zImage内核镜像解压过程详解

xuelei_51

  
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的最后执行地址，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_start至reloc_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是如何知道自己最后的运行地址是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最终运行的位置的
     
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；
      
最后回答第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  
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。
               
               
               

本文来自ChinaUnix博客，如果查看原文请点：http://blog.chinaunix.net/u2/78978/showart_1990826.html