev/sda1）。
5. 最后，/init脚本通过pivot_root或chroot系统调用，将根目录切换到新挂载的真实根文件系统上。
6. /init程序退出，kernel_init线程继续执行。

用户空间初始化

切换到真正的根文件系统后，kernel_init线程会尝试执行用户空间的第一个程序。

kernel_init会按顺序尝试执行以下程序之一：
- /sbin/init (最常见)
- /etc/init
- /bin/init
- /bin/sh
通常，/sbin/init是一个指向现代init系统（如systemd或SysV init）的符号链接。
init进程（PID 1） 被启动，它成为所有用户进程的父进程。
init系统根据其配置文件（如systemd的/etc/systemd/system/目录或SysV init的/etc/inittab和/etc/rc.d/脚本）来：
- 初始化主机名、挂载文件系统（/proc, /sys, /dev）、设置内核参数。
- 启动系统服务（如网络、日志、定时任务）。
- 启动登录管理器（如图形界的GDM、LightDM）或文本界的getty进程。
- getty进程在终端上显示login:提示符，等待用户登录。

linux移植工作

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,打开imx_alientek_emmc_defconfig 文件，找到“CONFIG_ARCH_MULTI_V6=y”这一行，将其屏蔽掉（因为I.MX6ULL 是ARMV7 架构的，因此要屏蔽掉V6 相关选项，否则后面做驱动实验的时候可能会遇到驱动模块无法加载的情况。）
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#CPU Core family selection
CONFIG_ARCH_MULTI_V6=y#屏蔽
CONFIG_ARCH_MULTI_V7=y
CONFIG_ARCH_MULTI_V6_V7=y
CONFIG_ARCH_MULTI_CPU_AUTO is not set
CONFIG_ARCH_VIRTisnot set
以后就可以使用如下命令来配置正点原子EMMC版开发板对应的Linux 内核了
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make imx_alientek_emmc_defconfig
添加开发板对应的设备树文件

添加适合正点原子EMMC 版开发板的设备树文件，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

编译测试

#!/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

执行shell 脚本imx6ull_alientek_emmc.sh 编译Linux 内核

编译完成以后就会在目录arch/arm/boot 下生成zImage 镜像文件。在arch/arm/boot/dts 目录下生成imx6ull-alientek-emmc.dtb 文件

linux内核裁剪

裁剪原因： IMX6ULL这款资源有限的ARM处理器制作一个轻量、高效且稳定可靠的定制化系统，移除不需要的模块可以减小内核体积、降低内存占用、提高启动速度，并减少潜在的安全漏洞。”
主要工具：我使用标准的 make menuconfig 基于图形界面进行配置，因为它相比 make xconfig 更轻量，相比 make config 更直观。
基本方法：首先获取芯片原厂（NXP）提供的默认配置文件（通常是 imx_v7_defconfig），以此为基础进行修改，而不是从零开始配置。这样可以最大程度保证硬件基本功能的正常。
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# 获取默认配置
make imx_v7_defconfig
# 进入交互配置菜单
make menuconfig
# 编译内核
make -j4
具体裁剪内容及原因：
- 处理器类型与平台支持：移除所有其他架构的CPU支持（如x86, PowerPC, MIPS等），以及NXP i.MX系列中其他型号的芯片支持（如i.MX7, i.MX8等）。
- 设备驱动： 这是裁剪的大头。驱动代码量非常大，针对性保留可以极大缩小内核尺寸。
  - 图形驱动：移除所有其他GPU（如NVIDIA, AMD）和显示器驱动。
  - 输入设备：移除了游戏手柄、触摸板等驱动（我们只保留了触摸屏驱动evdev）。
  - 声卡驱动：整个系统没有音频功能，所以全部移除。
- 文件系统：
经过上述裁剪，最终的内核镜像（zImage）大小从原始的7MB减少到了5MB，系统启动时间和内存占用也有了明显的优化。
验证：
- 基本功能测试：确保系统能正常启动、挂载根文件系统。
- 硬件功能测试：逐一测试所有需要的外设功能是否正常：I2C读写传感器、SPI通信、PWM控制舵机、GPIO控制风扇/水泵、以太网通信、LCD显示和触摸。