zImage內(nèi)核鏡像解壓過程詳解

本文以linux-2.6.14內(nèi)核在S3C2410平臺(tái)上運(yùn)行為例，講解內(nèi)核的解壓過程。

內(nèi)核編譯完成后會(huì)生成zImage內(nèi)核鏡像文件。關(guān)于bootloader加載zImage到內(nèi)核，并且跳轉(zhuǎn)到zImage開始地址運(yùn)行zImage的過程，相信大家都很容易理解。但對(duì)于zImage是如何解壓的過程，就不是那么好理解了。本文將結(jié)合部分關(guān)鍵代碼，講解zImage的解壓過程。

先看看zImage的組成吧。在內(nèi)核編譯完成后會(huì)在arch/ARM/boot/下生成zImage。

在arch/armboot/Makefile中：

$(obj)/zImage: $(obj)/compressed/vmlinux FORCE

$(call if_changed,objcopy)

由此可見，zImage的是elf格式的arch/arm/boot/compressed/vmlinux二進(jìn)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是由內(nèi)核頂層目錄下的vmlinux二進(jìn)制化后得到的。注意：arch/arm/boot/compressed/vmlinux是位置無關(guān)的，這個(gè)有助于理解后面的代碼。，鏈接選項(xiàng)中有個(gè) –fpic參數(shù)：

EXTRA_CFLAGS := -fpic

總結(jié)一下zImage的組成，它是由一個(gè)壓縮后的內(nèi)核piggy.o，連接上一段初始化及解壓功能的代碼(head.o misc.o),組成的。

下面就要看內(nèi)核的啟動(dòng)了，那么內(nèi)核是從什么地方開始運(yùn)行的呢?這個(gè)當(dāng)然要看lds文件啦。zImage的生成經(jīng)歷了兩次大的鏈接過程：一次是頂層vmlinux的生成，由arch/arm/boot/vmlinux.lds(這個(gè)lds文件是由arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S生成的)決定;另一次是arch/arm/boot/compressed/vmlinux的生成，是由arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds(這個(gè)lds文件是由arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds.in生成的)決定。zImage的入口點(diǎn)應(yīng)該由arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds決定。從中可以看出入口點(diǎn)為‘_STart’

OUTPUT_ARCH(arm)

ENTRY(_start)

SECTI*

{

. = 0;

_text = .;

.text : {

_start = .;

*(.start)

*(.text)

……

}

在arch/arm/boot/compressed/head.S中找到入口點(diǎn)。

看看head.S會(huì)做些什么樣的工作：

• 對(duì)于各種Arm CPU的DEBUG輸出設(shè)定，通過定義宏來統(tǒng)一操作;

•設(shè)置kernel開始和結(jié)束地址，保存architecture ID;

• 如果在ARM2以上的CPU中，用的是普通用戶模式，則升到超級(jí)用戶模式，然后關(guān)中斷

• 分析LC0結(jié)構(gòu)delta offset，判斷是否需要重載內(nèi)核地址(r0存入偏移量，判斷r0是否為零)。

•需要重載內(nèi)核地址，將r0的偏移量加到BSS regiON和GOT table中的每一項(xiàng)。

對(duì)于位置無關(guān)的代碼，程序是通過GOT表訪問全局?jǐn)?shù)據(jù)目標(biāo)的，也就是說GOT表中中記錄的是全局?jǐn)?shù)據(jù)目標(biāo)的絕對(duì)地址，所以其中的每一項(xiàng)也需要重載。

• 清空bss堆?？臻gr2-r3

•建立C程序運(yùn)行需要的緩存

•這時(shí)r2是緩存的結(jié)束地址，r4是kernel的最后執(zhí)行地址，r5是kernel境象文件的開始地址

•用文件misc.c的函數(shù)decompress_kernel()，解壓內(nèi)核于緩存結(jié)束的地方(r2地址之后)。

可能大家看了上面的文字描述還是不清楚解壓的動(dòng)態(tài)過程。還是先用圖表的方式描述下代碼的搬運(yùn)解壓過程。然后再針對(duì)中間的一些關(guān)鍵過程闡述。

假定zImage在內(nèi)存中的初始地址為0x30008000(這個(gè)地址由bootloader決定，位置不固定)

1、初始狀態(tài)

2、head.S調(diào)用misc.c中的decompress_kernel剛解壓完內(nèi)核后

3、此時(shí)會(huì)將head.S中的部分代碼重定位

4、跳轉(zhuǎn)到重定位后的reloc_start處，由reloc_start至reloc_end的代碼復(fù)制解壓后的內(nèi)核代碼到0x30008000處，并調(diào)用call_kernel跳轉(zhuǎn)到0x30008000處執(zhí)行。

在通過head.S了解了動(dòng)態(tài)過程后，大家可能會(huì)有幾個(gè)問題：

問題1：zImage是如何知道自己最后的運(yùn)行地址是0x30008000的?

問題2：調(diào)用decompress_kernel函數(shù)時(shí)，其4個(gè)參數(shù)是什么值及物理含義?

問題3：解壓函數(shù)是如何確定代碼中壓縮內(nèi)核位置的?

先回答第1個(gè)問題

這個(gè)地址的確定和Makefile和鏈接腳本有關(guān)，在arch/arm/Makefile文件中的

textaddr-y := 0xC0008000 這個(gè)是內(nèi)核啟動(dòng)的虛擬地址

TEXTADDR := $(textaddr-y)

在arch/arm/mach-s3c2410/Makefile.boot中

zreladdr-y := 0x30008000 這個(gè)就是zImage的運(yùn)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

內(nèi)核就是用這種方式讓代碼知道最終運(yùn)行的位置的

接下來再回答第2個(gè)問題

decompress_kernel(ulg output_start, ulg free_mem_ptr_p, ulg free_mem_ptr_end_p,