Linux内核源码分析--内核启动之zImage自解压过程
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux内核源码分析--内核启动之zImage自解压过程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
copy from:https://www.cnblogs.com/pengdonglin137/p/3838245.html
参考：
http://blog.chinaunix.net/uid-20543672-id-3018233.html
linux2.6内核启动分析--李枝果(不看是你的损失^_^)
文档下载地址：
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。
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。
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。
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:
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 <= 当前位置 (pc) -> 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 <= 当前位置 (pc)
42: * 所以必然直接跳到了下面的wont_overwrite执行
43: */
44: wont_overwrite:
45: /*
46: * 如果delta（当前映像地址与编译时的地址偏移）为0, 我们运行的地址就是编译时确定的地址.
47: * r0 = delta
48: * r2 = BSS start（编译值）
49: * r3 = BSS end（编译值）
50: * r4 = 内核最终运行的物理地址
51: * r7 = 构架ID(bootlodaer传递值)
52: * r8 = 内核启动参数指针(bootlodaer传递值)
53: * r11 = GOT start（编译值）
54: * r12 = GOT end（编译值）
55: * sp = stack pointer（修正值）
56: */
57: teq r0, #0 @测试delta值
58: beq not_relocated @如果delta为0，无须对GOT表项和BSS进行重定位
59: add r11, r11, r0 @重定位GOT start
60: add r12, r12, r0 @重定位GOT end
61: #ifndef CONFIG_ZBOOT_ROM
62: /*
63: * 如果内核配置 CONFIG_ZBOOT_ROM = n,
64: * 我们必须修正BSS段的指针
65: * 注意：sp已经被修正
66: */
67: add r2, r2, r0 @重定位BSS start
68: add r3, r3, r0 @重定位BSS end
69: /*
70: * 重定位所有GOT表的入口项
71: */
72: 1: ldr r1, [r11, #0] @ 重定位GOT表的入口项
73: add r1, r1, r0 @ 这个修正了 C 引用
74: str r1, [r11], #4
75: cmp r11, r12
76: blo 1b
77: #else
78: /*
79: * 重定位所有GOT表的入口项.
80: * 我们只重定向在（已重定向后）BSS段外的入口
81: */
82: 1: ldr r1, [r11, #0] @ 重定位GOT表的入口项
83: cmp r1, r2 @ entry < bss_start ||
84: cmphs r3, r1 @ _end < entry table
85: addlo r1, r1, r0 @ 这个修正了 C 引用
86: str r1, [r11], #4
87: cmp r11, r12
88: blo 1b
89: #endif
90: /*
91: * 至此当前映像的搬运和调整已经完成
92: * 可以开始真正的工作的
93: */
94: not_relocated: mov r0, #0
95: 1: str r0, [r2], #4 @ 清零 bss（初始化BSS段）
96: str r0, [r2], #4
97: str r0, [r2], #4
98: str r0, [r2], #4
99: cmp r2, r3
100: blo 1b
101: /*
102: * C运行时环境已经充分建立.
103: * 设置一些指针就可以解压内核了.
104: * r4 = 内核最终运行的物理地址
105: * r7 = 构架ID
106: * r8 = 内核启动参数指针
107: *
108: * 下面对r0～r3的配置是decompress_kernel函数对应参数
109: * r0 = 解压后的输出位置首地址
110: * r1 = 可用RAM空间首地址 即堆空间的起始地址
111: * r2 = 可用RAM空间结束地址 即堆空间的结束地址
112: * r3 = 构架ID
113: * 就是这个decompress_kernel（C函数）输出了"Uncompressing Linux..."
114: * 以及" done, booting the kernel.\\n"
115: */
116: mov r0, r4
117: mov r1, sp @ malloc 获取的内存空间位于栈指针之上
118: add r2, sp, #0x10000 @ 64k max
119: mov r3, r7
120: bl decompress_kernel
121: /*
122: * decompress_kernel(misc.c)--调用-->
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：
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: }
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: }
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 <linux/zutil.h>
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 <linux/decompress/mm.h>
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;
linux的uboot启动映像，zImage和uImage的区别